Method Article

Rat Ex Vivo 폐 관류 모델에서 차세대 중합 헤모글로빈 기반 산소 운반체를 사용한 대체 관류 솔루션 탐색

DOI:

10.3791/66702

⸱

June 14th, 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1COPPER Laboratory, Department of Surgery, The Ohio State University Wexner Medical Center, 2Division of Cardiac Surgery, Department of Surgery, The Ohio State University Wexner Medical Center, 3William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, College of Engineering, The Ohio State University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기에서는 중합된 인간 헤모글로빈(PolyhHb) 기반 산소 운반체를 관류물로 적용하고 이 관류 용액을 쥐 생체 외 폐 관류 모델에서 테스트할 수 있는 프로토콜에 대해 설명합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

폐 이식은 적합한 기증자가 없기 때문에 어려움을 겪고 있습니다. 이전에는 미미하거나 부적절하다고 생각되는 기증자는 폐기되었습니다. 그러나 EVLP(ex vivo lung perfusion)와 같은 새롭고 흥미로운 기술은 폐 이식 제공자에게 한계 기증자 동종이식편에 대한 확장된 평가를 제공합니다. 이 동적 평가 플랫폼은 폐 이식의 증가로 이어졌으며 제공자가 이전에 폐기된 기증자를 사용할 수 있도록 하여 기증자 풀을 확장했습니다. 현재의 관류 기술은 세포 또는 무세포 관류물을 사용하며, 둘 다 뚜렷한 장점과 단점이 있습니다. 관류 조성은 항상성 환경을 유지하고, 적절한 신진대사 지원을 제공하고, 염증 및 세포 사멸을 줄이고, 궁극적으로 장기 기능을 개선하는 데 중요합니다. 관류 용액은 적절한 종양 압력을 유지하기 위해 충분한 단백질 농도를 포함해야 합니다. 그러나 현재의 관류 용액은 종종 폐 내피를 통한 유체 유출로 이어져 의도하지 않은 폐 부종과 손상을 초래합니다. 따라서 적절한 세포 항상성을 유지하면서 과도한 손상을 방지하는 새로운 관류 솔루션을 개발할 필요가 있습니다. 여기에서는 중합된 인간 헤모글로빈(PolyhHb) 기반 산소 운반체를 관류물로 적용하고 이 관류 용액을 쥐 EVLP 모델에서 테스트할 수 있는 프로토콜에 대해 설명합니다. 이 연구의 목표는 폐 이식 커뮤니티에 새로운 관류 솔루션을 설계하고 개발하는 데 필요한 주요 정보와 임상적으로 관련된 중개 이식 모델에서 이를 테스트하기 위한 적절한 프로토콜을 제공하는 것입니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

고형 장기 이식의 다른 분야와 마찬가지로 폐 이식은 기증 장기의 부족으로 어려움을 겪고 있습니다. 기증자 풀을 늘리기 위해 한때 이식에 적합하지 않다고 여겨졌던 동종이식편, 즉 확장 기준 기증자(ECD)의 잠재력을 조사하는 데 상당한 연구가 전념해 왔습니다. 이러한 동종이식은 의심스러운 품질, 열악한 기능, 감염, 외상, 장기간의 따뜻하거나 차가운 허혈 시간, 고령 1,2 등 다양한 이유로 ECD로 간주될 수 있습니다. 이러한 폐가 즉시 이식에 적합한 특정경우3의 경우, 이식에 대한 적합성을 결정하기 위해 이러한 폐를 추가로 평가하는 것이 제공자와 수혜자 모두에게 유리한 경우가 많다. EVLP(Ex vivo lung perfusion)는 기증자 2,4,5,6,7 외부의 폐쇄 회로에서 잠재적인 폐 동종 이식편을 확장할 수 있는 기술로, 이식 제공자가 이식 적합성을 결정할 수 있는 기능을 제공합니다. EVLP는 기증장기를 적절하게 평가하고8,9,10,11 허혈성 재관류 손상(IRI)12,13의 영향을 줄이고, 기증자 풀(14,15)을 증가시켜 폐 이식을 모든 사람이 보다 쉽게 접근할 수 있는 치료법으로 만드는 능력을 보여주었습니다.

일반적으로 EVLP 시스템은 환기 회로(인공 호흡기를 기관에 연결하여 시스템에 공기를 유입함으로써 달성됨)와 혈관 회로(튜브로 좌심방(LA)를 폐동맥(PA)에 연결하여 달성)가 있는 폐쇄형 시스템입니다7. 혈관 회로에는 튜브를 통해 관류액이 흐르는 관류액이 있어 폐에 중요한 영양분과 산소를 공급하는 동시에 냉간 허혈 시간(CIT)을 제한합니다(5,8,16,17). 이 용액은 혈액 기반(즉, 충전된 적혈구(PRBC)의 첨가를 통해)16,17 또는 무세포 기반(즉, PRBC 없음)4,5입니다. 그러나 PRBC를 사용할 때 몇 가지 주목할 만한 단점이 있습니다. 외상으로 사망한 기증자 또는 뇌사 기증자(BDD)의 PRBC를 사용하는 경우, 이러한 액체에는 종종 다량의 염증성 사이토카인이 포함되어 있어 EVLP 동안 세포 손상을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 세포에 추가적인 손상을 전달하는 무세포 헤모글로빈(Hb), 헴, 철 및 세포 조각의 수치를 증가시킬 수 있습니다18,19. 또한, 이러한 기증자는 종종 여러 장기를 가지고 있기 때문에 조달 전에 PRBC를 수집하면 기증자의 혈액량이 감소하고 결과적으로 모든 장기에 허혈이 증가할 수 있습니다. 다른 출처의 PRBC를 사용하는 경우, 제공자는 그 자체로 희소한 물질이기 때문에 혈액 부족에 직면할 수 있습니다 20,21. 마지막으로, PRBC는 소스에 관계없이 EVLP 회로에서 기계적으로 용해되기 쉬워 세포 손상에 기여하는 Hb 및 기타 구성 요소를 방출합니다.

따라서, 여러 가지 이유로, 인공 적혈구 대체물, 즉 헤모글로빈 기반 산소 운반체(HBOC)를 관류액 보충제로 사용하는 것이 유리할 수 있다. 특히 유망한 HBOC 중 하나는 중합 인간 헤모글로빈(PolyhHb)입니다. PolyhHb는 즉각적인 형질주입에 적합하지 않은 것으로 간주되는 만료된 PRBC로부터 정제된 Hb로부터 합성된다22. 이들은 출혈성 쇼크(hemorrhagic shock)23 및 이식(transplantation)24에서 실행 가능한 혈액 대체물인 것으로 나타났으며, 대량으로 생산될 수 있다22. 그러나 PolyhHb의 대규모 채택은 혈관 수축, 혈압 상승 및 심장 마비와 같은 예상치 못한 합병증으로 인해 성공하지 못했습니다23,25. 이러한 발견의 이면에 있는 이유는 PolyhHb 용액에 cell-free Hb 또는 저분자량 Hb 폴리머(< 500kDa)가 존재하기 때문일 수 있으며, 이는 조직 공간으로 증식하는 성향을 가지고 있기 때문에 산화질소 가용성 감소, 후속 혈관 수축, 전신 고혈압 및 궁극적으로 산화 조직 손상을 초래했습니다26,27. 이러한 문제를 개선하기 위해 Palmer Laboratory는 최소한의 낮은 MW 종과 cell-free Hb를 포함하는 차세대 PolyhHb를 개발하기 위해 노력했으며, 이는 향상된 생물 물리학 적 특성과 생체 내 반응을 입증했습니다 22,28,29,30. 동물을 대상으로 한 여러 수혈 연구에 따르면 저분자량 Hb 폴리머가 HBOC에서 제거되면 혈관 수축, 전신 고혈압 및 산화 손상이 완화될 수 있습니다 28,29,31,32,33,34,35. 따라서 이 차세대 PolyhHb는 유망한 관류물 후보가 됩니다.

여기에서는 관류액에 사용되는 차세대 PolyhHb의 적용과 이 관류 용액을 랫 EVLP 모델에서 테스트할 수 있는 프로토콜에 대해 설명합니다. 이 연구의 목표는 폐 이식 커뮤니티에 새로운 관류 솔루션을 설계하고 개발하는 데 중요한 정보를 제공하고 임상적으로 관련된 중개 이식 모델에서 이를 테스트하기 위한 프로토콜을 제공하는 것입니다.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sprague-Dawley 쥐(체중 300g)는 상업적으로 입수되어 오하이오 주립 대학 웩스너 메디컬 센터 동물 시설에서 병원체가 없는 조건에서 보관되었습니다. 모든 절차는 NIH 및 National Research Council의 실험 동물의 인도적 관리 및 사용 가이드에 따라 인도적으로 수행되었으며 오하이오 주립 대학 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC 프로토콜 2023A00000071)의 승인을 받았습니다.

1. PolyhHb 합성 및 정제

참고: 다음 EVLP 실험에 사용된 PolyhHb 물질의 생산 및 합성은 2020년 Cuddington et al.에 의해 처음 발표되었습니다22. PolyhHb 합성에 대한 심층적인 회로도 및 분석을 위해 이 작업을 참조하십시오. 다음은 파일럿 스케일에서 PolyhHb의 합성 및 정제와 관류물로서의 후속 준비에 대한 요약입니다.

  1. RBC 세척, 용해 및 Hb 정제
    1. 유통기한이 만료된 인간 PRBC 18단위를 조달하여 20L 여과 용기에 붓고 0.9wt% 식염수로 희석하여 최종 헤마토크릿 22%를 만듭니다(그림 1B,C).
    2. RBC 용액에서 0.9wt% 식염수를 사용하여 0.65μm 변성 폴리에틸렌 설폰(mPES) 접선 유동 여과(TFF) 모듈에 대해 6회의 시스템 부피 교환(다이아사이클)을 수행합니다. 참고: 이 세척 단계의 목적은 용혈 전에 손상된 적혈구, 막 조각 및 기타 세포외 물질을 제거하는 것입니다(그림 1B,C).
    3. RBC 용액을 10L의 인산염 완충액(PB, 3.75mM, pH 7.4)과 함께 4°C에서 1시간 동안 지속적으로 교반하면서 용해합니다.
    4. 500kDa TFF 모듈을 통해 용액을 여과하고 30L 배치 반응기 용기에서 투과액을 수집하여 용해된 멤브레인 단편 및 기타 응집체를 제거합니다(그림 1A-C).
    5. 480g의 Hb가 반응기에 들어가면 염 전하를 추가하여 PB를 인산염 완충 식염수(PBS)로 변환합니다.
    6. 질소가 공급되는 가스 접촉기를 통해 Hb를 재순환시키고 반응기의 질소 헤드 공간을 유지하여 단백질을 밤새 탈산소화합니다. 메트헤모글로빈(metHb) 형성을 제한하기 위해 14°C로 냉각합니다.
  2. Hb 중합
    1. 가스 접촉기 루프에서 용액을 재순환시키면서 Hb 용액을 생리적 온도(37°C)로 가열합니다.
      참고: 목표는 단백질을 0-10mmHg 사이의 pO2 로 탈산소화하여 대부분의 Hb가 시제 4차 상태에 있도록 하는 것입니다(그림 1A).
    2. 효과적인 탈산소화를 보장하기 위해 필요에 따라 디티오나이트 나트륨 1g을 추가합니다.
    3. 재순환 루프를 유지하고 Hb 용액을 탈기하는 동안 3L의 탈산소화된 PBS(pH 7.4)에 희석한 Hb에 대한 글루타르알데히드(GA)의 30:1 몰 비율을 추가합니다.
    4. 반응기 용기에 3시간 이상 용액을 추가하고 반응 시간을 한 시간 더 늘립니다.
    5. 3L PBS(pH 7.4)로 희석한 GA에 대한 시아노보로하이드라이드나트륨의 7:1 몰 비율로 가교 반응을 퀜칭합니다. 반응기에 10분 이상 추가합니다.
    6. 반응기를 14°C에서 밤새 냉각합니다.
  3. PolyhHb 정제
    1. 반응기 내용물을 10L 여과 용기로 펌핑하고 0.2μm 폴리에틸렌 설폰(PES) TFF 모듈(1단계)을 통해 순환을 시작합니다. 이 단계는 큰 골재와 원치 않는 오염 물질을 제거합니다.
    2. 가득 차면 500kDa 폴리설폰(PS) TFF 모듈(Stage 2)을 순환하는 보조 10L 여과 용기에 투과액을 공급합니다. 반응기가 비워질 때까지 계속합니다(그림 1B,D).
    3. 반응기가 정제 회로로 비워지면 S에서 부형제 교환을 시작합니다.tage 1은 변형된 젖산 링거 용액(pH 7.4)으로 사용합니다. 각 전체 부피 교환 후 UV 가시광선 분광법을 사용하여 Stage 1의 투과액 내 단백질 농도를 측정합니다.
    4. 1단계 투과액의 농도가 1mg Hb/mL 미만인 경우 변형된 링거 용액을 2단계로 옮깁니다. Stage 1의 모든 보류는 낭비이며 적절하게 폐기해야 합니다. 전체적으로 수정된 Ringer 용액의 전체 볼륨 교환이 두 단계에서 모두 수행되는지 확인합니다.
    5. 다이아사이클이 완료된 후 Stage 2의 내용물을 500kDa TFF 모듈에 걸쳐 최소 10g/dL로 농축합니다.
    6. 농축 용액을 50mL 코니컬 튜브에 포장하고 사용할 때까지 -80°C에서 보관합니다.

2. 관류수 제형

  1. 관류액을 최종 부피 165mL로 준비합니다. William's E Medium으로 PolyhHb를 최종 농도 3.7g/dL로 희석합니다.
  2. 인간 혈청 알부민(HSA)을 중량의 3% HSA의 최종 농도에 추가합니다. 최종 용액에 헤파린 1mL를 첨가합니다.

3. Ex Vivo 폐 관류 회로 설정

  1. PolyhHb 관류액을 EVLP 회로 저장소에 넣고 온수 수조를 37°C로 켭니다. 롤러 펌프를 켜서 관류수가 회로 내에서 순환하고 있는지 확인하십시오.
  2. 탈산소 가스(즉, 6%O2, 8%CO2, 84%N2)를 중공사 산소발생기에 연결하여 관류액을 탈산소화합니다. 이것은 관류액에 산소를 공급하는 폐의 능력을 평가하기 위해 수행됩니다.
  3. 근처에 있는 컴퓨터에서 데이터 수집 소프트웨어를 엽니다. 폐동맥 압력, 기관 차압, 호흡 흐름 차압, 폐 무게 및 펌프 속도 변환기가 회로와 데이터 컨버터 박스 모두에 연결되어 있는지 확인합니다.
  4. 모든 튜브 연결부를 주의 깊게 검사하여 시스템 전체에 누출이 없는지, 따뜻한 물이 전체적으로 순환하고 있는지 확인합니다(그림 2). 데이터 수집 소프트웨어에서 Run 을 눌러 모든 압력 트랜스듀서가 작동하는지 확인합니다. 시스템이 제대로 작동하면 롤러 펌프를 끕니다.

4. 기증자 쥐 폐 블록 조달

  1. 수술 테이블을 설정하고 기구를 배치합니다(그림 3). 모든 기기를 121°C에서 30분 동안 오토클레이브합니다.
  2. 헤파린 1200U/kg, 마취용 케타민/자일라진 혼합물(케타민 60mg/kg 및 5mg/kg), 5-10cm 길이의 실크 봉합사(3-0 또는 4-0)를 준비합니다.
  3. 케타민/자일라진 용액을 쥐에게 복강내로 주입합니다. 마취면이 발달할 때까지 5-10분 동안 기다립니다. 적절한 수준의 마취를 보장하려면 발가락으로 쥐를 꼬집어 반응을 이끌어냅니다. 반응이 없으면 적절한 수준의 마취가 충족된 것입니다.
  4. 쥐의 복부를 면도하고 수술 보드의 누운 자세에 쥐를 놓습니다. 포비돈 요오드와 70% 에탄올로 복부를 청소하십시오. 건조함을 방지하기 위해 쥐의 눈 아래에 안과 연고를 바르십시오.
  5. 쥐를 수술 보드로 옮기고 쥐를 제자리에 고정합니다(그림 4A). 데이터 수집 소프트웨어를 켜고 녹화를 시작합니다. 4mL/kg으로 인공호흡기를 켜고 호기말 양압(PEEP)이 약 2cm/H2O인지 확인합니다.
    참고: 이러한 초기 설정은 실험에 따라 다릅니다. 개별 실험에 가장 적합한 인공호흡 전략을 결정하는 것은 모든 연구자의 몫입니다.
  6. 적절한 마취 깊이가 충족되면 가위를 사용하여 xiphoid process에서 pubic symphysis까지 정중선 개복술을 수행합니다. 다음으로, 내측 내장 회전을 수행하고 무딘 기구(IVC)를 사용하여 간하정맥을 시각화합니다(그림 4B). 20G 바늘로 IVC에 헤파린을 주입합니다(그림 4C).
  7. 목에주의를 기울이고 가위로 흉골 노치에서 하악 각도 바로 아래까지의 피부를 자릅니다. 다음으로, 기관을 향해 절개를 시작합니다(그림 5A).
  8. 목에서 기관을 노출시키기 위해 필요한 스트랩 근육을 뭉툭하게 절개합니다(그림 5B). 기관내(ET) 튜브(수 밀리미터)를 넣을 수 있을 만큼 큰 연골 고리 사이의 전방 기관을 가위로 가로 절개하되 기관의 뒤쪽 부분을 절단하지 마십시오. 기관 주위에 5-0 실크 봉합사를 놓습니다(그림 5C).
  9. 기관내관을 삽입하고 앞서 언급한 5-0 실크 봉합사로 제자리에 고정합니다(그림 5D). ET 튜브를 인공호흡기에 연결하고 흉부가 적절하게 상승하는지 확인합니다.
  10. 정중 흉골 절개술을 시행하고 가위를 사용하여 다시 흉강으로 들어갑니다. 흉벽 견인기를 배치하여 심장과 폐를 노출시킵니다(그림 6A). 폐는 믿을 수 없을 정도로 부서지기 쉬우므로 부주의한 조작을 피하십시오.
  11. 전방 종격동에서 흉선을 날카롭고(가위) 둔한 절제술을 조합하여 제거합니다. 큰 혈관이나 폐를 손상시키지 않도록 주의하십시오.
  12. 폐동맥(PA; 그림 6B) 그리고 캐뉼레이션을 준비하기 위해 그 주위에 5-0 실크 봉합사를 놓습니다(그림 6C). 쥐의 큰 혈관의 미세한 해부학적 구조로 인해 PA와 대동맥 주위에 봉합사를 동시에 배치하는 것이 더 쉬운 경우가 많습니다.
  13. 가위(그림 6D-E)를 사용하여 우심실 유출 트랙(RVOT)을 2-3mm 절개하여 PA 내에 동맥 캐뉼라를 배치하고 앞서 설명한 5-0 봉합사로 제자리에 고정합니다(그림 6F).
  14. 좌심실(LV)을 5mm 절개하고 가위를 사용하여 간하부 IVC를 만들어 쥐를 안락사시킵니다. 폐 보존액을 동맥 캐뉼라에 빠르게 연결하여 약 20mL로 폐를 중력 플러시합니다(그림 7A-B). 공기 색전액은 폐에 매우 손상되므로 동맥 캐뉼라에 연결하기 전에 폐 보존액이 배출되었는지 확인하십시오.
  15. 동맥 캐뉼라를 EVLP 회로에 연결합니다. 롤러 펌프를 켜고 소량의 관류액이 폐를 통해 좌심실에서 흉강으로 흐르도록 합니다. 관류액이 좌심방에서 흘러나오기 시작하면 롤러 펌프를 끕니다(그림 7C). 관류액이 흐르도록 하는 동안 PA 압력이 급증하지 않는지 확인하십시오(이는 막힘 또는 잘못된 배치를 나타냅니다).
  16. LV에 작은 겸자를 놓고 승모판 고리를 부드럽게 늘리면 좌심방(LA) 캐뉼라가 도입될 수 있습니다(그림 8A). 5-0 실크 넥타이를 심장 둘레에 놓고 느슨하게 묶습니다(그림 8B).
  17. LA 캐뉼라를 LV에 삽입하고 아트리움 내에서 볼 수 있을 때까지 LA 캐뉼라를 전진시킵니다. 미리 묶인 5-0 봉합사로 LA를 고정합니다(그림 8C).
  18. 식도를 확인하고 가능한 한 횡격막에 가까운 지혈제로 고정합니다. 흉강으로 유출되지 않도록 지혈제 아래의 식도를 절단합니다(그림 9A).
  19. 척추를 가이드로 사용하여 가위를 사용하여 심장-폐 블록을 주변 구조물과 연결하는 모든 인대 부착물을 자릅니다(그림 9B). 심폐 차단체가 자유롭게 움직일 수 있게 되면 목에서 기관을 절제하고 마지막으로 가위를 사용하여 ET 튜브 위의 기관을 절단하여 심폐 차단체를 분리합니다(그림 9C).
  20. 심폐 블록을 EVLP 회로 내의 흉부 재킷으로 이동하고 LA 캐뉼라를 EVLP 회로에 연결합니다(그림 9D). 롤러 펌프를 켜고 인공호흡기 모니터를 연결합니다.
  21. 버블 트랩을 점검하여 공기 색전이 시스템에 유입되지 않는지 확인하십시오.
  22. 처음 15분 동안 환기 및 관류 설정을 원하는 실험 수준으로 천천히 변경합니다 36,37,38. 또한 이 초기 램프 업 단계에서 관류 유량을 원하는 속도 및/또는 압력으로 증가시킵니다.
  23. 실험에서 지정한 시점에서 관류 가스 수치와 폐 기능 검사를 확인합니다.

Results

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PolyhHb 기반 관류액의 검증과 몇 시간에 걸친 이 관류수의 안정성이 그림 10에 나와 있습니다. 처음 1 시간 동안 테스트 된 모든 관류액 (PolyhHb, Control (Williams Media + 5 % HSA), RBC 기반)은 LA pO2 (Post pO2)가 약간 감소한 것으로 나타났습니다. 그러나, 적혈구계 관류물은 PolyhHb에 비해 1시간에서 유의한 감소를 보였다(p < 0.05). 다음 몇 시간 동안 테스트했을 때 PolyhHb 및 Control 과류액은 모두 안정적인 LA pO2 를 가졌으며 PolyhHb는 더 높은 pO2 의 유의하지 않은 추세 (p > 0.05)를 가졌습니다 (그림 10A). Delta pO2 , 즉 PA pO2 에서 LA pO2 의 변화는 RBC 관류 그룹에서 1 시간에 다시 유의하게 감소 한 반면 (p < 0.05), PolyhHb 그룹에서 더 높은 pO2 의 유의하지 않은 추세 (p > 0.05)로 PolyhHb 및 Control 관류에서 안정적으로 유지되었습니다 (그림 10B). LA pCO2 는 첫 번째 시간 후에 PolyhHb 관류액과 비교할 때 RBC 관류액과 대조군 관류액에서 유의하게 낮았으며(p < 0.05), 이는 PolyhHb와 대조군 관류액을 비교할 때 다음 몇 시간 동안 사실로 유지되었습니다(그림 10C). 마지막으로, 델타pCO2(즉, PA pCO2에서 LA pCO2의 변화)는 1시간 후(p < 0.05) RBC 관류액에서 유의하게 증가했으며, 몇 시간 후에는 PolyhHb 및 대조군 관류액 모두에서 안정적으로 유지되었습니다(그림 10D).

수집 소프트웨어를 통해 수집된 실시간 폐 생리학적 데이터는 가스 수치 관류에 대한 보완 정보를 제공합니다(그림 11). 폐혈관저항성(PVR)은 다시 RBC 관류액이 첫 1시간 동안 유의하게 증가했음을 보여주었다(p < 0.05). 남은 몇 시간 동안 PolyhHb 및 Control 관류물은 모두 안정적이고 낮은 PVR을 보였습니다(그림 11A). 폐 중량의 변화는 또한 첫 1시간 동안 RBC 관류액에서 유의하게 증가했으며(p < 0.05) 나머지 시간 동안 PolyhHb 및 대조군 관류액에서 증가했으며 PolyhHb 관류액에서 약간 더 높은 가중치로 증가했습니다(그림 11B). 마지막으로, RBC 관류물 그룹에서는 첫 1시간 이내에 순응도가 유의하게 감소한 반면(p < 0.05), PolyhHb 및 대조군 관류물에서는 유의하지 않은 감소가 있었으며(p > 0.05), PolyhHb는 4시간 후에 가장 높은 순응도를 보였습니다(그림 11C).

기술적 성공 및/또는 실패(그림 12)와 관련하여 몇 가지 중요한 사항에 주의를 기울여야 합니다. 그림 12A에서 우리는 폐혈관 내 혈전 가능성으로 인한 우측 상엽 괴사로 인한 동종이식 실패를 볼 수 있습니다. 그림 12B에서는 우엽 내에서도 심각한 조직 부종이 발생하여 실험 실패로 이어지는 것을 볼 수 있습니다. 그림 12C-E는 각각의 실험 조건 내에서 적절한 조직 보존 및 외관을 보여줍니다. 마지막으로, 그림 12F에서 폐 보존 용액으로 세척 후 이상적인 조직 보존을 볼 수 있습니다.

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그림 1: 파일럿 규모에서 PolyhHb의 합성 및 정제. (A) 중합을 위한 생물 반응기. (B) 접선류 여과(TFF) 공정은 4°C 냉장고에 설정됩니다. (C) 적혈구(RBC) 세척 및 헤모글로빈(Hb) 정제를 위한 병렬 TFF 설정의 클로즈업. (D) PolyhHb 정제를 위한 2단계 시리즈 TFF 시스템의 클로즈업. 1단계와 2단계용 용기는 각각 필터의 왼쪽과 오른쪽에 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 2: EVLP(Ex vivo lung perfusion) 회로 개요. (A) EVLP 회로의 개략도. (B) 폐동맥 캐뉼라와 좌심방 캐뉼라의 생체 내 배치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3: 생체 외 폐 관류에 사용되는 수술 기구. (A) 실크 봉합사. (B) 끝이 가는 집게(중간 길이). (C) 끝이 가는 집게(긴 길이). (D) 구부러진 가는 끝이 있는 집게. (E) 마요네즈 가위. (F) 기관 캐뉼라. (G) 폐동맥(PA) 캐뉼라. (H) 좌심방(LA) 캐뉼라. (I) 흉곽 견인기. (J) 봄 가위. (K) DeBakey 겸자. (L) 지혈제. (M) 작은 가위. (N) 작은 구부러진 미세한 끝 겸자. (O) 애드슨 픽업. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 4: 하대정맥(IVC)의 외과적 위치 지정 및 노출. (A) 폐 조달을 위한 쥐 포지셔닝. (B) 간하부 IVC를 노출시키는 단계. (C) IVC를 캐뉼레이션하고 27G 바늘로 헤파린을 주입합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 5: 기관내(ET) 튜브로 기관을 캐뉼레이션. (A) 목 부위의 피부를 자르는 것으로 시작합니다. (B) 스트랩 근육과 결합 조직을 절개하여 기관을 노출시킵니다. (C) ET 튜브를 넣을 수 있을 만큼 큰 연골 고리 사이의 전방 기관을 가로 절개합니다. (D) ET 튜브를 기관에 삽입하고 실크 봉합사로 제자리에 고정합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 6: 폐동맥 캐뉼라 배치. (A) 심장과 폐를 시각화하기 위해 흉강을 노출시킵니다. (B) PA 식별 및 격리. (C) PA 주위에 봉합사를 배치합니다. (D) PA 캐뉼라를 위해 우심실 유출로(RVOT)에 작은 구멍을 절단합니다. (E) PA 내부에 PA 캐뉼라의 적절한 배치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-7
그림 7: 보존 용액으로 폐를 씻어내는 모습. (A) 플러시 캐뉼라를 폐동맥(PA) 캐뉼라에 연결합니다. (B) 맑은 액체가 좌심방(LA)에서 나와야 합니다. (C) PA 캐뉼라의 적절한 흐름과 배치를 보장하기 위해 PA 캐뉼라를 생체 외 폐 관류 회로에 연결합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-8
그림 8: 좌심방(LA) 캐뉼라 배치. (A). 한 쌍의 집게로 승모판 고리를 부드럽게 확장합니다. (B) 좌심실(LV) 주위에 실크 봉합사를 느슨하게 놓습니다. LA 캐뉼라를 좌심방 내에 배치합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-9
그림 9: 심장-폐 블록 추출. (A) 지혈제 아래의 식도를 결찰합니다. (B) 절개는 척추에서 심장-폐 블록을 분리합니다. (C) 기관을 절개합니다. (D) EVLP(ex vivo lung perfusion) 캐뉼라의 적절한 연결 및 배치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 10. 시간이 지남에 따라 가스 수준을 관류하십시오. (A) 포스트 pO2, 즉 좌심방(LA) pO2, 4시간 관류 이상. (B) Delta pO2, 즉 4시간 관류 동안 폐동맥(PA) pO2에서 LA pO2의 변화. (C) 포스트 pCO2, 즉 LA pO2, 4시간 관류에 걸쳐. (D) Delta pCO2, 즉 4시간 관류에 걸쳐 PA pO2에서 LA pO2의 변화. 파란색은 PolyhHb 관류액을 나타내고, 검은색은 Control 관류물(표준 William's media)을 나타내고, 빨간색은 RBC 기반 관류물을 나타냅니다. 그룹당 N=6. 오차 막대는 표준 편차를 나타냅니다. 유의성은 스튜던트 T-검정을 사용하여 테스트되었으며 *, p < 0.05로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-11
그림 11. 실시간 폐 생리학적 데이터. (A) 4시간 재관류 동안 폐혈관 저항(PVR). (B) 시간 경과에 따른 폐량의 변화(Δ로 표시). (C) 4시간 재관류 이상의 순응도. 파란색은 PolyhHb 관류액을 나타내고, 검은색은 Control 관류물(표준 William's media)을 나타내고, 빨간색은 RBC 기반 관류물을 나타냅니다. 그룹당 N=6. 오차 막대는 표준 편차를 나타냅니다. 유의성은 스튜던트 T-검정을 사용하여 테스트되었으며 *, p < 0.05로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 12: 대표적인 기술 결과. (A) 우측 상엽 경색으로 인한 이식편 실패. (B) 심한 우엽 부종으로 인한 이식 실패. (C) RBC 관류물을 사용한 폐 동종 이식편의 성공적인 캐뉼레이션 및 관류. (D) PolyhHb 관류물을 사용한 폐 동종 이식편의 성공적인 캐뉼레이션 및 관류. (E) 표준 관류액을 사용한 폐 동종 이식편의 성공적인 캐뉼레이션 및 관류. (F) 폐 보존 용액으로 세척 후 이상적인 조직 보존. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

관류 용액의 개발 및 테스트는 전 세계의 많은 사람들이 착수하고 있는 새로운 노력입니다. 전통적으로 표준 관류액은 허혈 시간을 중단시키고 허혈과 관련된 부상을 완화하는 능력과 재관류를 제공한다18. 그러나 EVLP의 다음 진화는 현재의 관류수 기술을 개선하고 수리 및 재조정 요법을 통합하는 것입니다 39,40,41,42,43.

이 연구에서 설명 된 PolyhHb는 500kDa와 0.2 μm 사이에 브래킷으로 묶여 물질이 회로에서 폐로 유출되는 것을 방지하여 혈관 수축 및 PA 압력30 증가를 방지합니다. 이 합성의 중합 단계 전반에 걸쳐 산소 분압(pO2)이 원하는 산소 친화성 PolyhHb 생성물에 적합한 값으로 유지되는 것이 중요합니다. 여기에는 바이오리액터와 pO2가 일치된(즉, 질소로 탈기, 산소화 등) 반응 전반에 걸쳐 추가된 모든 용액(즉, 가교제, 담금질 용액 등)이 포함됩니다. 이 합성 절차의 주요 장점은 최종 제품이 다양한 산소 요구량(즉, 수혈 약물을 위한 낮은 산소 친화도 PolyhHb, 폐 관류를 위한 중간 정도의 산소 친화도 또는 표적 산소 전달을 위한 높은 산소 친화도)을 허용하기 위해 수정 가능한 산소 평형을 갖는다는 것입니다. 또한 접촉점에 과도한 가열을 초래하여 손상된 단백질의 형성을 초래하지 않는 가열 메커니즘이 생물반응기에 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 우리는 용기 전체의 구리 코일이 용기 외부의 절연 가열 재킷보다 더 균일하고 덜 손상된 가열/냉각을 제공한다는 것을 발견했습니다(그림 1A).

EVLP 랫트 모델의 개발이 새로운 것은 아니지만(37,38), 우리는 개선된 결과로 이어질 수 있는 몇 가지 영역에 주목했습니다. 첫째, 순환을 통해 폐로 들어갈 수 있는 추가 공기가 없도록 희생 시 IVC를 작게 절개해야 합니다. 폐 보존 용액으로 폐 동종 이식편을 세척할 때 폐의 균일한 옅은 흰색을 통해 미세 외과의는 조달 과정에 기술적 성공이 있음을 알 수 있습니다. 실질 내에 여전히 분홍색의 폐가 있는 경우 전체 폐가 고르게 관류되도록 PA 캐뉼라를 조정하는 것이 좋습니다. PA 캐뉼라는 종종 절차에서 완료하기 쉬운 부분이지만 LA 캐뉼라를 도입하는 것은 약간 더 어렵습니다. LA 캐뉼라가 LA에 도달하도록 하려면 항상 승모판 고리를 확장해야 합니다. 그러나 이것은 심실이나 심방에 구멍을 뚫기 쉽기 때문에 극도의 주의를 기울여야 합니다. 캐뉼라의 끝이 심방 내에 있으면 심실 주위에 봉합사를 고정하는 동안 종종 잘못 배치될 수 있습니다. 종종 테이블 각도(더 수평)를 조정하거나 캐뉼라 바닥에 거즈 조각을 놓아 제자리에 고정해야 합니다.

제한
이 모델에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 관류액의 효능과 잠재적인 동종이식을 개선할 수 있는 능력을 평가하는 것이 도움이 되지만, 이는 다양한 관류물과 기술에 대한 생체 내 결과를 알려줄 수 있는 이식 모델은 아닙니다. 또한 PolyhHb는 흥미로운 새로운 관류 기술이지만 이 기술의 광범위한 채택을 고려하기 전에 추가적인 전임상 및 임상 관류 실험에서 그 사용, 효능 및 잠재적 한계를 더욱 입증해야 합니다.

결론
여기에서 우리는 차세대 PolyhHb 관류수의 적용과 이 관류 용액을 랫 EVLP 모델에서 테스트할 수 있는 프로토콜을 시연했습니다. 관류액 기술이 발전함에 따라, 전통적인 관류액(30)에 대한 잠재적 대체품으로서 PolyhHb를 사용할 수 있는 가능성을 탐색하는 것이 유리할 것이다. 이전 세대의 PolyhHb는 구성에 따라 해로운 부작용을 일으켰습니다. 그러나, 합성에 대한 개선은 외상(extravasate)을 일으키고, 부종을 유발하며, 따라서 세포 손상을 일으킬 가능성이 적은 중합체를 생성하였다30. PolyhHb를 사용하면 적혈구 없이도 EVLP를 수행하면서 폐 동종이식의 대사 요구를 충족할 수 있습니다. 이것은 의심할 여지 없이 더 나은 동종이식 기능을 생체 외에서 가능하게 할 것입니다. 그러나 전임상 및 임상 환경 모두에서 PolyhHb에 대한 추가 검증이 필요합니다. 우리는 이 프로토콜이 폐 이식 커뮤니티에 새로운 관류 솔루션을 설계하고 개발하는 데 중요한 정보를 제공할 뿐만 아니라 임상적으로 관련성이 있는 중개 이식 모델에서 이를 테스트하기 위한 적절한 프로토콜을 제공하기를 바랍니다.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

본 연구에서 제시된 자료에 대해 A.F.P., A.G. 및 C.C.는 미국 특허 출원 PCT/US2022/041743의 발명자입니다. A.F.P., C.C., B.A.W. 및 S.M.B.는 미국 특허 출원 PCT/US2023/017765의 발명자입니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 Jewel and Frank Benson Family Endowment와 Jewel and Frank Benson Research Professorship의 아낌없는 지원을 받았습니다. B.A.W.는 미국 국립보건원(NIH) 보조금 R01HL143000에 의해 부분적으로 지원됩니다. A.F.P.는 NIH 보조금 R01HL126945, R01EB021926, R01HL131720 및 R01HL138116와 미 육군 의료 연구 및 물자 사령부 보조금 W81XWH1810059의 지원을 받습니다. S.M.B.는 NIH R01 DK123475에 의해 지원됩니다.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
10cc 인슐린 주사기 29G x 1/2" 바늘B-D309301
30L 유리 배치 생물 반응기에이스 유리
30g 바늘메드 바늘BD-305106
Baytril (enrofloxacin) 항균 정제ElancoNA
염화칼슘 이수화물 (CaCl2.2H2O)Sigma Aldrich10035-04-8수정된 Ringer's lactate
CFBA 캐리어 주파수 브리지 증폭기 타입 672Harvard Apparatus731747
Connect kit D150Cole-Parmer  VK 73-3763
Dumont #5 펜치파인 사이언스 도구11252-50
Dumont Medical #5/45 펜치 - 각도 45도;Fine Science tools11253-25
Ecoline Star Edition 003, E100 Water HeaterLaudaLCK 1879
Expired human leukoreduced, packed RBC unitsWexner Medical Center
Canadian Blood Services
Zen-Bio Inc
Fiberoxygenator D150Hugo Sachs ElektronikPY2 73-3762
펜치파인 사이언스 도구11027-12
글루 타르 알데히드 (C 5 < / sub>H 8 < / sub > O < sub>2< / sub> 70 wt %)시그마 Aldrich111-30-8 (G7776)
Halsted-Mosquito HemostatRoboz SurgicalRS-7112
Heparin 30,000 units per 30 mlAPP Pharmaceuticals
Human Serum Albumin (HSA)OctaPharma Plasma관류액 첨가제
IL2 관류 세트하버드 장치733842
IPL-2 기본 폐 관류 시스템하버드 장치
케타민 500 ml당 mg JHP 제약
좌측 아트리움 캐뉼라하버드 장치730712
Liqui-Cel EXF 시리즈 G420 멤브레인 접촉기3MG420가스 접촉기
저칼륨 덱스트란 포도당 용액 (perfadex)를 플러싱하는XVIVO
Masterflex Platinum Coated Tubing(크기: 73,17,16,24)Cole-Palmer
N-Acetyl-L-cysteine (NALC, C5H9NO3S)Sigma Aldrich616-91-1 (A7250)변형된 Ringer's lactate
Nalgene Vessels( 10L, 20L)Nalgene여과 용기
연동 펌프  이스마텍  ISM 827B
PES, 0.65 &마이크로; m TFF 모듈RepligenN02-E65U-07-N
PhysioSuiteKent Scientific CorporationPS-MSTAT-RT
폴리에테르설폰(PES), 0.2 &마이크로; m TFF 모듈RepligenN02-S20U-05-N
Polysulfone (PS), 500 kDa TFF 모듈RepligenN02-P500-05-N
Potassium Chloride (KCl)Fisher Scientific7447-40-7PBS
PowerLab 8/35  ADInstruments730045
폐동맥 캐뉼라하버드 장치730710
펌프 헤드 튜빙 (크기: 73,17,16,24)PharMed BPT
Puralube  안과 연고DechraNA
가위Fine Science 도구14090-11
관류 유형 용 SCP 서보 컨트롤러 704Harvard Apparatus732806
Small Animal Ventilator 모델 683Harvard Apparatus55-000
염화나트륨 (NaCl)Fisher Scientific7647-14-5 (S271-10)PBS 및 식염수 용
시아노보로하이드라이드 나트륨(NaCNBH3)Sigma Aldrich25895-60-7
디티오나이트나트륨(Na2S2O4)Sigma Aldrich7775-14-6
수산화나트륨(NaOH)Fisher Scientific1310-73-2변형된 링거 젖산
염용젖산 나트륨 (NaC3H5O3)Sigma Aldrich867-56-1변형된 Ringer's lactate
인산나트륨 이염기성(Na2HPO4)Fisher Scientific7558-79-4PBS
인산나트륨 일염기(NaH2PO4)Fisher Scientific7558-80-7PBS
SomnoSuite 소동물 마취 시스템Kent Scientific CorporationSS-MVG-Module
Sprague-Dawley 쥐Envigo
TAM-A 변환기 증폭기 모듈 유형 705/1Harvard Apparatus73-0065
TAM-D 변환기 증폭기 유형 705/2Harvard 장치  73-1793
TCM 시간 제어 모듈 유형 686하버드 장치731750
기관 캐뉼라하버드 장치733557
튜브 세트 습윤 챔버하버드 장치  73V83157
튜빙 카세트Cole-ParmerIS 0649
핀셋 #5 DumostarKent Scientific Corporation  INS500085-A
핀셋 #5 스테인리스 스틸, 곡선Kent Scientific CorporationIND500232
핀셋 #7 티타늄Kent Scientific Corporation 
Tygon E-3603 튜빙 2.4 mm IDHarvard Apparatus721017관류 라인 폐
Tygon E-3603 Tubing 3.2 mm IDHarvard Apparatus721019관류 라인 폐
Vannas-Tubingen Spring ScissorsFine Science Tools15008-08
VCM 인공 호흡기 제어 모듈 유형 681Harvard Apparatus731741
William's E MediaGibco, ThermoFisher ScientificA12176-01퍼퓨세이트 첨가제
자일라진 1ml당 100mgAkorn
폐 솔루션용 INS600187

References

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