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* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Qui, descriviamo l'applicazione di un vettore di ossigeno polimerizzato a base di emoglobina umana (PolyhHb) come perfusato e il protocollo in cui questa soluzione di perfusione può essere testata in un modello di perfusione polmonare ex vivo di ratto.
Il trapianto di polmone è ostacolato dalla mancanza di donatori idonei. In precedenza, i donatori ritenuti marginali o inadeguati venivano scartati. Tuttavia, nuove ed entusiasmanti tecnologie, come la perfusione polmonare ex vivo (EVLP), offrono ai fornitori di trapianti di polmone una valutazione estesa per gli allotrapianti di donatori marginali. Questa piattaforma di valutazione dinamica ha portato a un aumento dei trapianti di polmone e ha permesso ai fornitori di utilizzare donatori precedentemente scartati, ampliando così il pool di donatori. Le attuali tecniche di perfusione utilizzano perfusi cellulari o acellulari ed entrambi presentano vantaggi e svantaggi distinti. La composizione della perfusione è fondamentale per mantenere un ambiente omeostatico, fornire un adeguato supporto metabolico, ridurre l'infiammazione e la morte cellulare e, in ultima analisi, migliorare la funzione degli organi. Le soluzioni di perfusione devono contenere una concentrazione proteica sufficiente a mantenere un'adeguata pressione oncotica. Tuttavia, le attuali soluzioni di perfusione spesso portano a stravaso di liquidi attraverso l'endotelio polmonare, con conseguente edema polmonare involontario e danno. Pertanto, è necessario sviluppare nuove soluzioni di perfusione che prevengano danni eccessivi mantenendo una corretta omeostasi cellulare. Qui, descriviamo l'applicazione di un vettore di ossigeno a base di emoglobina umana polimerizzata (PolyhHb) come perfusato e il protocollo in cui questa soluzione di perfusione può essere testata in un modello di EVLP di ratto. L'obiettivo di questo studio è fornire alla comunità dei trapianti di polmone informazioni chiave nella progettazione e nello sviluppo di nuove soluzioni di perfusione, nonché i protocolli appropriati per testarle in modelli di trapianto traslazionale clinicamente rilevanti.
Come ogni campo del trapianto di organi solidi, il trapianto di polmone soffre di una carenza di organi da donatori. Al fine di aumentare il pool di donatori, è stata dedicata una ricerca significativa allo studio del potenziale degli allotrapianti che una volta si pensava non fossero adatti al trapianto, ovvero i donatori con criteri estesi (ECD). Questi allotrapianti possono essere considerati ECD per una serie di motivi, tra cui qualità discutibile, scarsa funzionalità, infezione, traumi, periodi ischemici caldi o freddi prolungati ed età avanzatadi 1,2 anni. In alcuni casi, in cui questi polmoni sono adatti per il trapianto immediato3, è spesso vantaggioso sia per i fornitori che per i riceventi valutare questi polmoni per un ulteriore periodo di tempo per determinare la loro idoneità al trapianto. La perfusione polmonare ex vivo (EVLP) è una tecnologia che consente una valutazione estesa dei potenziali allotrapianti polmonari in un circuito chiuso al di fuori del donatore 2,4,5,6,7, offrendo al fornitore del trapianto la possibilità di determinare l'idoneità al trapianto. L'EVLP ha dimostrato la capacità di valutare adeguatamente gli organi dei donatori 8,9,10,11, di ridurre gli effetti del danno da riperfusione ischemica (IRI)12,13 e di aumentare il pool di donatori14,15, rendendo così il trapianto di polmone un trattamento più accessibile per tutti.
In generale, un sistema EVLP è un sistema chiuso con un circuito ventilatorio (ottenuto collegando un ventilatore alla trachea per introdurre aria nel sistema) e un circuito vascolare (ottenuto collegando l'atrio sinistro (LA) all'arteria polmonare (PA) con un tubo)7. Il circuito vascolare ha il perfusato che scorre attraverso il tubo per fornire al polmone nutrienti vitali e ossigeno, limitando al contempo il tempo ischemico freddo (CIT)5,8,16,17. Questa soluzione è a base ematica (cioè tramite l'aggiunta di globuli rossi concentrati (PRBC))16,17 o acellulare (cioè senza PRBC)4,5. Tuttavia, ci sono diversi svantaggi notevoli nell'utilizzo dei PRBC. Se si utilizzano PRBC da donatori deceduti a causa di traumi o donatori cerebralmente morti (BDD), questi fluidi contengono spesso grandi quantità di citochine infiammatorie, che possono aumentare il danno cellulare durante l'EVLP e aumentare i livelli di emoglobina libera da cellule (Hb), eme, ferro e frammenti cellulari che infliggono ulteriori danni alle cellule18,19. Inoltre, poiché questi donatori sono spesso multiorgano, la raccolta di PRBC prima dell'approvvigionamento potrebbe portare a una diminuzione del volume di sangue nel donatore e successivamente ad un aumento dell'ischemia in tutti gli organi. Se si utilizzano PRBC da un'altra fonte, i fornitori potrebbero affrontare carenze di sangue poiché questo è un materiale scarso in sé e per sé20,21. Infine, i PRBC sono inclini alla lisi meccanica sul circuito EVLP indipendentemente dalla loro fonte, rilasciando Hb e altri componenti che contribuiscono al danno cellulare.
Pertanto, per molte ragioni, potrebbe essere vantaggioso utilizzare un sostituto artificiale dei globuli rossi, cioè i trasportatori di ossigeno a base di emoglobina (HBOC), come integratore di perfusato. Un HBOC particolarmente promettente è l'emoglobina umana polimerizzata (PolyhHb). Il polihHb è sintetizzato a partire da Hb purificato da PRBC scaduti che sono stati ritenuti non idonei alla trasfusione immediata22. Hanno dimostrato di essere validi sostituti del sangue nello shock emorragico23 e nel trapianto24 e possono essere prodotti in grandi quantità22. Tuttavia, l'adozione su larga scala di PolyhHb non ha avuto successo a causa di complicazioni impreviste come la vasocostrizione, l'aumento della pressione sanguigna e l'arresto cardiaco23,25. Le ragioni alla base di questi risultati erano probabilmente dovute alla presenza di Hb libero da cellule o polimeri di Hb a basso peso molecolare (< 500 kDa) nella soluzione di PolyhHb, poiché hanno una propensione a stravasare nello spazio tissutale, con conseguente diminuzione della disponibilità di ossido nitrico, conseguente vasocostrizione, ipertensione sistemica e, infine, danno ossidativo del tessuto26,27. Per migliorare questi problemi, il Palmer Laboratory ha lavorato allo sviluppo di una nuova generazione di PolyhHb che contiene specie minime a basso MW e Hb priva di cellule, che ha dimostrato caratteristiche biofisiche migliorate e risposte in vivo 22,28,29,30. Diversi studi trasfusionali sugli animali hanno dimostrato che se i polimeri di Hb a basso peso molecolare vengono eliminati dall'HBOC, la vasocostrizione, l'ipertensione sistemica e il danno ossidativo possono essere mitigati 28,29,31,32,33,34,35. Pertanto, questo PolyhHb di nuova generazione è un promettente candidato perfusato.
Qui, descriviamo l'applicazione di un PolyhHb di nuova generazione da utilizzare in un perfusato e il protocollo con cui questa soluzione di perfusione può essere testata in un modello di EVLP di ratto. L'obiettivo di questo studio è fornire alla comunità dei trapianti di polmone informazioni chiave nella progettazione e nello sviluppo di nuove soluzioni di perfusione, nonché fornire protocolli per testarle in modelli di trapianto traslazionale clinicamente rilevanti.
I ratti Sprague-Dawley (300 g di peso corporeo) sono stati ottenuti commercialmente e ospitati in condizioni prive di agenti patogeni presso l'Ohio State University Wexner Medical Center Animal Facility. Tutte le procedure sono state eseguite umanamente secondo il NIH e la Guida del Consiglio Nazionale delle Ricerche per la cura e l'uso umano degli animali da laboratorio e con l'approvazione del Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali dell'Ohio State University (Protocollo IACUC 2023A00000071).
1. Sintesi e purificazione del polihHb
NOTA: La produzione e la sintesi del materiale PolyhHb utilizzato per i seguenti esperimenti EVLP sono state inizialmente pubblicate da Cuddington et al. nel 202022. Si prega di fare riferimento a questo lavoro per schemi approfonditi e analisi della sintesi di PolyhHb. Quello che segue è un riassunto della sintesi e purificazione del PolyhHb su scala pilota e della sua successiva preparazione come perfusato.
2. Formulazione in perfusato
3. Configurazione del circuito di perfusione polmonare Ex Vivo
4. Approvvigionamento di blocco polmonare di ratto da donatore
La validazione del nostro perfusato a base di PolyhHb e, inoltre, la stabilità di questo perfusato per diverse ore, è dimostrata nella Figura 10. Durante la prima 1 ora, tutti i perfusi testati (PolyhHb, Control (Williams Media + 5% HSA), a base di globuli rossi) hanno mostrato una leggera diminuzione di LA pO2 (Post pO2). Tuttavia, il perfusato a base di globuli rossi ha mostrato una diminuzione significativa a 1 ora rispetto al Poly...
Lo sviluppo e la sperimentazione di soluzioni di perfusione è un'impresa innovativa che molti in tutto il mondo stanno intraprendendo. Tradizionalmente, i perfusi standard offrono la capacità di sospendere il tempo ischemico e mitigare le lesioni associate all'ischemia, nonché alla riperfusione18. Tuttavia, la prossima evoluzione dell'EVLP è quella di migliorare l'attuale tecnologia del perfusato e di incorporare terapie di riparazione e ricondizionamento 39,4...
Per il materiale presentato in questo lavoro, A.F.P., A.G. e C.C. sono inventori della domanda di brevetto statunitense PCT/US2022/041743. A.F.P., C.C., B.A.W. e S.M.B. sono inventori della domanda di brevetto statunitense PCT/US2023/017765.
Questa ricerca è stata generosamente sostenuta dalla Jewel and Frank Benson Family Endowment e dalla Jewel and Frank Benson Research Professorship. B.A.W. è parzialmente supportato dalla sovvenzione del National Institutes of Health (NIH) R01HL143000. L'AFP è supportato dalle sovvenzioni NIH R01HL126945, R01EB021926, R01HL131720 e R01HL138116 e dalla sovvenzione del Comando per la ricerca medica e il materiale dell'esercito degli Stati Uniti W81XWH1810059. S.M.B. è supportato dal NIH R01 DK123475.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 cc insulin syringe 29 G x 1/2" needle | B-D | 309301 | |
30 L Glass Batch Bioreactor | Ace Glass | ||
30g Needle | Med Needles | BD-305106 | |
Baytril (enrofloxacin) Antibacterial Tablets | Elanco | NA | |
Calcium Chloride dihydrate (CaCl2.2H2O) | Sigma Aldrich | 10035-04-8 | For modified Ringer's lactate |
CFBA carrier frequency bridge amplifier type 672 | Harvard Apparatus | 731747 | |
Connect kit D150 | Cole-Parmer | VK 73-3763 | |
Dumont #5 Forceps | Fine Science tools | 11252-50 | |
Dumont Medical #5/45 Forceps - Angled 45° | Fine Science tools | 11253-25 | |
Ecoline Star Edition 003, E100 Water Heater | Lauda | LCK 1879 | |
Expired human leukoreduced, packed RBC units | Wexner Medical Center Canadian Blood Services Zen-Bio Inc | ||
Fiberoxygenator D150 | Hugo Sachs Elektronik | PY2 73-3762 | |
Forceps | Fine Science tools | 11027-12 | |
Glutaraldehyde (C5H8O2 70 wt%) | Sigma Aldrich | 111-30-8 (G7776) | |
Halsted-Mosquito Hemostat | Roboz Surgical | RS-7112 | |
Heparin 30,000 units per 30 ml | APP Pharmaceuticals | ||
Human Serum Albumin (HSA) | OctaPharma Plasma | Perfusate additive | |
IL2 Tube set for perfusate | Harvard Apparatus | 733842 | |
IPL-2 Basic Lung Perfusion System | Harvard Apparatus | ||
Ketamine 500 mg per 5 ml | JHP Pharmaceuticals | ||
Left Atrium cannula | Harvard Apparatus | 730712 | |
Liqui-Cel EXF Series G420 Membrane Contactor | 3M | G420 | gas contactor |
low potassium dextran glucose solution (perfadex) | XVIVO | solution flushing the lung | |
Masterflex Platinum Coated Tubing(Size: 73,17,16,24) | Cole-Palmer | ||
N-Acetyl-L-cysteine (NALC, C5H9NO3S) | Sigma Aldrich | 616-91-1 (A7250) | For modified Ringer's lactate |
Nalgene Vessels (10L, 20L) | Nalgene | Filtration vessels | |
Peristaltic Pump | Ismatec | ISM 827B | |
PES, 0.65 µm TFF module | Repligen | N02-E65U-07-N | |
PhysioSuite | Kent Scientific Corporation | PS-MSTAT-RT | |
polyethersulfone (PES), 0.2 µm TFF module | Repligen | N02-S20U-05-N | |
Polysulfone (PS), 500 kDa TFF module | Repligen | N02-P500-05-N | |
Potassium Chloride (KCl) | Fisher Scientific | 7447-40-7 | For PBS |
PowerLab 8/35 | ADInstruments | 730045 | |
Pulmonary Artery cannula | Harvard Apparatus | 730710 | |
Pump Head tubing (Size: 73,17,16,24) | PharMed BPT | ||
Puralube Ophthalmic Ointment | Dechra | NA | |
Scissors | Fine Science tools | 14090-11 | |
SCP Servo controller for perfusion type 704 | Harvard Apparatus | 732806 | |
Small Animal Ventilator model 683 | Harvard Apparatus | 55-000 | |
Sodium Chloride (NaCl) | Fisher Scientific | 7647-14-5 (S271-10) | For PBS and saline |
Sodium cyanoborohydride (NaCNBH3) | Sigma Aldrich | 25895-60-7 | |
Sodium Dithionite (Na2S2O4) | Sigma Aldrich | 7775-14-6 | |
Sodium Hydroxide (NaOH) | Fisher Scientific | 1310-73-2 | For modified Ringer's lactate |
Sodium Lactate (NaC3H5O3) | Sigma Aldrich | 867-56-1 | For modified Ringer's lactate |
Sodium phosphate dibasic (Na2HPO4) | Fisher Scientific | 7558-79-4 | For PBS |
Sodium phosphate monobasic (NaH2PO4) | Fisher Scientific | 7558-80-7 | For PBS |
SomnoSuite Small Animal Anesthesia System | Kent Scientific Corporation | SS-MVG-Module | |
Sprague-Dawley rats | Envigo | ||
TAM-A transducer amplifier module type 705/1 | Harvard Apparatus | 73-0065 | |
TAM-D transducer amplifier type 705/2 | Harvard Apparatus | 73-1793 | |
TCM time control module type 686 | Harvard Apparatus | 731750 | |
Tracheal cannula | Harvard Apparatus | 733557 | |
Tube set for moist chamber | Harvard Apparatus | 73V83157 | |
Tubing Cassette | Cole-Parmer | IS 0649 | |
Tweezer #5 Dumostar | Kent Scientific Corporation | INS500085-A | |
Tweezer #5 stainless steel, curved | Kent Scientific Corporation | IND500232 | |
Tweezer #7 Titanium | Kent Scientific Corporation | INS600187 | |
Tygon E-3603 Tubing 2.4 mm ID | Harvard Apparatus | 721017 | perfusate line entering lung |
Tygon E-3603 Tubing 3.2 mm ID | Harvard Apparatus | 721019 | perfusate line leaving lung |
Vannas-Tubingen Spring Scissors | Fine Science Tools | 15008-08 | |
VCM ventilator control module type 681 | Harvard Apparatus | 731741 | |
William's E Media | Gibco, ThermoFisher Scientific | A12176-01 | Perfusate additive |
Xylazine 100 mg per 1 ml | Akorn |
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