循环死亡后心脏捐献的临床前模型

摘要

该协议显示了一种简单而灵活的方法,用于评估新的调理剂或策略,以提高循环死亡后心脏捐赠的可行性。

摘要

心脏移植需求呈上升趋势;然而,由于缺乏合适的捐赠者,器官的可得性有限。循环死亡后器官捐献 (DCD) 是解决这种有限可用性的解决方案,但由于长期温暖的缺血期和组织损伤的风险,其常规使用在心脏移植中很少见。在本手稿中,我们提供了一个详细的方案,通过持续监测心脏功能,在DCD的背景下密切模仿当前的临床实践,允许评估新的心脏保护策略和干预措施,以减少缺血性再灌注损伤。

在此模型中,DCD协议通过停止通气诱导循环死亡在麻醉的Lewis大鼠中启动。当收缩压降至 30 mmHg 以下时,开始出现温暖的缺血时间。在预先设定的温暖缺血期后,心脏被冲洗与规范的性心液溶液,采购,并安装在兰根多夫前体内心脏灌注系统。在初始再灌注和稳定10分钟后,使用室内压力监测持续评估心脏修复60分钟。通过测量心脏肌钙蛋白 T 来评估心脏损伤,并且通过组织染色量化梗死大小。温暖的缺血时间可以调整和定制,以发展所需的结构和功能损伤量。这个简单的协议允许评估在心痛、初始再灌注和/或前体灌注时引入的不同心内保护调节策略。从该协议获得的发现可以复制在大型模型中,便于临床翻译。

引言

固体器官移植,特别是心脏移植,在全球呈上升趋势。"器官采购的标准方法是脑死亡后捐赠(DBD)。鉴于DBD的严格包容标准,只有不到40%的被录取的心被接受3,从而限制了在面对不断增长的需求和扩大器官等待名单的报价。为了解决这个问题,使用循环死亡后捐赠的器官(DCD)被认为是一个潜在的解决方案4。

然而,在DCD捐赠者中,在戒断护理后出现一个前发期,以及复苏前一段未受保护的温暖缺血期是不可避免的。循环死亡后潜在的器官损伤可能导致器官功能障碍,这解释了人们不愿意常规地采用DCD心脏移植。据报道,只有4个中心使用DCD心脏临床,与严格的标准,包括很短的温暖缺血时间和年轻的捐赠者没有慢性病理6,7。出于伦理和法律原因,在循环死亡5、8、9之前,对捐献者可以进行有限或没有心脏保护干预。因此,任何缓解缺血性再灌注(IR)损伤的缓解措施仅限于在用心电图溶液进行早期再灌注期间启动的心脏病保护疗法,并且不允许进行适当的功能评估。外体心脏灌注(EVHP)和修复DCD心脏使用专用平台已被提出作为替代解决方案,并研究由各种学者10,11,12,13.EVHP 提供了一个独特的机会,将后调理剂交付给 DCD 心脏,以改善功能恢复。然而,为了有效的临床翻译,许多技术和实际问题仍有待解决,而由于缺乏一系列灌注和功能标准来确定可移植性,情况进一步复杂化^{了。 8}.

本文报告开发一种可重复的临床前小动物DCD协议,结合一个体外心脏灌注系统,可用于研究在采购时,在初始再灌注期间启动的器官后调节,以及/或在整个 EVHP 中。

研究方案

所有动物护理和实验规程均符合《实验室动物护理和使用指南》,并经蒙特利尔大学研究中心动物护理和使用中心机构动物护理和使用委员会批准。

1. 初步准备工作

1. 打开水浴加热心痛输送系统(图1A)和兰根多夫前体内灌注系统(图1B)。将水温设置为 38.5 °C,溶液温度为 37°C。设置照片可以在补充图1A,B中看到。
2. 准备1L心电图溶液。将 1 mL 的 2% 盐酸利多卡和 10 mM KCl(最终浓度 20 mM)添加到 1 L 的等离子-Lyte A(140 mM Na、5 mM K、1.5 mM Mg、98 mM Cl、27 mM 醋酸盐、23 mM 葡萄糖酸盐)。使用 6 N HCl 将 pHH 校正至 7.4。
   警告:此模型对 pH 高度敏感。错误的 pH 校正(超出 7.3-7.4 生理范围)或 pH 不稳定溶液可能会损害实验或提供不可靠的数据。
3. 准备 4 L 克雷布斯溶液 (113 mM NaCl, 4.5 mM KCl, 1.6 mM NaH₂PO₄, 1.25 mM CaCl₂, 1 mM MgCl₂+6H₂O, 5.5 mM D-葡萄糖, 25 mM NaHCO₃)每 1 L 溶液的基质应如下:6.1 g NaCl、0.3355 g KCl、0.2035 g MgCl₂±6H₂O、0.192 g NaH₂PO₄、0.1387 g CaCl 2、0.99 g D-葡萄糖、2.1 g NaHCO₃ ,在超纯脱离子水中的最终体积为1L。添加 NaHCO₃最后避免降水。使用 0.22 μm 过滤器过滤溶液并储存过夜。当溶液在37°C时,将pH值校正为7.4,在5%CO2/95%O₂下起泡。
4. 使用克雷布斯溶液填充兰根多夫电路并启动系统泵。确保管道内没有气泡。将蠕动泵转速调整到 80 rpm(相当于 1 升/分钟)。使用双向停止公鸡,调整流量,以保持缓慢滴通过主动脉管,直到心脏连接(图1B)。将 Krebs 溶液(15 mL)样品保存在 50 mL 圆锥管中,用于心脏运输。
5. 用心痛溶液填充心痛输送系统。一旦气泡被移除,使用3路停止旋塞(图1A)将电路切换到盐水。调整滴水率。盐水必须缓慢地从导管尖端滴下,以确保在动物死亡前不会注射心电图溶液。

2. 动物准备

1. 使用吸入室,诱导麻醉与3%的异常。一旦动物没有反应,根据当地规定,进行腹肌内注射氯胺酮(75毫克/千克)和木兰辛(5毫克/千克)或类似合适的麻醉剂,以维持麻醉。确保麻醉的深度,不反应脚趾捏和苍白反射。
2. 使用14G,2英寸I.V.导管插入动物。以每分钟 50 次呼吸开始通风,气道压力限制为 20 cmH₂O。
3. 将动物放在设置为"中等"的加热垫上,并盖上吸水垫以保持体温。插入直肠温度探头,并将透皮脉冲血氧仪传感器连接到其中一个支脚。在整个过程中,将直肠温度保持在37°C。
4. 血管访问
   1. 用剪刀在颈部做一个3至4厘米的中线皮肤切口。使用钝尖弯曲剪刀,钝解剖皮下组织,并暴露右肌体肌肉。使用非创伤性钳子,横向移动肌肉,直到右颈动脉(脉动)、颈静脉(非脉动)和迷走神经(白色)被目视识别(补充图2A)。使用钝尖弯曲剪刀小心地将迷走神经与胡萝卜动脉分离。
   2. 通过右颈静脉注射肝素(2,000 IU/kg)。在针头缩回后,对注射部位施加压力,以避免血液泄漏。
   3. 使用弯曲的钳子,通过两个5-0丝缝合线周围的胡萝卜动脉。牢固地连接远端缝合线,以遮挡动脉的优越性阻塞胡萝卜动脉。保持近线缝合解开。下一步,拉近丝缝合线将用于控制出血(补充图2B)。缝合线之间的距离应约为2厘米。
   4. 使用立体显微镜进行更好的可视化,在胡萝卜动脉的前壁上用显微手术剪刀小心地切开1毫米切口。将 22 G、1 英寸闭合的 I.V. 导管插入主动脉。导管连接到2路止孔,允许连接到压力传感器进行持续监测,并有可能通过心痛输送系统注射盐水或心痛(图1A)。

3. 循环死亡后心脏捐献(DCD)协议启动

注:完整的协议时间线如图2所示。

1. 通过执行脚趾捏和评估帕佩布拉反射来重新评估麻醉深度。如果观察到反应,进行氯胺酮(37.5毫克/千克)和木拉津(2.5毫克/千克)的腹内注射。5 分钟后重新评估。如果未观察到响应,请继续执行该过程。气管夹只应在充分麻醉的动物身上进行。
2. 关闭呼吸机,给动物排泄。使用蚊香钳夹住气管。这一刻被认为是前阶段的开始。当收缩压峰值降至 30 mmHg 以下时,或者如果出现腹膜颤动或心室颤动,则首先计算功能性热缺血时间 (WIT)(图 3)。
   注:损坏程度应与 WIT 成正比。需要实验来优化WIT时间,根据麻醉剂使用,动物应变,性别和体重选择。在对照动物中,在胡萝卜血管访问安全后,立即注射心痛,并如下一步所述获得心脏(图2)。心痛灌注的开始被认为是WIT的结束。
3. 在 WIT 结束时,进行内联切除术。使用 Alm 缩回器使胸腔保持打开。使用剪刀,打开劣质的vena卡瓦和两个心房,以避免心肌裂断或心律再循环(补充图3)。将主塔夹在隔膜上方。通过先前导管化的胡萝卜动脉,使用心痛输送系统,在60 mmHg的恒定压力下注入心电图溶液5分钟。输液压力可以通过改变水柱的高度来改变。
4. 在心电图输注结束时,使用弯曲的钳子从肺动脉解剖上升近端主动脉(补充图4A)。切断左下方动脉的主动脉远端。确保 Langendorff 仪器的主动脉长度至少为 0.5 厘米。
5. 将心脏从主动脉中保持,通过将心脏与肺静脉和其他胸腔结构分离完成心脏切除术(补充图4B)。迅速,将心脏浸入冰冷的Krebs溶液中,以便快速运输到外体系统。尽可能缩短解剖和运输时间(5 分钟)。

4. Ex Vivo 心脏灌注系统 (EVHP) 和心脏功能评估

1. 使用钳子打开主动脉流明。通过向流明中注入滴落的Krebs溶液来消除主动脉,以避免将气泡强行注入冠状血管。将导管降至主动脉,注意不要通过主动脉根或损坏主动脉瓣单张。用小夹具固定设置。
2. 使用 2 路停止孔,增加流量以搜索主塔中可能的泄漏。如果未检测到任何检测,使用 2-0 丝质缝合线将主塔紧紧固定在管上。完全打开流向管状的流量。在 60-70 mmHg 的生理压力下保持主动脉压力(通过更改系统高度进行调整)。此时,初始灌注和稳定时间开始。主动脉压力可根据研究者的实验计划进行修改。
3. 旋转心脏,使心脏(atria)的底座面向压力传感器。通过解剖肺静脉来扩大左心室心房开庭。插入连接到压力传感器的乳胶气球。通过目视检查,确保气球完全位于心室内。缓慢地向气球加注盐水,直到端舒张压力 (EDP) 设置为 15 mmHg。根据需要进行调整以保持 EDP 恒定(预先确定的生理 EDP)。EDP 可以根据每个调查员的实验目标进行调整。
4. 将起搏电极插入心脏的前表面(右心室流出道)。避免刺穿冠状血管。一旦观察到自发跳动,以每分钟300次的速度开始起搏。实验和大鼠菌株之间可能会有所不同。
5. 稳定 10 分钟后,启动连续的室内压力测量记录。这一时刻被认为是修复和评估阶段(时间 0)的开始,将持续 1 小时(图 2)。修复可能会延长,但预计所有心脏的收缩性依赖性下降。
6. 在修复开始时,收集从心静脉滴出的心脏流出物5分钟,用于基线冠状动脉流动评估和生化分析。对于肌钙蛋白 T 每 15 分钟重复一次(时间 0、15、30、45 和 60 分钟)。对于其他分析,需要个性化收集时间(图2)

5. 经验结束

1. 从兰根多夫装置中取出心脏。
2. 使用直高碳钢刀片(微管刀片或类似),去除心脏底部(包括主动脉和肺动脉)。
3. 右心室朝下,切割厚度为 1-2 mm 的横向心室滑道。在一个代表部分(通常为第三节)切除右心室并卡扣冻结左心室。该样品可用于生化分析。
4. 在商业磷酸盐缓冲液盐pH 7.4中将其余部分浸入新鲜制备的5%2,3,5-四氯二氯氯化物中,在37°C下10分钟。活组织是彩色红砖。
5. 用磷酸盐缓冲液pH7.4洗涤两次,在4°C处用10%的卡金固定过夜。用磷酸盐缓冲盐水pH7.4洗涤两次,保持每片浸入。
6. 提取多余的液体和重量每张幻灯片。拍摄两侧的数字彩色图像。使用平面分析计算梗塞大小百分比,并校正切片和总心室重量。着色会随时间而褪色。必须尽快拍摄照片。

6. 数据分析

1. 将每个动物的所有压力数据保存在新文件中。
2. 对于压力分析,每个时间点至少选择 200 个压力循环。分析可以使用专用软件(即 LabChart)在线执行(实验完成后)。常见的心血管参数包括:最大生成压力、端舒张压力、+dP/dt(压力曲线上冲程期间最陡的斜率、心室收缩能力指标)、-dP/dt(在压力曲线上升期间最陡的斜率)压力曲线的向下冲程,心室松弛能力指标等。
   注:对于肌钙蛋白分析,预计在再灌注时肌钙蛋白释放会增加。在EVHP系统中再灌注1小时后,肌钙蛋白水平可能降至基线,强调在收集和处理这些样品时需要仔细计时。

结果

排泄后,血压迅速下降,以可预测的模式(图3)。预计死亡时间小于5分钟。

图 4显示了 WIT 0、10 和 15 分钟之后修复开始时的平均压力/时间曲线。收缩功能将随着时间的推移而改善。短时间的 WIT 将使收缩性恢复正常,并且形态损伤将不可检测(图 5和图 6)。

与心胸结合一?...

讨论

这里提出的协议介绍了一个简单,方便和多功能的心脏DCD模型,提供了机会,以评估心脏功能恢复,组织损伤和使用后心形保护剂,以改善捐赠者的恢复心脏否则被丢弃移植。Ex vivo 心脏灌注系统 (EVHP) 系统经过优化,为评估心脏功能提供了一个平台,并提供独特的机会来提供和测试经过改进的解决方案,并辅以后调理药理剂保存和修复DCD心脏在^小15和大动物16,17模型的心脏DCD。^...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.9% Sodium Chloride. 1 L bag	Baxter		Electrolyte solution for flushing in the modified Langendorff system.
14 G 2" I.V catheter	Jelco	4098	To act as endotracheal tube.
2,3,5-Triphenyltetrazolium chloride	Milipore-Sigma	T8877	Vital coloration
22 G 1" I.V catheter	BD	383532	I.V catheter with extension tube that facilitates manipulation for carotid catheterization
Adson Dressing Fcp, 4 3/4", Serr	Skalar	50-3147	Additional forceps for tissue manipulation
Alm Self-retaining retractor 4x4 Teeth Blunt 2-3/4"	Skalar	22-9027	Tissue retractor used to maintain the chest open.
Bridge amp	ADinstruments	FE221	Bridge amp for intracarotid blood pressure measurement
Calcium chloride	Milipore-Sigma	C1016	CaCl2 anhydrous, granular, ≤7.0 mm, ≥93.0% Part of the Krebs solution
D-(+)-Glucose	Milipore-Sigma	G8270	D-Glucose ≥99.5% Part of the Krebs solution
DIN(8) to Disposable BP Transducer	ADinstruments	MLAC06	Adapter cable for link between bridge amp and pressure transducer
Disposable BP Transducer (stopcock)	ADinstruments	MLT0670	Pressure transducer for intracarotid blood pressure measurement
dPBS	Gibco	14190-144	Electrolyte solution without calcium or magnesium.
Eye Dressing Fcp, Str, Serr, 4"	Skalar	66-2740	Additional forceps for tissue manipulation
Formalin solution, neutral buffered, 10%	Milipore-Sigma	HT501128	Fixative solution
Heating Pad	Sunbean	756-CN
Heparin sodium 1,000 UI/mL	Sandoz		For systemic anticoagulation
Hydrochloric Acid 36,5 to 38,0%	Fisher scientific	A144-500	Diluted 1:1 for pH correction
Ketamine	Bimeda		Anesthetic. 100 mg/mL
LabChart	ADinstruments		Control software for the Powerlab polygraph, allowing off-line analyses. Version 7, with blood pressure and PV loop modules enabled
Left ventricle pressure balloon	Radnoti	170404	In latex. Size 4.
Lidocaine HCl 2% solution	AstraZeneca		Antiarrhythmic for the cardioplegic solution
Magnesium Chloride ACS	ACP Chemicals	M-0460	MgCl2+6H2O ≥99.0% Part of the Krebs solution
Micro pressure sensor	Radnoti	159905	Micro pressure sensor and amplifier connected to the intraventricular balloon
Pacemaker	Biotronik	Reliaty	Set to generate a pulse each 200 ms for a heart rate of 300 bpm.
pH bench top meter	Fisher scientific	AE150
Physiological monitor	Kent Scientific	Physiosuite	For continuous monitoring of rodent temperature and saturation during the procedure
Plasma-Lyte A	Baxter		Electrolyte solution used as base to prepare cardioplegia
Potassium Chloride	Milipore-Sigma	P4504	KCl ≥99.0% Part of the Krebs solution
Potassium Chloride 2 meq/ml	Hospira		Part of the cardioplegic solution
PowerLab 8/30 Polygraph	ADinstruments		Electronic polygraph
Silk 2-0	Ethicon	A305H	Suture material for Langendorff apparatus
Silk 5-0	Ethicon	A302H	Suture material for carotid
Small animal anesthesia workstation	Hallowell EMC	000A2770	Small animal ventilator
Sodium bicarbonate	Milipore-Sigma	S5761	NaHCO3 ≥99.5% Part of the Krebs solution
Sodium Chloride	Milipore-Sigma	S7653	NaCl ≥99.5% Part of the Krebs solution
Sodium Hydroxide pellets	ACP chemicals	S3700	Diluted to 5 N (10 g in 50 mL) for pH correction
Sodium phosphate monobasic	Milipore-Sigma	S0751	NaH2PO4 ≥99.0% Part of the Krebs solution
Stevens Tenotomy Sciss, Str, Delicate, SH/SH, 4 1/2"	Skalar	22-1240	Small scisors for atria and cava vein opening
Tissue slicer blades	Thomas scientific	6727C18	Straight carbon steel blades for tissue slicing at the end of the protocol
Tuberculin safety syringe with needle 25 G 5/8"	CardinalHealth	8881511235	For heparin injection
Veterinary General Surgery Set	Skalar	98-1275	Surgery instruments including disection scisors and mosquito clamps
Veterinary Micro Set	Skalar	98-1311	Surgery instruments with microscisors used for carotid artery opening
Working Heart Rat/Guinea Pig/Rabbit system	Radnoti	120101BEZ	Modular working heart system modified for the needs of the protocol. Includes all the necesary tubbing, water jacketed reservoirs and valves, including 2 and 3 way stop cock
Xylazine	Bayer		Sedative. 20 mg/mL