Method Article
Porcine models of organ transplantation provide an important platform to study mechanisms of organ preservation. This article describes a heterotopic porcine renal autotransplantation model, which allows investigating new approaches to improve the outcome of transplantation using marginal kidney grafts.
Kidney transplantation is the treatment of choice for patients suffering from end-stage renal disease. It offers better life expectancy and higher quality of life when compared to dialysis. Although the last few decades have seen major improvements in patient outcomes following kidney transplantation, the increasing shortage of available organs represents a severe problem worldwide. To expand the donor pool, marginal kidney grafts recovered from extended criteria donors (ECD) or donated after circulatory death (DCD) are now accepted for transplantation. To further improve the postoperative outcome of these marginal grafts, research must focus on new therapeutic approaches such as alternative preservation techniques, immunomodulation, gene transfer, and stem cell administration.
Experimental studies in animal models are the final step before newly developed techniques can be translated into clinical practice. Porcine kidney transplantation is an excellent model of human transplantation and allows investigation of novel approaches. The major advantage of the porcine model is its anatomical and physiological similarity to the human body, which facilitates the rapid translation of new findings to clinical trials. This article offers a surgical step-by-step protocol for an autotransplantation model and highlights key factors to ensure experimental success. Adequate pre- and postoperative housing, attentive anesthesia, and consistent surgical techniques result in favorable postoperative outcomes. Resection of the contralateral native kidney provides the opportunity to assess post-transplant graft function. The placement of venous and urinary catheters and the use of metabolic cages allow further detailed evaluation. For long-term follow-up studies and investigation of alternative graft preservation techniques, autotransplantation models are superior to allotransplantation models, as they avoid the confounding bias posed by rejection and immunosuppressive medication.
Kidney transplantation is the treatment of choice for patients with end-stage renal disease, due to associated lower rates of morbidity and mortality when compared to dialysis 1-3. Despite major improvements in patient outcomes following kidney transplantation, graft shortage still poses a severe challenge worldwide. The number of patients waiting for a kidney transplant by far exceeds the number of organs available 4-6. To increase the number of kidneys available for transplantation and to reduce patient waiting times, further sources of kidney grafts are needed.
Commonly, standard criteria donor (SCD) and extended criteria donor (ECD) kidney grafts from donation after brain death (DBD) as well as kidneys recovered from live donors (LDKT) are utilized. Since the 1990s, an increasing number of kidney grafts have been recovered in a donation after circulatory death (DCD) scenario, to further expand the donor pool 7,8. However, DCD and ECD kidney grafts demonstrate acceptable but decreased outcomes after transplantation, depending on different factors, such as donor age, warm and cold ischemia times, and the preservation technique used 9-11. Thus, additional research is required to improve the outcome of patients receiving marginal kidney grafts and to further increase the donor pool.
The porcine model of renal transplantation is well established and provides a clinical important scenario to investigate innovative approaches for the improvement of marginal kidney graft outcomes. In contrast to rodent and canine kidneys, which are unilobular, porcine and human kidneys are multilobular and are anatomically similar, particularly in regard to the arterial, venous, and urinary collecting systems 12,13. In addition, porcine and human kidneys demonstrate similarities in the pathophysiology of ischemia reperfusion injury (IRI), biochemistry, and immunological parameters 14. Thus, porcine renal transplantation is well-suited to investigate new organ preservation methods for marginal kidney grafts 15-17, model human IRI 18, study immunological pathways and allograft tolerance 19, provide surgical training 20-22, test new pharmacological therapies 23, implement new medical devices, and study new immunological mechanisms in xenotransplantation 24-26.
The renal porcine and human transplantation settings are not completely analogous. This article focuses on important technical details that will facilitate successful establishment of a renal autotransplantation model. Species-adapted pre- and postoperative housing, administration of anesthesia with close monitoring, and matched surgical techniques are described in the protocol and demonstrated in the video. Resection of the contralateral native kidney provides the opportunity to assess the function of the transplanted kidney. The placement of venous and urinary catheters and the use of metabolic cages allow more in-depth assessment. For studies aimed at investigating alternative graft preservation methods and mechanisms of IRI, autotransplantation models are superior to allotransplantation models, as they avoid the complications and confounding bias associated with rejection and use of immunosuppressive medications.
Todos los animales recibieron cuidado humano y todos los estudios que llevamos a cabo de conformidad con las políticas y directrices del Consejo Canadiense de Protección de los Animales. Todos los procedimientos se llevaron a cabo en condiciones de uso animal Protocolos que fueron aprobados por el Cuidado de la Salud de la Universidad Red Institucional Animal.
Nota: Una vista general esquemática del protocolo de estudio se presenta en la Figura 1.
Figura 1. Protocolo del estudio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
1. Los animales
2. Recuperación del injerto renal
3. Injerto Trasplante de Riñón
4. Seguimiento posquirúrgico
A continuación, los resultados de los experimentos autotrasplante renal (n = 4) se ponen de manifiesto. Después de la recuperación inicial del injerto, los cerdos recuperados en su área de vivienda. Mientras tanto, los injertos renales se almacenaron en hielo durante un tiempo medio de 7 h 35 min (± 18 min). Después de reinducción de la anestesia y laparotomía repetida, los riñones contralaterales fueron resecados y los injertos trasplantados almacenados en frío heterotópica como se ha descrito. Después de la retirada del respirador, los cerdos se recuperan de la cirugía y seguidos durante 10 días (véase la Figura 1). Todos los días (1-4 días post-operatorio; vaina) o cada dos días se recogieron (6-10) de la vaina muestras de sangre para realizar análisis de gases en sangre; para evaluar la función renal, la creatinina sérica y el nitrógeno de urea en sangre se calcularon los valores (BUN). Para la comparación, se presentan los resultados de un injerto renal allotransplanted. Para la inmunosupresión, este cerdo recibió ciclosporina 100 mg por vía oral y cortisone 250 mg ivbid La técnica quirúrgica utilizada fue la misma que en el protocolo de autotrasplante; no se aplicó tiempo de isquemia caliente.
Todos los cerdos estaban en buenas condiciones clínicas durante el período de seguimiento. Los creatinina y BUN valores séricos revelaron el mayor aumento en el primer día después de la cirugía (CREA 2,8 ± 0,7 mg / dl, urea 25,3 ± 7 mg / dl) y disminuyeron hasta aerodinámico 10 (CREA 1,7 ± 0,4 mg / dl, urea 10,7 ± 4 mg / dl) cerca de los valores iniciales de referencia. El injerto renal allotransplanted demostró valores de creatinina y BUN más altos después de una buena función inicial del injerto, en comparación con los autoinjertos, muy probablemente debido al rechazo (Figura 2 y 3). Hemostasis ácido-base (Figura 4) y los niveles de electrolitos (Figura 5) fueron estables sin intervención. El examen histológico mostró tubulointerstitium conservado en el riñón autotransplantado (Figure 6), y difundir la inflamación intersticial, tubulitis y glomerulitis en el riñón allotransplanted (Figura 7).
Los valores Figura 2. Valores de creatinina sérica. Séricos de creatinina (media y desviación estándar) para la línea de base y 10 después de la cirugía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Los valores séricos de moño. Los valores séricos de BUN (media y desviación estándar) para la línea de base y 10 días después de la cirugía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. hemostasia ácido-base. Hemostasis ácido-base (media y desviación estándar) para la línea de base y 10 días después de la cirugía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. niveles de electrolitos. Los niveles de electrolitos (media y desviación estándar) para la línea de base y 10 días después de la cirugía. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Histología (H &# 38;.. E), 100X tubulointerstitium normal en el riñón autotransplantado 10 días después de la cirugía Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7. Histología (H & E), 100X. Amplia inflamación intersticial, tubulitis y Glomerulitis, en consonancia con el rechazo, en el riñón allotransplanted 10 días después de la cirugía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El modelo de trasplante de riñón porcino ofrece una oportunidad única para avanzar en el campo del trasplante humano debido a las similitudes en los aspectos quirúrgicos, la fisiología, la bioquímica, la inmunología y 14.
Dependiendo del propósito del estudio experimental, el modelo de autotrasplante renal tiene varias ventajas en comparación con el modelo de alotrasplante. Aunque varios grupos dan cuenta de la buena función del injerto renal tras alotrasplante 28, inmunosupresión en los cerdos es un reto, especialmente en el trasplante renal. Muestra de sangre preoperatoria analiza para garantizar la compatibilidad para el antígeno leucocitario porcino (SLA) son factibles, pero es caro y poco práctico 14. Después de la operación, los agentes inmunosupresores propuestas tales como tacrolimus y ciclosporina (inhibidores de la calcineurina, CNI) se administran por vía oral o intravenosa 28. La administración oral es poco práctico, como cerdos generalmente se niegan a ingerir medicamentos por vía oralción. Por otra parte, las obstrucciones intestinales podrían obviar la absorción suficiente de medicamentos inmunosupresores y mantenimiento de los niveles de fármacos terapéuticos. La infusión continua de iv del CNI en animales activos es técnicamente exigente. la administración en bolo iv conduce a altos valores de pico, que causan toxicidad. Por lo tanto, para la investigación de nuevas técnicas de conservación, el modelo de autotrasplante renal tiene varias ventajas. En los resultados representativos del injerto renal allotransplantated ha demostrado más arriba, un pico de retraso y un aumento de la creatinina y BUN indicar rechazo, lo que fue demostrado por la evaluación histológica.
El modelo porcino de autotrasplante anteriormente se ha utilizado para investigar nuevas técnicas de preservación 14,18,29. Sin embargo, los comunicados de creatinina y BUN valores séricos postoperatoria de cerdos autotransplantadas en un escenario a corazón parado varían considerablemente dependiendo del sistema experimental 22,30 . El protocolo de donantes a corazón parado aquí presentamos se traduce en un bajo pico de creatinina sérica postoperatoria de 2,8 mg / dl (± 0,7) y BUN pico de 25,3 mg / dl (± 7,4). Estos resultados son comparables con los valores de pico bajos presentados por Hanto y colegas 28 y Snoeijs y colegas 31.
Para asegurar un resultado exitoso después del trasplante renal en un modelo porcino autotrasplante, hemos identificado varios factores técnicos clave que reduzcan al mínimo la tasa de ciertas complicaciones. El uso de la solución de histidina-triptófano-cetoglutarato (HTK) reduce el riesgo de vasoespasmo debido a su menor contenido de potasio en comparación con la Universidad de Wisconsin solución (UW). Para reducir aún más el riesgo de vasoespasmo en el punto de la reperfusión, verapamil se puede inyectar en la arteria renal, y papaverina se puede administrar por vía tópica durante la recuperación y después de la reperfusión. Además, un goteo continuo de la norepinefrina titula para mantenerla presión arterial sistólica por encima de 100 mmHg garantiza una reperfusión homogénea. Es útil para mantener esta presión arterial al menos hasta que el cerdo se coloca boca abajo. Además, la colocación del injerto trasplantado es importante para evitar el retorcimiento de los vasos sanguíneos recién anastomosados. Por lo tanto, es útil para resecar el riñón contralateral izquierdo antes de coser la anastomosis del injerto para evitar una extensa manipulación mecánica. Después de terminar la anastomosis ureteral, envolviendo el intestino delgado alrededor del injerto trasplantado asegura su posición después del cierre de la pared abdominal. Las complicaciones como obstrucciones intestinales debido a la formación de cocas en el intestino, pero rara vez se observan pueden dar lugar a complicaciones graves, incluyendo íleo, perforación intestinal, y la muerte. En general, la técnica quirúrgica precisa, la anestesia atento y una vigilancia estrecha durante el seguimiento a asegurar una buena función del injerto y el resultado clínico.
Arterial y venoso anastomosis pueden performó el uso de diferentes técnicas. ortotópico la colocación del injerto permite anastomosis de extremo a extremo de la arteria y la vena renal. En el caso del trasplante heterotópico, el injerto puede ser posicionado en la fosa renal contralateral para la anastomosis de extremo a extremo, en los vasos ilíacos, o de la aorta distal directamente. Trasplante heterotópico con anastomosis de aorta y cava directamente en la técnica de extremo a lado se prefieren en este modelo ya que puede reducir el riesgo de trombosis y vasoespasmo 32. Las variaciones anatómicas con bifurcaciones venosas muy tempranas pueden conducir a la necesidad de coser dos anastomosis venosas separadas. Si la arteria o vena son relativamente cortas, el injerto se puede girar 180 ° para obtener la longitud de los vasos. Ureteral anastomosis de lado a lado puede lograr buenos resultados experimentales sin complicar estenosis o fuga urinaria.
En general, el modelo porcino de trasplante renal ofrece ventajas en comparación con otros modelos animales. como described anteriormente, existen ciertas similitudes entre el porcino y el entorno humano, lo que permite la traducción relativamente rápido de nuevas técnicas en la práctica clínica. La técnica de trasplante es técnicamente más fácil en comparación con modelos de roedores. Además, mediante la colocación de catéteres venosos, muestras de sangre periférica pueden recogerse fácilmente y se procesaron para análisis adicionales. La recogida de la orina permite una nueva evaluación de la lesión renal y la función. Para recoger las muestras de orina, un catéter percutáneo puede ser insertado en la vejiga urinaria. Para evitar la manipulación por el cerdo, el extremo distal debe ser tunelizado por vía subcutánea en la parte posterior del animal. Otra opción para la recolección de orina es el uso de jaulas metabólicas, que permiten a los períodos de recogida prolongados para estimar la depuración de creatinina y la concentración de los biomarcadores adicionales en la orina. De ecografía, tomografía computarizada, resonancia magnética y las imágenes son posibles. Donación después de la muerte protocolos circulatorio puede ser imitado mediante la aplicación de tibiaisquemia antes de la recuperación. Además, los cerdos son relativamente fáciles de manejar si castrado para limitar su comportamiento agresivo.
Las desventajas son el alto costo de la compra de los animales, la vivienda, materiales médicos y quirúrgicos y otra, y mano de obra. Estos factores hacen que no es posible incluir un gran número de animales en cada grupo de estudio. Además, en comparación con modelos de roedores, un número limitado de referencias están disponibles en la literatura para el cerdo datos biológicos normativos. Como una alternativa para la evaluación de nuevas técnicas desarrolladas, tales como nuevos métodos de conservación, otros grupos han descrito la normotérmica reperfusión ex vivo como una alternativa al trasplante renal 33,34. Esta técnica es fácil de realizar y menos costoso. Sin embargo, estandarizado trasplante de injerto renal proporciona un modelo más similar a la práctica clínica y permite un seguimiento más largo períodos de seguimiento. Por lo tanto, sirve para evaluar un injerto más realistaambiente.
En conclusión, el modelo porcino de autotrasplante renal heterotópico proporciona un escenario clínico importante investigar nuevos enfoques innovadores para la mejora de los resultados del injerto renal. En particular, este protocolo cuenta con importantes detalles técnicos que faciliten el establecimiento exitoso de un modelo de autotrasplante renal y permite la rápida traducción de los nuevos resultados a los ensayos clínicos.
The authors have nothing to disclose.
We thank the Sorin Group (Milano, Italy), XVIVO Perfusion Inc. (Goteborg, Sweden), and Braun AG (Melsungen, Germany) for their support. We highly appreciate the support of the John David and Signy Eaton Foundation.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Anesthesia Equipment | |||
Anesthesia Machine, Optimax | Moduflex Anesthesia Equipment | SN5180 | |
Infusion Pump 3,000 | SIMS Graseby LTD. | SN300050447 | |
Infusion Pump Line | Smith Medical ASD Inc. | 21-0442-25 | |
Intravenous permanent catheter (9.5 Fr) | Cook Medical Company | G01865 | |
Isoflurane Vapor 19.1 | Draeger Medical Canada Inc. | N/A | |
Mallinckrodt, Tracheal Tube, 6.5 mm | Covidien Canada | 86449 | |
Temperature Therapy Pad | Gaymar Industries Inc | TP26E | |
Ventilator, AV 800 | DRE Medical Equipment | 40800AVV | |
Warm Touch, Patient Warming System | Nellcor/ Covidien Canada | 5015300A | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Surgical Equipment | |||
Abdominal Retractor | Medite GmbH | 07-0001-00 | |
Aorta/vein punch 4.0 mm, round | Scanlan International Inc. | 1001-602 | |
De Bakey, Atraumatic Peripheral, Clamp | Aesculap Inc. | FB463R | |
De Bakey-Beck, Atraumatic Vena Cava, Clamp | Aesculap Inc. | FB519R | |
De Bakey, Atraumatic Mini-Bulldog, Straight | Aesculap Inc. | FB422R | |
De Bakey, Atraumatic Mini-Bulldog, Curved | Aesculap Inc. | FB423R | |
De Bakey, Atraumatic Coarctation Clamp, Angled | Aesculap Inc. | FB453R | |
Dissection Blade #11 | Feather Safety Razor Co. | 089165B | |
Connector (1/4") with male luer lock | Sorin Group Inc. | AB1452 | |
Liver Admin Set (flush line) | CardioMed Supplies Inc | 17175 | |
Maxon, 1 | Covidien Canada | 606173 | |
Med-Rx Suction Connecting Tube | Benlan Inc. | 70-8120 | |
Organ Bag | CardioMed Supplies Inc | 2990 | |
Potts – De Martel, Scissors | Aesculap Inc. | BC648R | |
Renal artery cannula, 1.6" | Sorin Group Inc. | VC-11000 | |
Sofsilk, 2-0 | Covidien Canada | S405 | |
Sofsilk, 3-0 | Covidien Canada | S404 | |
Satinsky, Suprahepatic Cava Clamp | Aesculap Inc. | FB605R | |
Suction Tip | Tyco Healthcare Group LP | 8888501023 | |
Surgipro II, 6-0 | Covidien Canada | VP733X | |
Valleylab, Cautery Pencil | Covidien Canada | E2515H | |
Valleylab, Force Tx | Valleylab Inc. | 216151480 | |
Valleylab, Patient Return Electrode | Covidien Canada | E7507 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Medication | |||
Atropine Sulfate 15 mg/30 ml | Rafter 8 Products | 238481 | |
Buprenorphine 0.3 mg/ml | RB Pharmaceuticals LDT | N/A | |
Ceftiofur 3 mg/ml | Pfizer Canada Inc. | 11103 | |
Cefazolin 1 g | Pharmaceutical Partners of Canada Inc. | 2237138 | |
Fentanyl Citrate 0.25 mg/5 ml | Sandoz Canada Inc. | 2240434 | |
Heparin 10,000 iU/10 ml | Sandoz Canada Inc. | 10750 | |
Histidine-tryptophan-ketoglutarate (HTK) solution | Methapharm | CU001LBG | |
Isoflurane 99.9%, 250 ml | Pharmaceutical Partners of Canada Inc. | 2231929 | |
Ketamine Hydrochloride 5,000 mg/50 ml | Bimeda-MTC Animal Health Inc. | 612316 | |
Lactated Ringer’s + 5% Dextrose 1 L | Baxter Corporation | JB1064 | |
Lactated Ringer’s 1 L | Baxter Corporation | JB2324 | |
Metronidazole 500 mg/100 ml | Baxter Corporation | 870420 | |
Midazolam 50 mg/10 ml | Pharmaceutical Partners of Canada Inc. | 2242905 | |
Norepinephrine 16 mg/250 ml Dextrose 5% | Baxter Corporation | N/A | |
Pantoprazole 40 mg | Sandoz Canada Inc. | 2306727 | |
Papaverine 65 mg/2 ml | Sandoz Canada Inc. | 9881 | |
Propofol 1,000 mg/100 ml | Pharmascience Inc. | 2244379 | |
Saline 0.9%, 1 L | Baxter Corporation | 60208 | |
Solu-Medrol 500 mg | Pfizer Canada Inc. | 2367963 | |
Verapamil | Sandoz Canada Inc. | 2166739 | |
Xylocaine Endotracheal 10 mg/50 ml | AstraZeneca | 2003767 |
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