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Research Article
Yuan Chang1,2,3, Kai Xing1,2,3, Xiumeng Hua1,2,3, Jiangping Song1,2,3,4,5,6
1Department of Cardiac Surgery, Fuwai Hospital, National Center for Cardiovascular Diseases,Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, 2Beijing Key Laboratory of Pre-clinical Research and Evaluation for Cardiovascular Implant Materials, Fuwai Hospital, National Center for Cardiovascular Diseases,Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, 3Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital, National Center for Cardiovascular Diseases,Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, 4Department of Cardiac Surgery, Fuwai Yunnan Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences,Affiliated Cardiovascular Hospital of Kunming Medical University, 5Shenzhen Key Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences, 6Sanya Institute of China Agricultural University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
이 연구는 GTKO(α-Gal knockout) 돼지와 원숭이를 사용한 전임상 이소성 복부 심장 이종 이식 모델을 제시합니다. 이 모델에는 최적화된 수혜자 선택, 혈관 문합 기술 및 수술 전후 관리 전략이 통합되어 있습니다. 새로운 면역억제제를 평가하는 데 적합하며 심장 이종 이식을 발전시키기 위한 편리한 플랫폼을 제공합니다.
심장 이종 이식에서 상당한 진전이 있었지만 기증자-수혜자 일치, 항체 매개 거부반응, 일차 이식편 기능 장애 및 수술 후 혈전증과 같은 문제는 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다. 동소 이식에 비해 이소성 복부 심장 이식은 기술적으로 더 간단한 절차를 제공하고 수혜자가 이식 기능과 독립적으로 생존할 수 있도록 하여 이종 면역 거부 반응을 연구하는 데 특히 적합합니다. 개코원숭이를 실험 동물로 사용하는 것이 금지된 국가에서 원숭이는 심장 이종 이식에서 면역 거부반응을 연구하는 데 가장 적합한 대안입니다. 그러나 원숭이의 몸 크기가 작기 때문에 기증자 선택 및 수술 기술에 더 큰 어려움이 있습니다. 본 연구는 수혜자 선택의 체계적인 최적화, 혈관 문합 기술, 수술 중 절차 및 수술 전후 관리의 체계적인 최적화를 통합하여 GTKO(α-Gal knockout) 돼지와 원숭이를 사용하여 이소성 복부 심장 이종 이식 모델을 확립했습니다. 현재 모델은 반복적인 이식편 생검을 가능하게 하여 새로운 면역억제 전략을 평가하고 이종 거부 반응의 메커니즘을 조사하기 위한 귀중한 플랫폼을 제공합니다.
심장 이종이식은 이식이 필요하지만 기증자 부족으로 인해 적합한 기증자 장기를 받을 수 없는 말기 심부전 환자에게 새로운 희망을 제공합니다. 전임상 평가 연구에서 생명 유지 심장 이종 이식은 최대 9개월의 생존 기간을 달성하여 인간 임상 시험 시작에 필요한 효능 기준을 충족했습니다1. 이러한 결과를 바탕으로 미국 식품의약국(FDA)은 유전자 편집 기증자 심장을 사용한 심장 이종 이식의 두 가지 임상 사례에 대한 접근 확대 사용을 승인했습니다. 이러한 임상 사례는 심장 이종 이식의 타당성을 입증했지만 비정상적인 심장 비대 및 항체 매개 거부반응을 포함하여 몇 가지 해결되지 않은 문제가 나타났습니다 2,3,4,5. 따라서 추가 데이터를 제공하고 향후 인간 임상 시험의 안전성을 보장하기 위한 새로운 면역억제 요법을 개발하기 위해 우수 실험실 관행 조건에서 대형 동물 모델에 대한 추가 전임상 연구가 필요합니다.
동소 심장 이종이식편의 장기 생존은 거부반응뿐만 아니라 원발성 이식편 기능 장애에 의해서도 제한됩니다. 원발성 기능 장애의 전체 발생률은 여러 연구팀에서 약 40%에서 60% 범위로 보고되었습니다 4,6,7. 허혈성 손상에 대한 돼지 기증자 심장의 감수성이 높아짐에 따라 일부 그룹은 일차 이식편 기능 장애의 발생률을 줄이기 위해 저체온 관류 장치를 개발했습니다. 그러나 수술 후 심장 비대는 여전히 통제하기 어렵습니다. 성장 호르몬 수용체(GHR) 녹아웃 기증자 돼지를 사용하더라도 GHR의 부재로 인해 심장 기능이 손상되어 장기 이식편 생존력이 제한될 수 있습니다 2,3. 이러한 맥락에서 이소성 심장 이종 이식은 과도한 예압 및 후압을 방지하고, 수술 절차를 단순화하고, 총 허혈 시간을 줄이는 등 몇 가지 장점을 제시합니다 8,9. 이 모델은 이종 거부반응으로 인한 이식편 손상을 더 잘 반영하며, 동소 이식과 달리 이소성 심장 이종 이식은 장기 이식편 생존, 생체 내 생검을 위한 반복 개복술, 면역 활성화 및 동적 면역 세포 기능의 장기간 관찰을 가능하게 합니다. 이는 이종 면역 거부 메커니즘을 조사하고 새로운 면역억제 전략의 효능과 안전성을 평가하는 데 유용한 모델 역할을 합니다10,11.
그러나 대부분의 복부 이소성 심장 이종 이식 모델은 개코원숭이를 수혜자로 활용했지만 실험 동물로서 개코원숭이를 조달하는 것은 많은 국가에서 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 대조적으로, 원숭이는 가장 널리 사용되는 비인간 영장류이며 인간과 높은 계통 발생 동동성을 가지고 있어12 이종 이식 연구를 위한 실용적인 대안이 됩니다. 그럼에도 불구하고 개코원숭이에 비해 신체 크기가 훨씬 작기 때문에 뚜렷한 해부학적 치수를 수용하기 위해 특정 수술 프로토콜 조정이 필요합니다.
이 연구는 GTKO 돼지에서 원숭이 이소성 심장 이종 이식에 대한 단계별 프로토콜을 제시합니다. GTKO(α-Gal knockout pigs)의 사용은 주로 심장 이종 이식 후 몇 분 이내에 이식 실패로 이어질 수 있는 초급성 거부반응을 예방하는 것을 목표로 합니다. (1) 기증자 돼지와 수혜자 원숭이 사이의 매칭 원칙; (2) 이소성 심장 이종 이식을 위한 수술 절차의 최적화; (3) 수술 전후 관리. 이 연구는 이러한 이식 기술을 보급하여 연구팀 간의 비교 가능성을 촉진하고 심장 이종 이식 연구의 재현성과 번역 관련성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.
이 연구는 Fuwai 병원의 동물 윤리 위원회(FWAEC-JL-010-1/0-2020)의 승인을 받았습니다. 체중 >9kg, 10-15세의 수컷 원숭이와 체중 5-6kg(~60일)의 수컷 바마 미니어처 돼지를 사용하여 복부 압박을 최소화했습니다. 기증자 심장에 의한 복부 압박을 방지하고 이식 후 성장을 수용하기 위해 몸이 더 큰 원숭이가 우선 순위를 두었습니다. 사용된 시약 및 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 기증자 및 수혜자 선정 기준
2. 수술 전 준비
3. 수혜자 수술(착상 전 단계)
4. 기증자 심장 조달
5. 기증자 심장 이식
6. 수술 후 관리 및 이식편 모니터링
그림 1에 설명된 절차 단계를 기반으로 재현 가능한 돼지-원숭이 이소성 심장 이종 이식 모델이 성공적으로 확립되었습니다. 수술 과정에는 복강에 접근하기 위한 수혜자 원숭이의 정중선 개복술과 심장 조달을 위한 기증자 돼지의 정중 흉골 절개술이 포함되었습니다. 심낭절개술 후, HTK 용액을 사용하여 기증자 심장을 정지시켰고 국소 저체온 하에서 UW 용액으로 추가로 보존했습니다. 혈관 문합은 기증자 폐동맥과 수혜자 하대정맥 사이, 기증자 대동맥과 수혜자 복부 대동맥 사이에서 종단 간 방식으로 수행되었습니다. 수술 후 심초음파 평가는 기증자 심장이 수축기 및 이완기 기능을 보존하면서 수축 활동을 재개한 것으로 확인되었으며, 이는 성공적인 재관류 및 이식편의 생존 가능성을 나타냅니다. 이러한 결과는 모델의 기술적 타당성과 인간이 아닌 영장류에서 이종이식편의 장기 기능 모니터링에 대한 잠재력을 보여줍니다.

그림 1: 돼지-원숭이 이소성 심장 이식: 수술 단계 및 수술 후 초음파. (A) 원숭이의 복강은 층층 해부와 함께 정중선 개복술을 통해 진입되었습니다. (B) 돼지 기증자의 흉강에 접근하기 위해 정중 흉골 절개술을 시행한 후 심낭 절개술을 시행했습니다. (C) 관류 캐뉼라를 기증자 심장의 대동맥 뿌리에 삽입했습니다. (D) HTK 용액 관류에 의해 유도된 심정지 후, 기증자 심장을 식염수 얼음 슬러시로 국소적으로 냉각했습니다. (E) 위스콘신 대학교(UW) 보존액으로 후속 관류를 수행하였다. (F) 돼지 폐동맥과 수혜자의 하대정맥 사이에 종단 간 문합이 생성되었습니다. (G) 돼지 대동맥과 수혜자의 복부 대동맥 사이에 종단 간 문합이 구성되었습니다. (H) 기증자 심장의 수축기 및 이완기 기능을 평가하기 위해 수술 후 심초음파를 실시하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: M3의 시계열 심초음파 이미지. (A) 수술 후 일(POD)의 이완기 및 수축기 동안 이종이식편의 심초음파 이미지 1. (B) POD 3에서 이완기 및 수축기 동안 이종이식편의 심초음파 이미지. (C) POD 10에서 이완기 및 수축기 동안 이종이식편의 심초음파 이미지. (D) 이식 실패 시 이완기 및 수축기 동안 이종이식편의 심초음파 이미지. 빨간색 선은 확장기 동안 좌심실 벽 두께가 크게 증가했음을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 실험 | 심정지 시기 | 심장 재박동 시간 | 총 허혈 시간 |
| 엠1 | 09:59 | 11:44 | 45 분 |
| M2 | 09:34 | 10:48 | 74 분 |
| 엠3 | 09:49 | 10:46 | 57 분 |
| M4 | 14:21 | 15:15 | 54 분 |
표 1: 기증자 심장의 총 허혈 시간.
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
이 연구는 GTKO(α-Gal knockout) 돼지와 원숭이를 사용한 전임상 이소성 복부 심장 이종 이식 모델을 제시합니다. 이 모델에는 최적화된 수혜자 선택, 혈관 문합 기술 및 수술 전후 관리 전략이 통합되어 있습니다. 새로운 면역억제제를 평가하는 데 적합하며 심장 이종 이식을 발전시키기 위한 편리한 플랫폼을 제공합니다.
이 작업은 중국 과학기술부 국가 중점 R&D 프로그램의 프론티어 생명공학 핵심 프로젝트(2023YFC3404300, 장핑 송)와 중국 과학기술부 특별 프로젝트의 후원을 받았으며 중국 의학 아카데미 푸와이 병원 심혈관 질환 국가 핵심 연구소(2024GZZD-03, 장핑 송).
| 1-0 실크 봉합 | 쑤저우 가셩 | A8886 | |
| 10도 대동맥 폐색 클램프 | Sinoview-med | CP40431-19 | |
| 3-0 항균(폴리글락틴 910) 봉합사 | 에티콘 | VCP442 | |
| 45도 대동맥 폐색 클램프 | Sinoview-med | CP40044-18 | |
| 성인 흉골 조인기(대형) | Sinoview-med | GR04136-00 | |
| 성인 흉골 견인기(중간 크기) | Sinoview-med | GR04130-00 | |
| 외상 겸자 | Sinoview-med | GF04021-25 | |
| 외상 겸자 | Sinoview-med | GF04016-25 | |
| 균형 잡힌 손잡이 펜형 마이크로 겸자 | Sinoview-med | FC12010-21 | |
| 벨저 UW 냉장 저장 솔루션 | 브릿지 투 라이프 주식회사 | 1000ml/봉지 | |
| 블랙 핸들 울트라 샤프 가위 | Sinoview-med | SC35101-23UC | |
| 브레츠나이더와 nbsp; HTK 스토리지 솔루션 | 쾰러 제약(베이징) 유한회사. | 1000ml/봉지 | |
| 곡선 겸자 | Sinoview-med | GC01002-12 | |
| 곡선 겸자 | Sinoview-med | GC01002-16 | |
| 일회용 대동맥 관류 카테터 | 톈진 플라스틱 연구소 | DG 어덜트 155 | |
| 전기 흉골톱 | Sinoview-med | HF-X01 | |
| 미세 해리 겸자 | Sinoview-med | GC01090-20 | |
| 금색 손잡이 슈퍼 샤프 가위 | Sinoview-med | SC35001-23SC | |
| GTKO 바마 미니어처 돼지 | 클로노간 바이오테크놀로지 주식회사 | / | |
| 중장비 펜형 바늘 홀더 | Sinoview-med | NH10400-23 | |
| 아이스 버킷 | Sinoview-med | GQ13018-00D | |
| 이소플루란 | 루난 제약 | - | |
| 이소프로테레놀 | 하베스트 제약회사 | - | |
| 케이 램버트 대동맥 클램프 | Sinoview-med | CP40411-20 | |
| 락테이트 링저 용액 | 켈룬 제약 | - | |
| 라지 베이슨 | Sinoview-med | GQ13033-00D | |
| 원숭이 | 베이징 프리마 바이오텍 주식회사 | / | |
| 의료 기관삽관 | 코비디엔 | 9345E-4.5 | |
| 중간 분지 | Sinoview-med | GQ13032-00D | |
| 신경 및 힘줄 견인 | Sinoview-med | GR04061-24 | |
| 신경 견인기 | Sinoview-med | GR02403-18B | |
| 소아 흉골 견인기 | Sinoview-med | GR04114-00 | |
| 펜형 마이크로 바늘 홀더 | Sinoview-med | NH11300-21 | |
| 직각 클램프 | Sinoview-med | GC01110-14 | |
| 직각 클램프 | Sinoview-med | GC01089-18 | |
| 실리카 고무 카테터 | 메딕 생성 | 10 프렌드/3 mL | |
| 작은 분지 | Sinoview-med | GQ13037-00D | |
| 직선 겸자 | Sinoview-med | GC01001-12 | |
| 직선 겸자 | Sinoview-med | GC01001-16 | |
| 봉합사 5.0 프로린 BB | 에티콘 | 9702H | |
| 봉합사 5-0 프로린 BB | 에티콘 | - | |
| 봉합 프로린 블룸 4-0 SH 36 | 에티콘 | 9706H | |
| 봉합 프로린 블룸 4-0 SH 36 | 에티콘 | - | |
| 봉합사 2.0 프로렌 블루 M SH | 에티콘 | 8522H | |
| 봉합사 2-0 프로린 블루 M SH | 에티콘 | - | |
| 봉합사 BB 4.0 프로린 | 에티콘 | 82204H | |
| 봉합사 BB 4-0 프로렌 | 에티콘 | - | |
| 텅스텐 카바이드 링 핸들 바늘 홀더 | Sinoview-med | GN01013-22K | |
| 텅스텐 카바이드 링 핸들 바늘 홀더 | Sinoview-med | GN01010-22K |