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Method Article
본 프로토콜은 강제 진동 기술(FOT)을 사용하여 생체 외 쥐 모델의 호흡 역학을 분석하기 위한 단계적 방법을 설명합니다.
호흡 역학은 기능적 폐활량을 평가하여 폐 병리학을 정의하고 치료하는 데 있어 연구의 핵심 영역입니다. 폐 역학은 다양한 진동 파형을 포함하는 다양한 폐 운동을 통해 평가할 수 있습니다. 폐에 적용하면 이러한 조작은 파형에 대한 반응을 기반으로 압력, 부피 및 유량과 같은 여러 변수를 측정합니다. 그런 다음 이러한 신호를 계산 및 분석하여 히스테리시베이티, 저항, 순응도, 조직 감쇠 및 조직 탄성도와 같은 매개변수를 결정하고 전반적인 폐 기능에 대한 자세한 평가를 제공합니다. 호흡 역학 분석은 폐 이식을 위한 기증자 폐를 평가하는 데 특히 중요합니다. 현재 프로토콜은 생체 외 쥐 모델을 사용하여 호흡 역학을 평가하기 위한 포괄적이고 재현 가능한 단계적 방법을 제공하는 최초의 프로토콜입니다. 여기에는 선택한 동물 모델, 폐 회복, 보관 및 보존, 강제 진동 기술 기반 시스템을 사용한 실험에 대한 세부 정보가 포함됩니다. 또한 데이터 분석, 임상적 중요성 및 생체 외 모델 연구에서 강제 진동 기술의 적용을 간략하게 설명합니다.
폐 이식은 말기 폐 질환에 대한 유일하고 지속적인 치료법입니다. 전 세계적으로 매년 약 4,600명이 폐 이식 수술을 받지만, 약 600명의 환자가 대기자 명단에서 사망하고 있으며, 이는 적절한 기증자 폐의 부족으로 인한 것입니다 1,2. 사용 가능한 폐 풀을 늘리기 위한 노력의 일환으로 기증자 할당 시스템이 지속적으로 조정되고 있으며, 이로 인해 외과의는 기증자 장기를 확보하기 위해 더 먼 거리를 이동하게 되었습니다3. 거리가 멀어짐에 따라 냉허혈 시간이 항상 증가하여 추가적인 장기 보존 방법이 필요하게 되었습니다.
폐 이식 시 기증자 장기 보존에 대한 현재 표준은 4°C에서 저온 정적 보존이며, 보존 시간을 6-8시간으로 제한하여 이식을 위한 생존 가능성이 작은 창입니다4. 그러나 이동 거리가 길어지고 허혈 시간이 늘어남에 따라 이식 전 폐 기능을 평가하는 것이 매우 중요하다4. 폐 이식에 대한 정책이 발전함에 따라 이러한 요구를 해결하기 위한 새로운 연구가 수행되었습니다. 최근 연구에 따르면 10°C에서 냉간 정전기 보존이 폐 보존을 위한 최적의 보관 온도이며 결과적으로 폐 기능이 개선되고 손상에 대한 저항력이 있으며 이식 시 1차 이식 기능 장애의 비율이 비슷하다고 합니다 4,5,6,7,8. 또한, 체외폐관류(ex vivo lung perfusion, EVLP)를 중심으로 한 연구에서는 수혜자에게 해를 끼치지 않으면서 기증자의 폐 이용과 이식이 크게 개선되는 것으로 나타났다9. 폐 이식을 위한 기증자 풀을 확대하고 보존 기간을 연장하기 위해 EVLP를 사용하는 것은 잘 문서화되어 있지만, 이 기술은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되며10가지 작업을 수행하기 위해 전문 교육이 필요합니다. 따라서 체외 폐 기능을 연구하기 위해 포괄적이고 저렴하며 재현 가능한 추가 방법이 필요합니다.
컴플라이언스, 저항, 탄성 및 압력-부피 곡선과 같은 폐 역학의 전통적인 측정은 신체 혈량측정법을 사용하거나 단일 구획 모델을 사용하는 인공호흡기 기술을 사용하여 안정적으로 결정할 수 있습니다. 기도 역학을 중앙 및 주변 구획(뉴턴 저항, 조직 감쇠/탄성, 히스테리시비티)으로 나눌 수 있는 상수 위상 모델에 맞게 강제 진동 모델을 사용하여 보다 자세한 역학을 얻을 수 있습니다11. 이러한 기술의 적용은 재현 가능하고 포괄적이지만, 지금까지의 한계는 아마도 폐포 입구 고리(12)에서 출혈된 폐가 구조를 잃기 때문에 생체 내 모델에서 이러한 측정을 수행해야 한다는 요구 사항이었습니다. 이 연구는 폐 이식 응용 분야를 위한 폐 역학을 더 잘 특성화하기 위해 생체 외 모델을 개발하기 위해 상업적으로 이용 가능한 강제 진동 기술 기반 소형 설치류 인공호흡기를 사용했습니다.
이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 실험실 동물 관리 및 사용 가이드(National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals)에 따라 동물 연구 위원회(Committee on Animal Research)의 승인을 받았습니다. 생후 6-8주, 체중 18-28g의 C57Bl/6 야생형 마우스를 사용했습니다. 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나와 있습니다.
1. 준비
2. 기증자 폐 적출
3. 폐 저장 및 보존
4. 설정 및 교정
5. 폐 환기 및 데이터 수집
실험 설계에 대한 그래픽 묘사는 마우스 모델에 제공됩니다(그림 1). 다양한 조건에서 기증자 조직의 호흡 역학을 평가하기 위해 상업적으로 이용 가능한 강제 진동 기술 기반의 소형 설치류 인공호흡기 시스템을 사용하여 폐를 팽창시켰습니다(그림 2). 보존된 기증자 폐 그룹 간의 결과를 비교할 때, 10°C에서 보관된 기증자 폐...
중요성 및 잠재적 응용 분야
호흡 역학은 폐 병리학 및 폐 손상을 연구하기 위해 다양한 응용 분야에서 일상적으로 사용됩니다. 호흡 역학에 대한 연구는 ARDS와 같은 질병의 진행과 보조 환기의 경우에 대해 여러 번 설명되었지만 장기 이식과 관련된 문헌에는 훨씬 적게 설명되어 있습니다 15,16,17,18,19.
저자는 이 연구가 이해 상충으로 잘못 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계 없이 수행되었다고 선언합니다.
저자는 인공호흡기 시스템을 사용해 준 Sophie Paczensy와 도움을 준 Colin Welsh에게 감사의 뜻을 전합니다. 그림 1 은 biorender.com 를 사용하여 만든 것입니다. 이 연구는 사우스캐롤라이나 임상 및 중개 연구소(NIH/National Center for Advancing Translational Sciences)의 보조금(수상 번호 UL1-TR001450)의 지원을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
18 G angio-catheter | B. Braun | 4251687-02 | Straight hub |
24 G angio-catheter | B. Braun | 4251601-02 | Straight hub |
3 mL syringe | Fisher Scientific | 14-823-41 | |
3-0 silk suture | Medex | ETH-A304H | |
50 mL conical tubes | Thermo Fisher | 339652 | |
70% EtOH | Fisher Scientific | BP82031GAL | |
Anesthesia induction chamber | Harvard Apparatus | 75-2030 | Air-tight induction chamber for rats |
Anesthesia machine | Harvard Apparatus | 75-0238 | Mobile anesthesia system with passive scavenging |
Anesthesia mask | Harvard Apparatus | 59-8255 | Rat anesthesia mask |
Blunt micro forceps | World Precision Instruments | 501217 | Dressing forceps, 12.5 cm, straight, serrated |
C57Bl/6 mice | Charles River | Strain Code 027 | Wild type, 6-8 weeks, 18-28g |
Digital weight scale | Fisher Scientific | S72422 | |
FlexiVent system | Scireq | NC2926059 | forced oscillation technique-based small rodent ventilator |
Insulin syringe, 1 mL | Fisher Scientific | 14-841-33 | |
Isoflurane, USP | Piramal Critical Care | NDC 66794-017-25 | |
Operating microscope or surgical loupes | AmScope | SM-3BZ-80S | 3.5x - 90x Stereo Microscope |
Perfadex solution | Xvivo | 19811, 19850 | |
Petri dishes | Fisher Scientific | FB0875714 | |
Sterile cotton swabs | Puritan | 25-806 1WC | |
Sterile gauze sponges | Fisher Scientific | 22-037-902 | |
Surgical scissors | World Precision Instruments | 1962C | Metzenbaum scissors |
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