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.
Tous les animaux ont reçu des soins humains et de toutes les études que nous avons menées en conformité avec les politiques et les lignes directrices du Conseil canadien de protection des animaux. Toutes les procédures ont été réalisées dans l'utilisation des animaux protocoles qui ont été approuvés par le Réseau de santé Comité de protection des animaux dans les institutions de l'Université.
Remarque: Un aperçu schématique du protocole de l'étude est présentée dans la figure 1.
Figure 1. protocole de l'étude. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
1. Les animaux
2. rein greffé Retrieval
3. rein greffé Transplantation
4. Suivi postopératoire
Dans ce qui suit, les résultats des expériences de autotransplantation rénale (n = 4) sont mises en évidence. Après la récupération de greffage initial, les porcs récupérés dans leur zone de logement. Pendant ce temps, les greffes de rein ont été stockés sur de la glace pendant une durée moyenne de 7 h 35 min (± 18 min). Après réinduction de l'anesthésie et la laparotomie répétition, les reins controlatéraux ont été réséquées et les greffes froid stocké transplantées comme décrit hétérotopique. Après le sevrage de la ventilation, les porcs ont été récupérés de la chirurgie et suivis pendant 10 jours (voir la figure 1). Daily (1-4 journée post-opératoire; pod) ou tous les deux jours (6-10 pod) des échantillons de sang ont été prélevés pour effectuer des analyses des gaz du sang; d'évaluer la fonction rénale, de la créatinine sérique et de l'urée sanguine (BUN) les valeurs ont été estimées. A titre de comparaison, les résultats d'une greffe de rein une allogreffe sont présentés. Pour immunosuppression, ce cochon a reçu cyclosporine 100 mg par voie orale et cortisone 250 mg ivbid La technique chirurgicale utilisée était la même que dans le protocole d'autogreffe; pas le temps d'ischémie chaude a été appliquée.
Tous les porcs étaient en bon état clinique au cours de la période de suivi. Les créatinine et BUN valeurs sériques ont révélé la plus forte hausse au premier jour après la chirurgie (Crea 2,8 ± 0,7 mg / dl, BUN 25,3 ± 7 mg / dl) et une diminution jusqu'à ce pod 10 (Crea 1,7 ± 0,4 mg / dl, BUN 10,7 ± 4 mg / dl) proches des valeurs de référence initiales. La greffe de rein une allogreffe démontré des valeurs de créatinine et BUN plus élevés après une bonne fonction initiale du greffon, par rapport aux autogreffes, probablement due à un rejet (Figure 2 et 3). Hémostase acide-base (figure 4) et les niveaux d'électrolyte (figure 5) sont stables sans intervention. L'examen histologique a montré tubulo-interstitiel préservé dans le rein autotransplanted (Figure 6), et une inflammation interstitielle diffuse, tubulite et glomérulite une allogreffe du rein (figure 7).
Figure 2. Les valeurs sériques de créatinine. Valeurs sériques de créatinine (moyenne et écart type) pour la ligne de base et 10 après la chirurgie. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Valeurs Sérum chignon. Valeurs Sérum BUN (moyenne et écart-type) pour la ligne de base et 10 jours après la chirurgie. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. hémostase acido-basique. Hémostase acide-base (moyenne et écart type) pour la ligne de base et 10 jours après la chirurgie. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. niveaux d'électrolytes. Les taux d'électrolytes (moyenne et écart-type) pour la ligne de base et 10 jours après la chirurgie. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. histologie (H &# 38;.. E), 100X tubulo-interstitiel normal dans le rein autotransplanted 10 jours après la chirurgie S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 7. histologie (H & E), 100X. Vaste interstitielle inflammation, tubulite et glomérulite, compatible avec le rejet, dans le rein une allogreffe 10 jours après la chirurgie. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Le modèle de porc transplantation rénale offre une occasion unique pour faire avancer le domaine de la transplantation humaine en raison de similitudes dans les aspects chirurgicaux, la physiologie, la biochimie et l'immunologie 14.
Selon le but de l'étude expérimentale, le modèle d'auto-transplantation rénale a plusieurs avantages par rapport au modèle d'allotransplantation. Bien que plusieurs groupes indiquent une bonne fonction du greffon rénal après allotransplantation 28, immunosuppression chez les porcs est difficile, en particulier dans la transplantation rénale. Analyses d'échantillons de sang préopératoire pour assurer la compatibilité de l'antigène leucocytaire porcine (SLA) sont réalisables, mais cher et peu pratique 14. Après l'opération, les agents immunosuppresseurs proposés tels que le tacrolimus et la ciclosporine (inhibiteurs de la calcineurine, CNI) sont administrés par voie orale ou intraveineuse 28. L'administration orale est impossible, que les porcs refusent généralement à avaler medica oraletion. En outre, les obstructions intestinales pourraient éviter une absorption suffisante de médicaments immunosuppresseurs et le maintien des niveaux de médicaments thérapeutiques. La perfusion continue de l'iv de CNI chez les animaux actifs est techniquement exigeant. Iv administration en bolus conduit à des valeurs de crête élevés, qui provoquent une toxicité. Ainsi, pour la recherche de nouvelles techniques de conservation, le modèle de autotransplantation rénale présente plusieurs avantages. Dans les résultats représentatifs de la greffe rénale allotransplantated démontré ci-dessus, un pic retardé et augmenté de créatinine et BUN indiquer rejet, qui a été mise en évidence par une évaluation histologique.
Le modèle porcin de autotransplantation a déjà été utilisé pour étudier de nouvelles techniques de conservation 14,18,29. Cependant, les créatinine et BUN valeurs rapportées sérum post-opératoire de porcs autotransplanted dans un scénario de cœur arrêté varient considérablement selon le système expérimental 22,30 . Le protocole de donneur à cœur arrêté que nous présentons ici se traduit par une faible postopératoire pic de la créatinine sérique de 2,8 mg / dl (± 0,7) et BUN pic de 25,3 mg / dl (± 7,4). Ces résultats sont comparables aux faibles valeurs de pointe présentés par Hanto et collègues Snoeijs 28 et 31 et ses collègues.
Pour assurer le succès après la transplantation rénale dans un modèle de autotransplantation porcine, nous avons identifié plusieurs facteurs clés techniques qui réduisent au minimum le taux de certaines complications. L'utilisation d'une solution d'histidine-tryptophane-cétoglutarate (HTK) réduit le risque de vasospasme en raison de sa faible teneur en potassium par rapport à Université du Wisconsin (UW) solution. Pour diminuer encore le risque de vasospasme au moment de la reperfusion, le vérapamil peut être injecté dans l'artère rénale et la papaverine peut être administré par voie topique pendant la récupération et après la reperfusion. En outre, une perfusion continue de norepinephrine titré à maintenirla pression artérielle systolique supérieure à 100 mmHg assure une reperfusion homogène. Il est utile de maintenir cette pression dans le sang au moins jusqu'à ce que le racleur est disposé à plat ventre. En outre, le positionnement du greffon transplanté est important d'éviter le vrillage des vaisseaux sanguins nouvellement anastomosés. Par conséquent, il est utile de réséquer le rein controlatéral gauche avant de coudre les anastomoses du greffon afin d'éviter une manipulation mécanique très étendue. Après avoir terminé l'anastomose urétérale, enveloppant intestin grêle autour de la greffe transplantée sécurise sa position après la fermeture de la paroi abdominale. Les complications telles que des obstructions intestinales dues à vrillage de l'intestin sont rarement observés, mais peut entraîner des complications graves, y compris iléus, perforation de l'intestin, et la mort. Dans l'ensemble, la technique chirurgicale précise, l'anesthésie attentive et une surveillance étroite pendant le suivi d'assurer une bonne fonction des résultats et de la greffe clinique.
Artériel et veineux anastomoses peuvent être Performée en utilisant différentes techniques. orthotopique placement du greffon permet anastomose de l'artère rénale et la veine de bout en bout. Dans le cas de la transplantation hétérotopique, le greffon peut être placée dans la fosse du rein controlatéral pour anastomoses bout-en-bout, sur les vaisseaux iliaques, ou l'aorte distale directement. La transplantation hétérotopique avec anastomoses à l'aorte et cave directement dans la technique extrémité à l'autre sont préférés dans ce modèle car elle peut réduire le risque de thrombose et 32 vasospasme. variations anatomiques avec bifurcations veineux très précoces pourraient conduire à la nécessité de coudre deux anastomoses veineuses distinctes. Si l'artère ou une veine sont relativement courts, le greffon peut être tourné de 180 ° pour obtenir la longueur des vaisseaux. anastomose urétérale côté à l'autre peut obtenir de bons résultats expérimentaux sans compliquer les sténoses ou fuites urinaires.
En général, le modèle porcin de la transplantation rénale offre des avantages par rapport à d'autres modèles animaux. comme described ci-dessus, certaines similitudes existent entre le porc et le milieu humain, ce qui permet la traduction relativement rapide de nouvelles techniques dans la pratique clinique. La technique de transplantation est techniquement plus facile par rapport aux modèles de rongeurs. En outre, par le placement d'un cathéter veineux, des échantillons de sang périphérique peuvent être collectées et traitées facilement pour complément d'enquête. La collecte de l'urine permet une évaluation plus poussée de la blessure et de la fonction rénale. De prélever des échantillons d'urine, un cathéter percutané peut être insérée dans la vessie urinaire. Pour éviter la manipulation par le porc, l'extrémité distale doit être tunnel sous-cutanée à l'arrière de l'animal. Une autre option pour la collecte d'urine est l'utilisation de cages métaboliques, qui permettent des périodes prolongées de collecte pour estimer la clairance de la créatinine et de la concentration de biomarqueurs supplémentaires dans l'urine. Échographie, tomodensitométrie et d'IRM images sont possibles. Don après protocoles de mort circulatoires peut être imité par l'application de chaleurischémie avant la récupération. En outre, les porcs sont relativement faciles à gérer si castrés pour limiter leur comportement agressif.
Les inconvénients sont les coûts élevés de l'achat des animaux, le logement, l'équipement chirurgical et médical, et la main-d'oeuvre. Ces facteurs font qu'il est impossible de comprendre un grand nombre d'animaux dans chaque groupe d'étude. En outre, par rapport aux modèles de rongeurs, un nombre limité de références sont disponibles dans la littérature pour porcs données biologiques normatives. Comme une alternative pour l'évaluation des nouvelles techniques développés, tels que de nouvelles méthodes de conservation, d'autres groupes ont décrit la normothermique ex vivo reperfusion comme une alternative à la transplantation rénale 33,34. Cette technique est plus facile à réaliser et moins coûteux. Cependant, normalisé transplantation de greffe de rein fournit un modèle plus proche de la pratique clinique et permet de suivre plus haut périodes. Par conséquent, il sert pour une greffe plus réaliste d'évaluerment.
En conclusion, le modèle porcin de autotransplantation rénale hétérotopique fournit un scénario clinique important d'étudier de nouvelles approches innovantes pour l'amélioration des résultats de greffe de rein. En particulier, ce protocole présente des détails techniques importants qui faciliteront mise en place réussie d'un modèle de autotransplantation rénale et permet la traduction rapide des nouvelles découvertes à des essais cliniques.
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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