Early stage hemodynamic dysfunction is critical to the development of kidney disease. Yet, detection methodologies are limited. Recent advances in sonography provide a noninvasive, accurate option for early detection of kidney injury. This study outlines a step-by-step, sonographic methodology for detecting kidney dysfunction using a drug-induced nephrotoxicity rat model.
Njuren fungerar normalt för att upprätthålla hemodynamisk homeostas och är en viktig plats för skador orsakade av läkemedelstoxicitet. Läkemedelsinducerad nefrotoxicitet beräknas bidra till 19- 25% av alla kliniska fall av akut njursvikt (AKI) i kritiskt sjuka patienter. AKI upptäckt har historiskt förlitat sig på statistik som serumkreatinin (SCR) eller urea (BUN) som bevisligen otillräckliga i fullständig bedömning av nefrotoxicitet i den tidiga fasen av nedsatt njurfunktion. För närvarande finns det ingen robust diagnostisk metod för att noggrant detektera hemodynamiska förändring i den tidiga fasen av AKI medan sådana förändringar kan faktiskt före ökningen av serum biomarkörer nivåer. En sådan tidig upptäckt kan hjälpa kliniker göra en korrekt diagnos och hjälp i i beslutsfattandet för terapeutisk strategi. Råttor behandlades med Cisplatin att inducera AKI. Nefrotoxicitet bedömdes i sex dagar med hjälp av högfrekvent ultraljud, scr mätning och på histopatologi avnjure. Hemodynamiska utvärdering med 2D och färg-Doppler bilder användes för att seriellt studera nefrotoxicitet hos råttor med hjälp av ultraljud. Våra data visade framgångsrik läkemedelsinducerad njurskada hos vuxna råttor genom histologisk undersökning. Färg-Doppler baserat sonografisk bedömning av AKI indikerade att resistiv-index (RI) och pulserande-index (PI) ökades i behandlingsgruppen; och topp-systoliska hastighet (mm / s), slut diastoliskt hastighet (mm / s) och hastighetstidsintegral (VTI, mm) minskade i njurartärerna i samma grupp. Viktigare är att dessa hemodynamiska förändringar utvärderas av ultraljud föregick uppkomsten av SCR nivåer. Sonography baserade index som RI eller PI kan därför vara användbara prediktiva markörer för njurfunktion hos gnagare. Från våra ultraljud baserade observationer i njurarna hos råttor som genomgick AKI, visade vi att dessa icke-invasiva hemodynamiska mätningar kan betrakta som en noggrann, känslig och robust metod för att upptäcka tidigt stadium njursvikt. Thans studie understryker också vikten av etiska frågor i samband med användning av djur i forskning.
Serumkreatinin (SCR) har varit den gyllene standarden metriska att bedöma njurfunktion för mer än två decennier. Nyligen har många studier rapporterat att njurskada inträffar mycket tidigare än de förändringar i SCR 1. Det finns emellertid inga robusta metoder för detektion av hemodynamiska förändringar som sker tidigt under loppet av njurskada inklusive läkemedelsinducerad nefrotoxicitet.
Läkemedelsinducerad akut renal hemodynamisk dysfunktion leder till njurvävnadsskada och ytterligare progression till njursvikt 2,3. Under de senaste två decennierna, studier tyder på att avbildningsverktyg såsom datortomografi (CAT), funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) och ultraljud spela en roll i hemodynamiska bedömning 4. I den aktuella bildframställning, gråskala ultraljud i kombination med färg-Doppler teknik, är det oftast för att fastställa och bedöma anatomiska statusen hos njure 3,5,6. Sullivan et. al., och Bonnin et. al. rapporterade nyligen att ultraljud är en effektiv, kraftfull och icke-invasiv verktyg i analys hemodynamiska förändringar i vasokonstriktion och hypoxi spänningsdjurmodeller 7,8. Denna teknik är också ofta används för att detektera artär stenos 9,10.
Senaste tekniska framstegen inom området för hög upplösning ultraljud har tillåtit forskare att ta itu med kardiovaskulär toxicitet med hjälp av högfrekvent (25-80 MHz) och hög upplösning (<0,03 mm upplösning) sonder, in vivo 11. Vår hypotes är att med hjälp av denna höga upplösning ultraljud för att studera njure kommer att ge ett unikt tillfälle för en icke-invasiv och känslig metod för tidig upptäckt av nefrotoxicitet.
Cisplatin används för att behandla testikel-, äggstocks-, urinblåsa, huvud, lunga, och halscancer i kombination med andra läkemedel 12-14. Cisplatin har hade väldokumenterad nefrotoxicitet på grund av cell nekros proximal tubuli (PT) och samla kanaler resulterade i stigande urea (BUN) och SCR 15. Häri ger vi en detaljerad steg-för-steg metoder för användning av icke-invasiv renal ultraljud för att karakterisera nedsatt njurfunktion med hjälp av råttmodell av drogen (cisplatin) -inducerad nefrotoxicitet.
Under det senaste decenniet har många framsteg skett i sonografisk teknik, inklusive utveckling av högfrekventa mekaniska sonder, som erbjuder sonografisk data med hög kvalitet, känslighet och precision. Dessa prober kan ge ungefär 50 ^ m axiell upplösning vid ett penetrationsdjup på 5 till 12 mm och hög bildhastighet (större än 200 ram / sec), vilket således det kan användas som ett kraftfullt verktyg för att studera små djur, såsom råttor och möss 18, 19. Dessutom gör det också för att samla in sonografisk bilder på lätt sederade eller medvetna djur med vitala på fysiologiska nivåer. Dessutom ger denna icke-invasiv modalitet också möjlighet att utföra längsgående bedömning av strukturella och funktionella förändringar under sjukdomsprogression utan att offra djur 19.
År 1959, Dr.. Rusell och Brush beskrivs först de tre "R" regler (Replacement, Reduction, och förfining) för att höja awareness av etiska frågor i djuranvändning i forskning. Det föreslagna protokollet visar för första gången att icke-invasivt litet djur ultraljud kan utnyttjar minimalt antal djur i minst smärta, lidande eller ångest i Nephorotoxicity studie. Därför är det en potentiell effektiv modalitet att uppfylla de tre "R" regler för försöksdjur.
Många sonografisk studier har fokuserat på hjärt tillämpningar; bedömningar njurfunktionen ofta härrör från mätningar av hjärtstatus snarare än en direkt undersökning av njure 20-25. Vi har etablerat en bild metod för att visualisera anatomiska och funktionella förändringar i njure i realtid. Vi använde en förvald uppsättning kompletterande akustiska fönster, gråskalelläge / B och färg-Doppler, specifika för njur vy. Vi använde RI och PI index för att utvärdera sambandet mellan dessa index och förändringar av njurfunktionen i cisplatin-inducerad toxicitet modellen.
<p class="Jove_content"> Det finns dock några problem och begränsningar av de föreslagna avbildningsmetoder enligt följande: 1) lämpligt val av anestesimedel och graden av narkos är avgörande för hjärt- och andnings stabilitet. Inkonsekvent fysiologiska fenomen (inklusive respiratoriska och hjärtförändringar) påverkar njurartärflöde, kvalitet imaging och njurfunktion bedömning. Vi kommer att använda IACUC godkända injicerbara bedövningsmedel, pentobarbital (50 mg / kg kroppsvikt, ip), som vår backup anestesimedel för att säkerställa korrekt normal fysiologisk funktion under avbildning och njurfunktion bedömningen; 2) Hårborttagning är ett kritiskt steg, eftersom närvaron av brösthår påverkar kvaliteten på de sonografisk bilder; 3) Medan ultraljud av njurarna är relativt enkelt för en utbildad operatör; för den genomsnittliga föraren, är det viktigt att anpassa tekniken till enskilt djur unika anatomi och göra mindre manipulationer; 4) Om storleken på råttor är ganska stor (över 350 gram), en lägre frekvens sond (mindre än användes i denna studie 21 MHz) kan behövas för optimal avbildning. Det kan vara klokt att ta en kurs innan den föreslagna transaktionen av avbildningssystemet.Det nya i att upptäcka drog nefrotoxicitet med den föreslagna sonografisk metodik och härledda protokoll är dess tidiga robust detektering av hemodynamiska förändringar i händelse av njurskada. Tyder resultaten på att de intra-renala vaskulära hemodynamiska förändringar i själva verket föregå den stigande SCR. Dessa data jämföras med den konventionella guldmyntfoten med hjälp av histologisk analys och visar att små djur ultraljud är en icke-invasiv, känslig och reproducerbar modalitet, som har minimal krav på djur. Det är därför ett effektivt verktyg för tidig upptäckt av läkemedelsinducerad nefrotoxicitet använder råttmodell.
The authors have nothing to disclose.
We thank Fred Roberts for exemplary technical support. We thank Brigham Women’s Hospital Cardiovascular Physiology Core for providing with the instrumentation and the funds for this work. This work was supported in part by NHLBI grants HL093148, HL086967, and Departmental Funds from (SUNDRY).
Depilatory cream | Miltex, Inc. | Surgi-Prep | Apply 24 hours prior to imaging |
cis-Diamineplatinum(II) dichloride | Sigma | 479306 | To induce acute kidney injury at small animals. |
Isoflurane | Baxter International Inc. | NDC 10019-773-40 | 2-3% for induction, and 1-1.5 % for maintenance; heart beats will be maintained at above 500 beats per minute |
Table of equipments | |||
Material Name | Company | Catalogue Number | Comments |
High Frequency Ultrasound | FUJIFILM VisualSonics, Inc. | Vevo 2100 | |
High-frequency Mechanical Transducer | FUJIFILM VisualSonics, Inc. | MS250, MS550D, MS400 | |