Intravenous administration of endotoxin reliably elicits dose-dependent physiological and immunological alterations consistent with several pathological states. This reductionist approach permits the investigation, modeling and experimental modification of systemic inflammation and its downstream effects in man.
L'attivazione di percorsi infiammatoria rappresenta un meccanismo centrale in diversi stati di malattia acuta e cronica. Innescato via sia patogeno o motivi molecolari dei tessuti danni associati, vie biochimiche comuni portano ad alterazioni fisiologiche e immunologiche ancora variabili conservati. Dissezione e delineazione dei determinanti e meccanismi alla base della varianza fenotipica in risposta si prevede di produrre nuovi progressi terapeutici.
Per via endovenosa (IV) la somministrazione di endotossina (gram-negativi lipopolisaccaride batterico), una specifica recettore Toll-like 4 agonisti, rappresenta un modello in vivo di infiammazione sistemica nell'uomo. Nazionale Institutes for Health Clinical Centro di Riferimento endotossina (CCRE, Escherichia coli O: 113: H10: K negativo) è impiegata per generare in modo affidabile e riproducibile vascolare, ematologiche, endocrino, effetti funzionali immunologici e organo-specifiche che, parallelamente, in varia misura,quelli osservati nelle prime fasi di stati patologici. Alterazione della dose (0,06-4 ng / kg) e il tempo-scala di esposizione (bolo vs infusione) consente la replica di una infiammazione acuta o cronica e una gamma di severità per essere raggiunta, con dosi più alte (2-4 ng / kg ) spesso utilizzato per creare uno stato di 'sepsi-like'. Fondata e composti medicinali nuovi possono inoltre essere somministrati prima o dopo l'esposizione endotossine ad apprezzare il loro effetto sulla cascata infiammatoria. Malgrado i limiti nella portata e generalizzabilità, sfida IV endotossine umano offre una piattaforma unica per acquisire conoscenze meccanicistici in risposte fisiologiche inducibili e vie infiammatorie. Razionalmente impiegato che può essere di aiuto traduzione di queste conoscenze in innovazioni terapeutiche.
L'infiammazione delle diverse eziologia, gravità e la durata costituisce una componente centrale nella patologia di malattie multiple. Che vanno dalle criticità malattia, come sepsi o un trauma in cui gravi, l'infiammazione relativamente breve durata predomina, per malattie croniche, tra cui diabete mellito tipo 2, aterosclerosi e il morbo di Alzheimer, dove il tono infiammatorio persistente basso livello è considerata un fattore patologico, vie infiammatorie sregolati sono un fattore chiave di morbilità e mortalità globale 1,2.
L'infiammazione è iniziata dalla presenza di modelli di patogeni associati molecolari (PAMPs) o modelli di pericoli associati molecolari (smorza) – Componenti comunemente intracellulari rilasciati tramite danni ai tessuti 3-5. Questi recettori conservati molecolare motivi legano modello di riconoscimento (PRR) come recettori Toll-like (TLR) si trovano sulle cellule epiteliali, cellule endoteliali e quelle dei SYS immunitario innatoTEM, per innescare comune segnalazione intracellulare a valle Percorsi di 6. L'attivazione del fattore di trascrizione nucleare fattore nucleare kB, tra l'altro, porta alla trascrizione di geni codificanti citochine pro-infiammatorie che stabiliscono la cascata infiammatoria 7.
L'infiammazione induce sia effetti locali e sistemici progettato per isolare e rimuovere l'insulto primaria. alterazioni locali includono up-regolazione di marcatori di adesione, chemochine rilascio, vasodilatazione e aumento della permeabilità vascolare per facilitare innato trasmigrazione delle cellule immunitarie. I sistemi del complemento e della coagulazione sono anche attivati. Sistemica, sono stati osservati più cambiamenti fisiologici organo-specifiche, orchestrato attraverso la rete neuroendocrina. aumenti significativi mediatori umorali si verificano e il profilo delle cellule circolanti altera radicalmente. Fallimento di infiammazione cessare e l'omeostasi essere ristabilita possono essere dovuti alla persistenza degli stimoli avvio oun fallimento della risoluzione dedicata Percorsi di 8. Questi meccanismi potenti, spesso coordinati da mediatori lipidici possono a loro volta essere patogeni 9,10.
Indagine della risposta infiammatoria e questi passaggi normativi fondamentali nella popolazione clinica è impegnativo. Demografici (età, sesso, etnia), temporale (tempo di esordio, durata dell'esposizione) e varianza clinica (tipo di stimoli avvio, la gravità di insulto, onere co-morbidità, intervento terapeutico) impedire l'accesso ai percorsi biologici fondamentali. La soluzione tradizionale è stata quella di utilizzare modelli animali. Nonostante offrendo molteplici vantaggi, la loro somiglianza fondamentale per fisiopatologia umana 11,12 e la rilevanza della loro produzione, è venuto sempre più sotto controllo 13-15. Un'alternativa è quella di impiegare modelli umani riduzioniste.
Sviluppata alla fine del 1960, per via endovenosa (IV) somministrazione di endotossina per l'uomo offre una piattaforma vitale attraverso il qualeper scoprire, delineare e vie infiammatorie potenzialmente droga 16-19. Endotossina (lipopolisaccaride utilizzato come sinonimo di [LPS] in questo articolo) è un potente agonista TLR4 che innesca la cascata infiammatoria in modo dose-dipendente. Iniettato sia come bolo o per infusione, può quindi essere utilizzato per modellare sia di basso livello e moderata infiammazione sistemica di diversa durata. La risposta infiammatoria di breve durata risultante permette la valutazione di un singolo componente del altamente complessa interazione ospite-patogeno che si sviluppa durante l'infezione batterica. Pur non essendo un modello di shock, IV sfide endotossine suscita risposte che sembrano replicare le prime fasi dell'infezione. L'eliminazione inter-specie barriere traslazionale e imitando accuratamente il fenotipo clinico qualitativamente se non quantitativamente, essa offre l'interpretazione in tempo reale delle influenze infiammatori, le conseguenze e l'opportunità di testare interventi. Endotossine può anche essere somministrato endobronchially 20, intradermica 21 o in combinazione con IV LPS 22 per esplorare risposte infiammatorie locali in diversi comparti. Meno ampiamente impiegate metodologie alternative includono l'infusione di citochine pro-infiammatorie prossimali come il fattore di necrosi tumorale α (TNF) e l'interleuchina (IL) 6 19. Questi non saranno discussi ulteriormente qui.
Come dimostrato qui e ampiamente descritto negli ultimi articoli di revisione, sfida IV endotossine umano è una piattaforma sperimentale unico permettono di approfondire le vie infiammatorie che sono alla base di una vasta gamma di malattie umane. Permettere il controllo, l'induzione riproducibile di infiammazione sistemica, il modello consente l'accesso alle fasi iniziali della cascata infiammatoria, eliminando i potenziali fattori di confondimento.
le risposte del partecipante possono essere modulati rispetto alla gravità e la durata, e l'influenza genomica sulla loro presentazione fenotipica valutati. Inoltre, il modello può agire come un banco di prova per terapie, non solo quelli contro il ligando LPS in sé, ma LPS-indotta percorsi e mediatori di entrambe le fasi acute e risoluzione di infiammazione di segnalazione. Questo può includere agenti mirati al ripristino della tolleranza endotossine, uno stato iporensponsivo del sistema immunitario che porta somiglianze con malattia critica-induced immunoparalisi 33,34 in grado di replicare le caratteristiche principali di entrambi acuta e cronica 16 27 infiammazione non solo a livello fisiologico / funzionale, ma anche un trascrittomica un 35, IV sfida endotossine ha apparentemente un ruolo chiave da svolgere nella traduzione di scoperte scientifiche di base nella pratica clinica. Quando accoppiato ad indagine diretta in modelli animali adeguati in grado di replicare più da vicino le risposte fisiopatologiche di specifici stati di malattia (ad esempio, murino legatura del cieco e la puntura e sepsi) questo paradigma sperimentale può essere particolarmente potente.
Sicurezza dei partecipanti in qualsiasi modello di volontariato umano sano è fondamentale. Sfida IV endotossine è stato somministrato nell'intervallo di dose più alta di 2 – 4 ng / kg a migliaia di individui con, al nostro ed altri autori della conoscenza, senza eventi avversi gravi o permanenti (comunicazione personale, il dottor Anthony Suffredini) 19. di none tuttavia isolati conti di reazioni vagali gravi sono state riportate 36,37. L'eziologia rappresenta presumibilmente tono alto di riposo vagale, ipovolemia dopo il digiuno durante la notte, e il rilascio di catecolamine con l'insorgenza di febbre, brividi e sintomi, che si conclude con un esagerato riflesso di Bezold-Jarisch. Questo rischio può essere migliorata, escludendo le persone con precedenti syncopy vasovagale o un tilt-test positivo, e il volume di carico con fluidi per via endovenosa prima e durante la sfida endotossine 37. I ricercatori che impiegano alte dosi di endotossine sfida (soprattutto 4 ng / kg) deve essere convincente del rischio di bradicardia e / o mettere in pausa cardiaci, avvertono i partecipanti della loro rara ma il potenziale verificarsi, impiegare un adeguato monitoraggio, e disporre di attrezzature di rianimazione prontamente disponibili. Altri criteri di esclusione, in aggiunta a quelli descritti nel protocollo, possono essere richiesti dipendono domanda sperimentale. Per esempio, mentre è prudente escludere quelli che hanno participated in altri studi clinici o sperimentato la chirurgia / traumi negli ultimi tre mesi, la restrizione di ingresso (o l'uso di un parallelo-gruppi non un disegno cross-over negli studi interventistici) per coloro che hanno già partecipato ad prove sfida IV endotossine possono anche essere necessario se la risposta immunologica deve essere valutata: tolleranza endotossina persistere per un periodo di tempo indeterminato in vivo 38,39.
Diversi limiti sono evidenti con il modello. E 'tradizionalmente svolta in buona salute, i giovani volontari di sesso maschile non-rappresentativo della popolazione clinica. Non interventi sono necessari per le conseguenze fenotipiche della somministrazione di endotossina da risolvere. iniezione purificata LPS fornisce un'esposizione ad un singolo ligando TLR, e non diverse porzioni immunogeniche su un patogeno vivo. Per necessità etica solo una risposta infiammatoria relativamente modesto può essere suscitato. Mimicry di ogni caratteristica fisiopatologica di disease non è raggiunto 40. Così 'ogni aspettativa che il modello di replica completamente le condizioni cliniche di infezione grave, localizzata o sistemica gram-negativo è non-garantito' 18.
Vorremmo obiettare, tuttavia, che la forza del modello non risiede nella estrapolazione inadeguato al contesto clinico, ma nel interrogando il fisiologico, ematologiche, immunologiche, neuroendocrino e la risposta metabolica delle cellule competenti e sistemi di organi a uno stimolo infiammatorio chiave. interpretazione Riflessivo delle alterazioni transitorie provocato dalla somministrazione endotossine e loro modulazione da sfida farmacologica è stata e continuerà ad essere, informativo nella progettazione di nuove terapie e prevedere la loro efficacia.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr. Anthony Suffredini (Critical Care Medicine Department, National Institutes for Health Clinical Center, Bethesda, USA) for his careful review of the manuscript and many thoughtful suggestions. We would also like to thank the National Institutes of Health for making freely available the Clinical Center Reference Endotoxin employed within this study.
JNF and DWG are funded by the Wellcome Trust, which supported the generation of the described data and the publication of this article.
Clinical Center Reference Endotoxin (CCRE, Escherichia coli O:113:H10:K negative) | National Institutes for Health | n/a | GMP Manufactured Endotoxin |
Syringes (1ml, 5ml) | |||
Water for injection | |||
0.9% sodium chloide (sterile, clinical grade) | |||
Intravenous cannulae | Miminum 20G French | ||
Sphygmomanometer | If intraarterial line placed, transduction equipment for invasive blood pressure monitoring | ||
Pulse oximeter | |||
Thermometer | Typmanic, oral or core (rectal, oropharyngeal) | ||
Electrocardiograph machine | |||
Sample collection tubes | As utilized by local clinical laboratory |