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여기에 제시된 프로토콜은 체외 관류 시스템을 사용하여 냉간 보존 후 기증자 심장의 우심실 및 좌심실 기능을 안정적으로 정량화하기 위한 프로토콜입니다.
원발성 이식편 기능 장애(PGD)는 심장 이식 후 조기 사망의 주요 원인으로 남아 있습니다. 냉간 보존 중 허혈 시간이 길어지는 것은 PGD의 중요한 위험 요소이며, 냉간 보존 후 기증자 심장의 기능적 반응을 연구하기 위해서는 심장 기능에 대한 신뢰할 수 있는 평가가 필수적입니다. 첨부된 비디오는 다양한 기간 동안 저온 보존 후 Langendorff 모델을 기반으로 하는 생체 외 관류를 사용하여 쥐의 우심실 및 좌심실 기능을 평가하는 기술을 설명합니다. 간단히 말해서, 심장은 분리되어 차가운 히스티딘-트립토판-케토글루타레이트(HTK) 용액에 저장됩니다. 그런 다음 심장은 Langendorff 모델에서 60분 동안 Kreb 완충액으로 관류됩니다. 좌심실과 우심실에 실리콘 풍선을 삽입하고 심장 기능 매개변수(dP/dt, 압력-부피 관계)를 기록합니다. 이 프로토콜을 사용하면 다양한 심장 보존 프로토콜 후에 심장 기능을 안정적으로 평가할 수 있습니다. 중요한 것은 이 기술을 통해 특히 천연 심장 세포에서 심장 보존 반응을 연구할 수 있다는 것입니다. 매우 작은 쥐 심장을 사용하면 PGD의 메커니즘을 조사하기 위해 엄청난 양의 형질전환 마우스에 접근할 수 있습니다.
심장 이식은 말기 심부전 환자의 생존율과 삶의 질을 향상시킨다1. 안타깝게도 심장 기증자의 부족은 이 치료법의 혜택을 받을 수 있는 환자의 수를 제한하고 임상의가 기증자와 수혜자를 최적으로 매칭할 수 있는 능력을 제한한다 2,3,4. 또한, 새로운 할당 시스템은 허혈 시간을 늘리는 데 기여했으며 2018년 이후 한계 기증자의 사용을 크게 증가시켰다5. 결과적으로, 심장 기증자의 평균 연령과 허혈 시간은 시간이 지남에 따라 증가하여 심장 보존 전략이 크게 개선되었음에도 불구하고 원발성 이식편 기능 장애(PGD)의 비율이 더 높다 6.
PGD는 좌심실, 우심실 또는 양쪽 심실에 영향을 미칠 수 있으며, 심장 이식 후 조기 사망의 주요 원인으로 생명을 위협하는 합병증으로 남아 있습니다. PDG의 메커니즘을 조사하고 더 나은 심장 보존을 위한 전략을 개발하는 것은 심장 이식자의 생명을 구하는 잠재적인 영향을 고려할 때 중요한 고려 사항입니다. 따라서 장기간 보관 후 기증자의 심장 기능을 강력하고 신뢰할 수 있게 평가할 수 있는 실험 모델은 PGD에 대한 이해를 높이고 새로운 치료법 개발을 촉진하는 데 필수적입니다. 쥐 심장의 심장 기능을 정확하게 평가할 수 있는 능력은 PGD 메커니즘을 정확하게 식별할 수 있는 형질전환 쥐 모델의 방대한 레퍼토리에 접근할 수 있게 해줍니다.
생리학 및 약리학적 연구에서 랑겐도르프 역행성 관류 모델은 심장 기능을 평가하는 데 널리 사용된다7. 특히, 심장 기능은 좌심실(LV) 강 내의 압력 변환기에 연결된 실리콘 풍선에 의해 감지됩니다. PGD의 주요 특징은 심실 근육의 부적절한 수축과 이완입니다. 이전의 Langendorff 연구는 LV 기능 평가 8,9,10에서 신뢰할 수 있고 재현 가능한 결과를 생성하기 위해 LV 풍선을 사용하는 데 중점을 두었습니다. 그러나 풍선 시스템을 사용하여 우심실(RV) 기능을 평가하기 위해 강내 풍선을 사용하는 것은 잘 알려져 있지 않습니다.
이식 후 RV와 관련된 상당한 PGD 비율을 감안할 때11, LV 및 RV 기능을 모두 연구하는 실험 방법은 RV PGD에 기여하는 분자 및 생리학적 메커니즘을 결정하는 데 도움이 될 것입니다. 이 프로토콜은 공동내 실리콘 풍선이 동일한 쥐 심장(12)에서 LV 및 RV 기능에 대한 신뢰할 수 있는 평가를 제공할 수 있음을 보여준다. PGD 연구에서 Langendorff 시스템의 잠재적 사용을 평가하기 위해 보관 기간이 다른 심장 기능을 조사한 결과 쥐 심장을 장기간 냉장 보관하면 수축 및 이완에서 심장 기능이 감소하는 것을 발견했습니다. 흥미롭게도 LV는 RV보다 기능적 감소가 더 높습니다. 요약하면, 여기에 설명된 프로토콜은 LV 및 RV 기능 모두에 대한 후보 약물 및 분자 경로의 효과를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 쥐 심장에 이 방법을 사용할 수 있는 능력은 상세한 기계론적 연구의 수행을 용이하게 할 것입니다.
이 프로토콜의 모든 동물 실험은 앤아버에 있는 미시간 대학교의 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 승인을 받았습니다. 모든 마우스는 병원체가 없는 방에서 12:12 광 주기로 수용되었습니다. 이 프로토콜에 사용된 모든 재료, 동물 및 장비와 관련된 자세한 내용은 재료 표를 참조하십시오.
1. 실리콘 풍선 카테터 제작
알림: 실리콘 풍선은 앞에서 설명한 대로 만들어집니다13.
2. 심장 관류 시스템의 준비
3. 쥐 심장의 분리, 장착 및 캐뉼레이션
4. 기능적 데이터 기록
생후 3개월의 성체 C57Bl/6 마우스 심장을 채취하여 Langendorff 시스템에 장착했습니다. 기증자 심장을 HTK에 0시간 및 8시간 동안 보관한 후 산소가 공급된 KH 완충액으로 관류했습니다. 압력 변환기에 연결된 실리콘 풍선을 사용하여 LV 및 RV 기능의 수축 및 이완을 측정했습니다.
대동맥압은 70-80mmHg 범위로 유지되었다. 심박수는 0시간 및 8시간 보관이 있는 쥐 심장에서 비슷했습니다. LV 및 RV 기능은 수축기 및 이완기 혈압을 측정하여 검사했습니다. 압력 변화의 비율을 계산하기 위한 도함수인 dP/dt를 계산하여 압력 역학을 결정했습니다. 최대 dP/dt 및 최소 dP/dt의 절대 수치는 근육 수축 및 이완 수준을 나타낼 수 있습니다. 보관 시간 0시간에서 LV는 RV에 비해 수축기 혈압이 더 높았습니다(그림 2C 및 그림 3A). LV는 0시간 보관 관류 후 RV보다 더 많은 근육 수축 및 이완을 보여주었습니다(그림 2C 및 그림 3B,C). 그러나 8시간의 냉장 보관 후 LV와 RV 모두 0시간 기준선에 비해 상당한 기능적 감소를 보였습니다(그림 2A-D 및 그림 3B,C). 심장 수축의 감소는 LV에서 더 심각했습니다. 8시간 보관 후 LV의 수축 및 이완은 0시간 기준선의 25.1% 및 30.7%인 반면 RV는 0시간 기준선에 비해 32.5% 및 29.1%의 기능을 보였습니다(그림 3B, C). 이러한 결과는 장기간 보관 후 LV의 PGD가 RV보다 더 유의한 심장 수축 감소를 보였다는 것을 보여주었습니다.
그림 1: 마우스 심장의 장착 및 캐뉼레이션 . (A) 관류 설정의 전체 설정. 1. 관류 저장소. 2. 산소 챔버. 3. 에어 트랩 챔버. 4. 심장 챔버. 5. 일정한 교류 및 압력을 위한 가치 스위치. 6 및 7. 산소 유입. (B) RV가 앞쪽에 있는 캐뉼라 하트. (C) 캐비티를 열기 위해 절단할 RV의 위치. (D) 캐뉼라로 풍선 튜브를 두드립니다. 약어: RV = 우심실. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: LV와 RV의 기능 비교. (A) RV의 최대 및 최소 dP/dt와 0시간의 보관이 있는 기증자 심장의 LV의 추적 기록. (B) RV의 최대 및 최소 dP/dt 및 기증자 심장의 LV와 8시간 보관 기록. (씨,디) 0시간 및 8시간에서 LV 및 RV의 dP/dt, LV 압력, 심박수 및 관류 압력에 대한 세부 정보. 약어: RV = 우심실; LV = 좌심실; dP/dt = 압력-시간 관계. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 보관 및 관류 후 LV와 RV의 기능 비교. (A) 0시간 및 8시간 보관 후 LV 및 RV의 수축기 및 이완기 압력. (B) 0시간 및 8시간 보관으로 관류 후 LV 및 RV의 최대 dP/dt 및 (C) 최소 dP/dt. 이 그림은 Lei et al.12에서 발췌한 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 프로토콜은 대동맥 캐뉼레이션을 통한 역행성 관류 Langendorff 방법을 설명합니다. 이 기술은 냉장 보관 후 쥐 심장의 LV 및 RV 기능을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 그 결과, 기증자의 심장을 장기간 냉장 보관하면 이 프로토콜을 사용하여 좌심실과 RV 모두에서 심장 기능이 저하되는 것으로 나타났습니다.
심장 이식 후 급성 및 만성 거부 반응에 대한 연구는 면역생물학에 초점을 맞추고 있다14. 콜드 스토리지 동안 PGD에 대한 네이티브 셀의 영향은 잘 조사되지 않았습니다. PGD는 심장 이식의 ~10%-20%에서 발생하며 이식 후 30일 이내 조기 사망의 66%를 차지합니다. 특히, 이식 후 LV와 RV에 영향을 미치는 PGD의 발생률은 차이가 있다11. 수혜자 세포 반응의 기여가 없는 이 체외 방법은 기증자 심장의 냉간 보존 후 PGD에 대한 자연 심장 세포의 기여에 중점을 둡니다. 추가 연구에서는 쥐 심장 이식 모델에서 수혜자 반응을 통합할 수 있습니다.
이 프로토콜에서 차갑게 보존된 기증자 심장의 Langendorff 관류는 세포 면역을 침윤하지 않고 따뜻한 결정체 관류에 대한 기본 심장 반응에 초점을 맞췄습니다. 재현 가능한 결과를 얻기 위해 몇 가지 중요한 단계가 표준화되었습니다. 쥐의 심장은 HTK 용액을 사용하여 체포하고 임상 실습과 유사하게 얼음처럼 차가운 HTK에 보관했습니다. 모든 심장에 대한 HTK 용액의 관류량과 주입 시간은 타이머로 면밀히 모니터링되었습니다. 기증자의 심장은 4°C 방에서 HTK가 함유된 얼음 위의 사전 냉각된 튜브에 보관되었습니다. 캐뉼레이션 시간은 관류 전 ~3분으로 표준화되었습니다. 이 모든 단계는 저온 보존 기간이 연구의 주요 변수임을 확인했습니다.
~20분 동안 불규칙한 심장 수축 기간은 일반적으로 관류 초기에 관찰되었습니다. 이러한 평형 및 회복 기간은 심장 조직의 점진적인 온난화와 산소화에 의해 촉진되었습니다. 초기 20분 이후에는 비교적 안정적인 시간이 예상되었습니다. 풍선은 초기 평형 기간 후 ~18분에 심실강에 삽입되었습니다. 우리는 풍선을 삽입한 후 심장이 ~25분 동안 안정된 후 혈류역학을 기록하기 시작했습니다. KH 완충액을 사용한 관류는 ~1.5-2시간 동안 안정적인 심장 성능을 유지했습니다. 따라서 우리는 좌심실과 우심실에서 각각 20분 동안 혈류역학을 기록하기로 결정했습니다.
냉장 보관 후 심장의 PGD를 연구하기 위한 역행성 관류에는 몇 가지 한계가 있습니다. 첫째, 풍선 크기와 각 심실강(특히 RV)의 공간 부족으로 인해 LV와 RV에 두 개의 풍선을 동시에 삽입하는 것은 매우 어렵습니다. 따라서 RV와 LV의 기능을 순차적으로 측정합니다. 심실 중격은 좌심실과 우심실 기능에 크게 기여한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 중격은 우심실 기능의 ~50%에 기여하므로 심실 간 의존성이 있다15. Langendorff 장치에서 쥐 심장의 재관류 절차는 ~3분이 소요되는 반면, 상대적으로 따뜻한 수술 부위에 인간 심장을 외과적으로 이식하는 데는 ~45분이 소요된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이에 비해 이 랑겐도르프 시스템의 쥐 심장은 허혈성 시간이 적습니다. 임상 번역을 고려할 때 이 점을 고려해야 합니다.
혈액 없이 심장을 관류하기 위해 KH 완충액을 사용했기 때문에 산소 전달의 효율성이 떨어질 수도 있습니다. 그러나 심장 기능은 초기 1.5-2시간의 관류를 통해 비교적 안정적이므로 신뢰할 수 있는 혈류역학적 측정이 가능합니다. 불행히도, 현재 이러한 작은 쥐 심장에 대한 실행 가능한 작동 심장 관류 모델은 없으며 이 시스템에서는 심실 부하의 영향을 평가할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 관류 시스템은 이식 모델보다 재현성이 높고 노동 집약적이며 시간이 덜 걸립니다. 또한 이식 연구보다 비용이 적게 들기 때문에 다양한 치료 옵션과 다양한 분자 경로를 선별하는 데 더 적합할 수 있습니다. 후보 약물을 추가하여 보존 용액을 수정하면 이 플랫폼을 사용하여 LV 및 RV 모두에서 PGD 감소에 대한 약리학적 제제의 효과를 평가할 수 있습니다.
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
없음.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4-0 silk suture | Braintree Scientific | SUTS108 | |
6-0 Silk suture | Braintree Scientific | SUTS104 | |
All purpose flour | Kroger | ||
BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles 22 G | Fisher scientific | 14-826-5A | |
BD Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle) | Fisher scientific | 14-823-16E | |
Corn Syrup | Kroger | ||
Custodiol HTK Solution | Essential Pharmaceuticals LLC | ||
Dissecting Scissors | World Precision Instruments | 14393/14394 | |
Falcon 50 mL conical tubes | Fisher scientific | 14-959-49A | |
Heparin sodium salt from porcine intestinal mucosa | Sigma | H4784 | |
Krebs Henseleit buffer | Sigma | K3753 | |
Nusil silicone dispersions | Avantor | ||
Perfusion system | Radnoti | 130101BEZ | |
PowerLab | ADInstruments | PL3508 | |
Sodium azide | Sigma | S2002 | |
Sodium bicarbonate | Sigma | S5761 | |
Sucrose | Sigma | S0389 | |
Sucrose | Sigma | S0389 | |
Xylazine | Sigma | X1126 |
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