La diagnosi precoce del farmaco-indotta renale emodinamica erettile Utilizzando ecografica Technology di ratti

Summary

La disfunzione emodinamica in fase iniziale è fondamentale per lo sviluppo della malattia renale. Tuttavia, le metodologie di rilevamento sono limitate. I recenti progressi nell'ecografia forniscono un'opzione non invasiva e accurata per la diagnosi precoce del danno renale. Questo studio delinea una metodologia ecografica passo-passo per rilevare la disfunzione renale utilizzando un modello di ratto di nefrotossicità indotta da farmaci.

Abstract

Il rene funziona normalmente per mantenere l'omeostasi emodinamica ed è un importante sito di danni causati da tossicità del farmaco. nefrotossicità indotta da farmaci è stimato a contribuire al 19- 25% di tutti i casi clinici di danno renale acuto (AKI) nei pazienti critici. rilevamento AKI ha storicamente fatto affidamento su metriche quali la creatinina sierica (SCR) o azoto ureico nel sangue (BUN), che sono palesemente inadeguati a una valutazione completa della nefrotossicità nella fase precoce di disfunzione renale. Attualmente, non esiste un metodo diagnostico affidabile per rilevare con precisione l'alterazione emodinamica nella fase precoce di AKI, mentre tali alterazioni potrebbero in realtà precedere l'aumento dei livelli sierici di biomarcatori. Tale diagnosi precoce può aiutare i medici a fare una diagnosi accurata e aiutano a nel processo decisionale per la strategia terapeutica. I ratti sono stati trattati con cisplatino per indurre AKI. La nefrotossicità è stato valutato per sei giorni usando ecografia ad alta frequenza, misura sCr e su istopatologiarene. valutazione emodinamica con immagini 2D e Color-Doppler sono stati usati per studiare in serie nefrotossicità nei ratti, utilizzando l'ecografia. I nostri dati hanno mostrato di successo danno renale indotta da farmaci in ratti adulti mediante esame istologico. Color-Doppler valutazione ecografica base di AKI ha indicato che resistivo-index (RI) e pulsatile-index (PI) sono stati aumentati nel gruppo di trattamento; e velocità di picco sistolico-(mm / s), velocità telediastolica (mm / s) e la velocità-tempo integrale (VTI, mm) sono diminuiti nelle arterie renali nello stesso gruppo. È importante sottolineare che questi cambiamenti emodinamici valutati dalla ecografia preceduto l'aumento dei livelli di SCR. indici sonografia-based come RI o PI possono quindi essere utili marcatori predittivi di declino della funzione renale nei roditori. Dalle nostre osservazioni ecografia-based nei reni di ratti che hanno subito AKI, abbiamo dimostrato che queste misure emodinamiche non invasive possono considerare come un metodo accurato, sensibile e robusto nel rilevare all'inizio disfunzioni renali fase. Til suo studio sottolinea anche l'importanza delle questioni etiche associati all'uso di animali nella ricerca.

Introduction

La creatinina sierica (SCR) è stata la metrica gold standard per valutare la funzione renale per più di due decenni. Recentemente, molti studi hanno riportato che il danno renale si verifica molto prima di quanto i cambiamenti nella sCr ^1. Tuttavia, non esistono metodi affidabili per la rilevazione dei cambiamenti emodinamici che si verificano precocemente nel corso del danno renale compresa nefrotossicità indotta da farmaci.

La disfunzione emodinamica renale acuta indotta da farmaci porta a danni del tessuto renale e l'ulteriore progressione verso l'insufficienza renale ^2,3. Negli ultimi due decenni, gli studi indicano che gli strumenti di imaging come la tomografia computerizzata (CAT), la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e ecografia svolgono un ruolo nella valutazione emodinamica ^4. Negli strumenti di imaging attuali, ecografia in scala di grigi accoppiato con tecniche di Color-Doppler, sono i più comunemente usati per stabilire e valutare lo stato anatomica del rene ^3,5,6. Sullivan et. al. e Bonnin et. al. recentemente riportato che l'ecografia è uno strumento efficace, potente e non invasivo nei cambiamenti emodinamici di analisi in modelli animali vasocostrizione e lo stress ipossia ^7,8. Questa tecnica è anche comunemente utilizzato per rilevare stenosi arteriosa ^9,10.

Gli ultimi progressi tecnici nel campo della ecografia ad alta risoluzione hanno permesso agli investigatori di affrontare tossicità cardiovascolare utilizzando ad alta frequenza (25-80 MHz) e sonde ad alta risoluzione (in vivo ^11. Noi ipotizziamo che l'utilizzo di questo ad alta risoluzione ecografia per studiare rene offrirà un'opportunità senza precedenti per un metodo non invasivo e sensibile per la diagnosi precoce di nefrotossicità.

Cisplatino è usato nel trattamento del testicolo, alle ovaie, alla vescica, della testa, del polmone, e tumori del collo in combinazione con altri farmaci ^12-14. Il cisplatino ha avuto ben documentato nefrotossicità a causa della necrosi delle cellule di ptubuli roximal (PT) e dotti collettori hanno comportato l'aumento dell'azoto ureico nel sangue (BUN) e SCR ^15. Qui, mettiamo a disposizione una dettagliata metodologia di step-by-step di utilizzo di ecografia renale non-invasiva per caratterizzare disfunzione renale utilizzando il modello di ratto di droga (cisplatino) indotta nefrotossicità.

Protocol

Eseguire tutte le procedure di ratti maschi Sprague Dawley acquistati da Charles River Laboratories secondo American Veterinary Medical Association (AVMA) le linee guida e protocolli approvati utilizzando Comitato Usa (IACUC) Istituzionale Animal Care e.

1. Preparazione degli animali e procedure chirurgiche

1. Acclimatarsi tutti gli animali per una settimana prima qualsiasi procedura sperimentale.
2. Anestetizzare animale con isoflurano (2-3% per indurre, e 1,0% per mantenere) e applicare pomata occhio in entrambi gli occhi per prevenire l'essiccamento, irritazione o ulcerazione.
3. Eliminare i peli dal petto dell'animale utilizzando # 40 lama e crema depilatoria, se necessario. Può essere necessario rimuovere i capelli modulo posteriore dell'animale, se non possiamo avere buoni dati di immagine ottenuti dalle immagini lato ventrale.

2. La nefrotossicità Rat Modello

1. Per il modello nefrotossicità indotta da cisplatino, amministrare cisplatino, utilizzando il protocollo di uns descritto in precedenza. ¹⁵
2. Eseguire ecografia al basale, 24 ore prima della somministrazione cisplatino (giorno 0). (Vedere il punto 3, Imaging Protocol)
3. Randomizza ratti (n = 6) in due gruppi. Al Day 1, amministrare Cisplatino (10 mg / ml) (10 mg / Kg di peso corporeo, dose singola nefrotossicità induzione), volume di iniezione (1 ml / kg di peso corporeo) in peso corporeo dell'animale), per via intraperitoneale nel gruppo di studio e soluzione fisiologica ( NS) nel gruppo di controllo.
4. Anestetizzare animali come passo 1.2 a 24, 48, 72, 96, 120, 144 ore dopo la somministrazione di Cisplatino.
5. Prendere immagine utilizzando il sistema di ultrasuoni ad alta risoluzione (vedi Materiali e attrezzature Table) in fase di anestesia stabile di animali. Continuare a monitorare funzioni fisiologiche di base dell'animale durante l'imaging dall'induzione dell'anestesia attraverso il pieno recupero.
6. Monitorare i segni vitali di animali durante le procedure di imaging: Ratto temperatura: 35,9-37,5, frequenza respiratoria: 66-144 / min, frequenza cardiaca: 250-600 / min.Il segno vitale ottimale lettura nel nostro studio proposto è: temperatura: 36,5-37,0, frequenza respiratoria: 80-100 / min, frequenza cardiaca: 450-550 / min.
   NOTA: l'infusione di liquidi Uso endovenoso, e lampada di riscaldamento per mantenere i normali condizioni fisiologiche dell'animale per ridurre al minimo gli effetti della chirurgia e anestesia. Assist respirazione con ventilatore meccanico durante la procedura se necessario. Tuttavia, la ventilazione meccanica è raramente necessaria in questo esperimento.

3. Protocollo Imaging

Nota: il provider macchina ad ultrasuoni fornisce la piattaforma riscaldata per l'imaging lunga procedura. Tuttavia, non usiamo la piattaforma riscaldata nel nostro esperimento ha dimostrato perché ci vuole solo 5 a 15 min. La controllato per la temperatura del corpo che viene monitorata con un termometro rettale collegato all'interruttore di comando fisiologia.

1. immagine trasversale del rene (Modo B):
   1. Utilizzando MS 250 ultrasuoni con frequenza centrale di 21 MHz collegareed al attiva porte, impostare il preset applicazione di "General Imaging".
   2. Con l'supina animale sulla piattaforma, posizionare la sonda ad ultrasuoni 21 MHz usando il sistema ferroviario, linea mediana su animali e isolare l'aorta. In questa posizione l'angolo della sonda è di 90 gradi rispetto alla linea parasternale sinistra (asse trasversale) (Figura 1A, B).
   3. Da questa posizione scorrere la piattaforma con l'animale in modo che la sonda è ora a livello dell'arteria renale (a destra oa sinistra, può immagine uno alla volta).
   4. Utilizzando i micromanipolatori, visualizzare sia la destra o la sinistra dell'arteria renale.
   5. Regolare l'angolo della sonda inclinando leggermente lungo l'asse y della sonda per ottenere una vista completa del rene nel centro dello schermo.
   6. Una volta che i punti di riferimento adeguati (pelvi renale, dell'arteria renale) sono identificati come illustrato nella figura 1C e D, cine memorizzare l'immagine con il più alto frame-rate consentito con la sonda utilizzata.
2. immagine trasversale (vista Color-Doppler) Rene:
   1. Con il tasto Color-Doppler sulla tastiera, accendere finestra acustica Color Doppler. Questo aiuta ad isolare dell'arteria renale e vena renale (Figura 1D). (Colore blu indica flusso arterioso, e il colore rosso indica flusso venoso).
   2. Assicurarsi che il centro di profondità (indicata dalla freccia e gialla sull'asse Y) si trova al centro del rene. Registrare i dati con negozio cine.
   3. Assicurarsi record di dati al più alto frame rate possibile possibile (> 200 fotogrammi / sec).
3. immagine trasversale del rene (Pulsed-onda o vista PW):
   1. Fare clic sul tasto PW, mentre in modalità Color-Doppler, per far apparire una linea gialla (volume di campione Pulsed Doppler) sullo schermo (Figura 1F).
   2. Posizionare la linea gialla nell'arteria renale, con un angolo che porta alla direzionalità del flusso attraverso il vaso utilizzando il tasto angolare PW.
   3. Per la valutazione flusso in arteria renale destra, posizionare la linea gialla PW lungo l'arteria renale in direzione del flusso (questo è mostrato in blu nella figura 1 D e E) assicurando l'angolo Doppler è di 60 gradi o meno.
   4. In questa modalità, la finestra acustica divide in sezioni superiori e inferiori.
   5. Utilizzare deposito Cine per catturare l'immagine delle forme d'onda che indicano la velocità del flusso arterioso al picco sistole e diastole.

4. Trasporto animale dopo Imaging

1. Dal giorno 0 al 5 ° giorno, mettere animale in una zona di recupero pulita (con carta assorbente pulita su biancheria da letto) in posizione di decubito sternale dopo l'imaging. Si noti che ci occupiamo di tutti gli animali con estrema cura con il metodo "coda Holding" per gli animali aggressivi come animali riprendersi dall'anestesia.
2. Durante il recupero anestetico, mantenere la temperatura del corpo dell'animale con una hea esternafonte t e segno vitale del monitor dell'animale con sonde elettrofisiologici fino animale riprenda pienamente dall'anestesia.
3. Ritorna recuperato gli animali per la camera custodia impianto quando sono sveglio e attivo.
4. Euthanize tutti i ratti secondo le linee guida istituzionali il giorno 6 e reni raccolta (vedi punto 4.7) per la valutazione istologica così come passo 4.5.
5. Raccogliere l'urina di animali da tubi di raccolta attaccati nella gabbia metabolica per il test della creatinina per controllare la funzionalità renale.
6. Eseguire sezione di paraffina di rene degli animali, ed eseguire HE (ematossilina ed eosina) colorazione per verificare nefrotossicità (vedi punto 4.7 per i dettagli).
7. Sacrificio animali e Exsanguinate con 0,9% di soluzione di NaCl, seguito dal 10% fissazione in formalina tamponata attraverso il ventricolo sinistro. Dopo dissanguamento con 0,9% soluzione di NaCl, rimuovere i reni di ratto per la valutazione istologica ^16.
   1. Paraffina incorporare sezioni 6 mm per osservare il Morphol renelogia e nefrotossicità. Disidratare tessuto renale nel 30% di saccarosio in PBS (PBS) per 48 ore a 4 ° C. Poi fissare le sezioni in 10% formalina tamponata per 24-48 ore a 4 ° C.
   2. Successivamente, incorporare il tessuto renale in paraffina, e memorizzare i blocchi di tessuto di paraffina a temperatura ambiente fino sezionamento. Inoltre la sezione blocchi di tessuto con una macchina sezione di paraffina e posto le sezioni su un vetrino rivestito.
   3. Deparrafinize sezione e reidratati e colorati con ematossilina per 10 minuti seguiti da Eosina per 3 min. Montare le sezioni su un vetrino e li hanno valutati da un patologo roditore.

5. Calcolo e analisi dei dati

1. Calcola renali velocità arteriosa picco dalle immagini Color Doppler ottenute dal punto 3.2. Selezionare Velocity Tempo Integrale strumento (VTI) per tracciare i picchi di velocità sistolica e diastolica.
2. Calcolare resistivo Index (RI) e l'indice Pulsatile (PI) utilizzando il equations sotto.
   RI = (picco sistolico velocità-end velocità diastolica) / velocità sistolica di picco
   PI = (picco sistolico velocità-end velocità diastolica) / velocità media.
3. Effettuare analisi statistiche di RI e PI risultati con deviazioni standard dalla media di tre misurazioni del ciclo. Per gli altri parametri standard, si prega di consultare i manuali dal produttore per eseguire l'analisi dei dati utilizzando il software proprietario (vedi Materiali e attrezzature Tabella).

Results

Le immagini presentate in questo studio sono state prese da un solo operatore. Tutte le immagini sono state raccolte utilizzando una macchina ad ultrasuoni ad alta frequenza (vedi Materiali e attrezzature Tabella). Tutti i dati di immagini è stato analizzato da un singolo operatore. I risultati hanno mostrato che gli animali Cisplatino trattati avevano sCr da 0.5 a 2.1 (range normale <1.1) al giorno 6 (Figura 2A). Tuttavia, gli studi istologici hanno dimostrato modelli coerenti di lesioni interstiziali del tubulo acuta rispetto ai normali saline animali trattati.

Utilizzando ecografia ad alta risoluzione per misurare le variazioni emodinamiche del rene, i dati hanno mostrato che non vi è stato alcun cambiamento della morfologia in animali trattati con NS tra il giorno 0 ed il giorno 6, mentre Pulsus Parvus morfologia è stata rilevata negli animali a giorno sei dopo il trattamento Cisplain. Il limite superiore del RI normale e PI sono 0,7 e 1,15, rispettivamente nei ratti ^17. Utilizzando gli indici di cui sopra per valutare emodinamico cambiamenti di rene, che ha dimostrato che non vi è aumento significativo del RI e PI negli animali cisplatino-trattati a giorno 6.

Figura 1. Impostazioni apparecchi a ultrasuoni per il rilevamento di immagini renali nei ratti. Illustrazioni grafiche di sistema di imaging con l'impostazione di animale da palcoscenico (A) e la posizione della sonda di imaging (B) durante l'operazione di imaging ecografico del rene di ratto. Le immagini ecografiche campioni ottenuti da rene di ratto utilizzando i ad alta frequenza, sistemi a ultrasuoni ad alta risoluzione (vedi Materiali andand attrezzature Tabella). (CF). I dati dimostrano chiaramente rene struttura anatomica e il flusso di sangue nei vasi renali con informazioni sufficienti per l'ulteriore misurazione dei parametri emodinamici e di analisi.09fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Istologia e rene immagini ecografiche di ratti in trattamento con cisplatino. Creatinina sierica (SCR) e lo studio istologico presenta normale tessuto renale in veicoli trattati ratto e gravi lesioni tubulare renale prossimale (freccia gialla) in cisplatino ratti trattati (A, B). sCr aumentata marginalmente dopo il trattamento con cisplatino, ma è rimasto nel range di normalità (<1.1). Immagini ecografiche di destra rene dei ratti in Color-Doppler modalità AT giorno 0, 3, e 6 sul veicolo e ratti trattati Cisplatino (C); parametri emodinamici, RI e PI, sono stati aumentati significative, valutati da Color-Doppler (D, E). Il limite superiore di normalità RI è di 0,7 e 1,15 per il PI. È importante sottolineare che, tegli sopra dati mostrano questi cambiamenti emodinamici preceduto il sorgere del SCR. misurazione della velocità dell'onda di polso mostrano un polso lento e debole (segno Pulsus parvus, cerchio giallo) dopo il trattamento con cisplatino, che correlano con i risultati dello studio istologico. Questo fenomeno indica stenosi dell'arteria renale, l'ostruzione e l'ulteriore disfunzione renale. dati istologici hanno mostrato di successo prossimale tubolare danno renale indotta da farmaci e la valutazione ecografica hanno mostrato cambiamenti significativi nella RI, PI e la velocità dell'onda di polso con tecnologia Color-Doppler. N = 3, *, p <0.05. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 1. parametri emodinamici renali per AKI farmaco-indotta

Discussion

Negli ultimi dieci anni, molti progressi si sono verificati nella tecnologia ecografica compreso lo sviluppo di sonde meccaniche ad alta frequenza, che offrono i dati ecografici di alta qualità, sensibilità e precisione. Queste sonde in grado di fornire circa il 50 micron risoluzione assiale ad una profondità di penetrazione di 5 a 12 mm e frame rate elevato (superiore a 200 frame / sec), quindi può servire come uno strumento robusto per studiare piccoli animali come ratti e topi ^{18, 19.} Inoltre, permette anche di raccogliere le immagini ecografiche su animali leggermente sedati o cosciente con segni vitali a livelli fisiologici. Inoltre, questa modalità non invasiva fornisce anche possibilità di effettuare la valutazione longitudinale cambiamenti strutturali e funzionali durante la progressione della malattia senza sacrificare animali ^19.

Nel 1959, Drs. Rusell e pennello prima descritte le tre regole "R" (Replacement, Reduction e Refinement) per sollevare awareness delle questioni etiche in uso degli animali nella ricerca. Il protocollo proposto mostra per la prima volta che non invasivo piccole ecografia animale può utilizza un numero minimo di animali in meno dolore, sofferenza o angoscia nello studio Nephorotoxicity. Pertanto, è un potenziale metodo efficace per soddisfare le tre regole "R" per animali da esperimento.

Molti studi ecografici sono concentrati in applicazioni cardiache; le valutazioni di funzionalità renale sono spesso derivati ​​da misurazioni delle condizioni cardiache, piuttosto che uno studio diretto di rene ^20-25. Abbiamo stabilito una metodologia di imaging di visualizzare cambiamenti anatomici e funzionali del rene in tempo reale. Abbiamo usato un set preselezionato di finestre acustiche complementari, Mode / B in scala di grigi e color-Doppler, specifici per la vista del rene. Abbiamo usato il RI e gli indici PI per valutare il rapporto tra questi indici e le variazioni della funzione renale nel modello di tossicità indotta Cisplatino.

Tuttavia, ci sono alcune sfide e le limitazioni ai metodi di imaging proposti come segue: 1) scelta appropriata di anestetico e il grado di anestesia sono cruciali per la stabilità cardiaca e respiratoria. fenomeno fisiologico incoerente (compresi respiratori e della frequenza cardiaca fluttuazioni) influenzano il flusso dell'arteria renale, la qualità delle immagini e la funzione renale valutazione. Useremo IACUC approvato anestetico iniettabile, Pentobarbital (50 mg / kg di peso corporeo, ip), come il nostro agente anestetico di backup per garantire una corretta funzione fisiologica normale durante la valutazione delle immagini e la funzione renale; 2) Depilazione è un passaggio fondamentale, come presenza di peli del torace influisce sulla qualità delle immagini ecografiche; 3) Mentre ecografia di reni è relativamente semplice per un operatore qualificato; per l'operatore medio, è fondamentale per adattarsi tecnica all'anatomia unica di singolo animale ed effettuare manipolazioni minori; 4) Se la dimensione dei ratti è piuttosto grande (superiore a 350 grammi), una sonda frequenza inferiore (meno utilizzato in questo studio 21 MHz) possono essere richiesti per l'imaging ottimale. Potrebbe essere prudente seguire un corso di formazione prima della proposta di funzionamento del sistema di imaging.

La novità nella rilevazione nefrotossicità indotta da farmaci utilizzando la metodologia proposta ecografico e il protocollo derivato è la sua diagnosi precoce robusta dei cambiamenti emodinamici in caso di danno renale. I risultati indicano che i intra-renali vascolari cambiamenti emodinamici, infatti, precedono il sorgere SCR. Questi dati vengono raffrontati con il gold standard convenzionale utilizzando l'analisi istologica e dimostrano che piccoli animali ecografia è una modalità non invasiva, sensibile e riproducibile, che ha requisito minimo di utilizzo degli animali. E 'quindi uno strumento efficace per la diagnosi precoce di nefrotossicità indotta da farmaci utilizzando il modello di ratto.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Crema depilatoria	Miltex, Inc.	Surgi-Prep	Applicare 24 ore prima dell'imaging
cis-Diammindel platino(II) dicloruro	Sigma		479306 Per indurre danno renale acuto nei piccoli animali.
Isoflurano	Baxter International Inc.	NDC 10019-773-40	2-3% per induzione e 1-1,5% per mantenimento; i battiti cardiaci saranno mantenuti a una velocità superiore a 500 battiti al minuto
Ultrasuoni ad alta frequenza	FUJIFILM VisualSonics, Inc.	Vevo 2100
	FUJIFILM VisualSonics, Inc.	MS250, MS550D, MS400