Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Intravenøs Endotoksin Challenge i raske mennesker: en eksperimentel platform til Undersøge og modulerer systemisk inflammation

Published: May 16, 2016 doi: 10.3791/53913
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Centre for Clinical Pharmacology, Division of Medicine, University College London

Abstract

Aktivering af inflammatoriske pathways repræsenterer en central mekanisme i multiple sygdomstilstande både akutte og kroniske. Udløst via enten patogen eller vævsskade-associerede molekylære motiver, fælles biokemiske veje fører til konserverede endnu variable fysiologiske og immunologiske ændringer. Dissektion og afgrænsning af de determinanter og mekanismerne bag fænotypisk varians som reaktion forventes at give nye terapeutiske fremskridt.

Intravenøs (IV) indgivelse af endotoksin (gramnegativ bakteriel lipopolysaccharid), en specifik Toll-lignende receptor 4 agonist, betegner en in vivo-model af systemisk inflammation hos mennesker. National Institutes for Health Klinisk center reference Endotoxin (CCRE, Escherichia coli O: 113: H10: K negativ) er ansat til pålideligt og reproducerbart generere vaskulær, hæmatologiske, endokrine, immunologiske og organspecifikke funktionelle effekter, parallelt, i varierende grad,dem, der ses i de tidlige stadier af patologiske tilstande. Ændring af dosis (0,06-4 ng / kg) og tidsplan for eksponering (bolus versus infusion) tillader replikation af enten akut eller kronisk inflammation og en række strenge til at blive fremkaldt, med højere doser (2 - 4 ng / kg ) ofte bliver brugt til at skabe en "sepsis-lignende" tilstand. Etablerede og nye medicinske forbindelser kan desuden administreres før eller efter endotoksin eksponering til at værdsætte deres effekt på inflammatoriske kaskade. På trods af begrænsninger i omfang og generaliserbarhed, menneskelig IV endotoksin udfordring tilbyder en unik platform for at få mekanistiske indsigt i inducerbare fysiologiske reaktioner og inflammatoriske veje. Rationelt ansat det kan støtte oversættelse af denne viden til terapeutiske nyskabelser.

Introduction

Inflammation af forskellige ætiologi, sværhedsgrad og varighed udgør en central komponent i patologien af ​​flere sygdomme. Lige fra de kritisk sygdom stater som sepsis eller traume, hvor alvorlig, relativt kortvarig betændelse fremherskende, til kroniske sygdomme, herunder type 2 diabetes mellitus, åreforkalkning og Alzheimers sygdom, hvor vedvarende lavt niveau inflammatorisk tone betragtes som en patologisk faktor, dysregulerede inflammatoriske veje er en vigtig drivkraft for den globale sygelighed og dødelighed 1,2.

Inflammation initieres ved tilstedeværelsen af patogen-associeret molekylære mønstre (PAMPs) eller fare-associeret molekylære mønstre (dæmper) - almindeligt intracellulære komponenter frigivet via vævsskader 3-5. Disse bevarede mønster-genkendelse receptorer (PRRS) molekylær motiver binder såsom Toll-lignende receptorer (TLRs) findes på epitelceller, endotelceller og de medfødte immunforsvar sysTEM, at udløse fælles nedstrøms intracellulære signalveje 6. Aktivering af den nukleare transskriptionsfaktor nuklear faktor KB bl.a. fører til transkription af gener, der koder pro-inflammatoriske cytokiner, der etablerer den inflammatoriske kaskade 7.

Inflammation inducerer både lokale og systemiske virkninger beregnet til at isolere og fjerne den primære fornærmelse. Lokale ændringer omfatter opregulering af friktion markører, kemokin frigivelse, vasodilation og forøget vaskulær permeabilitet at lette medfødte immuncelle transmigration. Supplement og koagulations systemer er også aktiveret. Systemisk, observeres flere organspecifikke fysiologiske ændringer, orkestreret via neuroendokrine netværk. Betydelige stigninger i humorale mediatorer forekomme, og det cirkulerende celle profilen ændrer sig radikalt. Svigt i betændelse at ophøre og homeostase skal genetableres kan skyldes vedvarende den initiativtagende stimuli elleren fejl i dedikeret opløsning veje 8. Disse potente mekanismer, ofte koordineres af lipide mediatorer kan selv være patogene 9,10.

Undersøgelse af det inflammatoriske respons, og disse vigtige lovgivningsmæssige skridt i den kliniske population er udfordrende. Demografisk (alder, køn, etnicitet), tidsmæssig (tidspunktet for indtræden, varighed af eksponering) og klinisk varians (type initierende stimuli, sværhedsgraden af ​​fornærmelse, co-morbiditet byrde, terapeutisk intervention) hindrer adgang til de vigtigste biologiske veje. Den traditionelle løsning har været at anvende dyremodeller. Trods giver flere fordele, deres grundlæggende lighed med human patofysiologi 11,12 og relevansen af deres produktion, er kommet under stigende kontrol 13-15. Et alternativ er at anvende reduktionistiske menneskelige modeller.

Udviklet i slutningen af ​​1960'erne, intravenøs (IV) endotoxin administration til mennesket tilbyder en vital platform, hvorigennemat opdage, afgrænse og potentielt narkotika inflammatoriske veje 16-19. Endotoksin (anvendes synonymt med lipopolysaccharid [LPS] i denne artikel) er en potent TLR4 agonist, der udløser den inflammatoriske kaskade på en dosis-afhængig måde. Injiceres som enten en bolus eller infusion, kan således anvendes til at modellere både lavt niveau og moderat systemisk inflammation af forskellig varighed. Det resulterende kortvarig inflammatoriske respons muliggør vurdering af en enkelt komponent af den meget komplicerede værtspatogene interaktion, der udvikler sig i løbet bakterieinfektion. Mens ikke en model af chok, IV endotoksin udfordringer fremkalder reaktioner, der synes at replikere de tidlige stadier af infektion. Eliminering inter-arter translationelle barrierer og præcist at efterligne den kliniske fænotype kvalitativt hvis ikke kvantitativt, det giver real-time fortolkning af inflammatoriske påvirkninger, konsekvenser og mulighed for at afprøve interventioner. Endotoksin kan også indgives endobronchially 20, intradermal 21 eller i kombination med IV LPS 22 for at udforske de lokale inflammatoriske reaktioner i forskellige rum. Mindre almindeligt anvendt alternative metoder omfatter infusion af proksimale pro-inflammatoriske cytokiner, såsom tumornekrosefaktor α (TNFa) og interleukin (IL) 6 19. Disse vil ikke blive behandlet yderligere her.

Protocol

University College London REC (UK) godkendte undersøgelsen, der genererede data præsenteret i afsnittet repræsentative resultater (reference 5060/001).

ETISK GODKENDELSE:

De fleste undersøgelser med anvendelse af IV endotoksin udfordringer er blevet udført hos raske forsøgspersoner. Da denne forskning har nogen sundhedsmæssige fordele, bør betydningen af ​​målene undersøgelsens klart opvejer eventuelle iboende risici. Dette er af betydning ved interaktioner med hidtil ukendte midler anvendes til at modificere inflammation og som har et potentiale til at overdrive værtsresponser på endotoksin (f.eks, feber, ændringer i blodtryk, symptomer).

Forud for påbegyndelsen af ​​en undersøgelse, der anvender IV endotoksin, skal der søges og opnås fra et passende Research Ethics Committee (REC) / Institutional Review Board (IRB) godkendelse. IV endotoxin administration har været ansat i over fyrre år at få vigtige mechanistic indsigter i humanbiologi uden alvorlige eller varige skadelige virkninger på vores eller andre forfatterens, viden 19. I betragtning af modellens potentiale til at give vigtige oplysninger vedrørende flere inflammatoriske tilstande, der er vigtige årsager til dødelighed og sygelighed, mener vi, det er etisk acceptabelt at udsætte raske frivillige og definerede demografiske eller kliniske grupper endotoksin, forudsat strategier passende risikominimeringsaktiviteter er på plads. Dette kan kræve uafhængig uden gennemgang af kvalificerede eksperter og eller pilotundersøgelser for at sikre sikker gennemførelse af undersøgelserne, især når der anvendes nye agenter og deres interaktion med endotoxin- induceret inflammation.

Forberedelse

1. Bestem den demografiske og kliniske karakteristika Deltagere

BEMÆRK: De fleste studier beskæftiger IV endotoksin udfordring rekruttere raske unge frivillige mænd <30 år gamle. Studerne har desuden blevet foretaget på raske kvinder 23, ældre frivillige 24,25 og patientforeninger undergrupper 26 afhængigt af den eksperimentelle spørgsmål. Ældre deltagere (dvs. mere end 60 år) kan have en større og mere vedvarende respons (højere feber, større fald i blodtrykket), og interaktioner af endotoksin-induceret inflammation med eventuelle følgesygdomme eller medicin skal ses i udformningen af ​​disse undersøgelser. Se diskussionen for yderligere overvejelser i deltager valg.

2. Ansætte Deltagere

  1. Arranger passende reklame efter behov.
    BEMÆRK: Finansiel kompensation for deltagerens tid og besvær er almindeligt tilbydes. Dette skal etableres forud for rekruttering og godkendt af en REC / IRB.
  2. Udsted en REC / IRB godkendt Deltager indlægssedlen (PIL) der forklarer karakteren af ​​undersøgelsen, et overblik overprotokol, forventede bivirkninger, og risici forbundet med IV endotoksin til respondenter, der opfylder inklusionskriterier.
    BEMÆRK: Denne skal udstedes før samtykke til at tillade en informeret beslutning, der skal foretages for at deltage og for eventuelle spørgsmål eller bekymringer, der skal behandles af forskeren.

3. Få Formel informeret samtykke

  1. Få skriftligt samtykke fra alle deltagere forud for virksomheden nogen undersøgelse-relaterede procedure, herunder sundhed screening.
  2. Søge verbal bekræftelse af deltageren fastholdelse og forståelse af oplysningerne i indlægssedlen.
  3. Diskuter bivirkninger af IV endotoxin administration.
    BEMÆRK: Ved højere doser (2 - 4 ng / kg) disse omfatter rigor (kulderystelser), hovedpine, fotofobi, myalgi, artralgi, kvalme og sjældent opkastning. Peak symptom intensitet opstår omkring 1 - 2 ud timer efter injektion, bagefter aftage til baseline ved 6 - 8 timer. Ingen alvorlige eller vedvarende negativ effects sekundært til endotoksin ved disse doser er blevet rapporteret. Sjældent, kan en frivillig finde graden af ​​symptomer uacceptable i højden af ​​svaret. Symptomerne kan lindres med administration af paracetamol / acetaminophen eller non-steroider gennem munden eller IV (f.eks aspirin, ibuprofen). Sådanne midler kan ændre det inflammatoriske respons og registreres deres anvendelse.
  4. Re-bekræfter evne deltagere at trække sig fra undersøgelsen på noget tidspunkt uden at give en forklaring.

4. Foretage et Sundhed Screen 'på potentielle deltagere

BEMÆRK: Dette er for at sikre fraværet af frigivet medicinske tilstande, der placerer dem i større risiko for skader fra IV endotoksin. Som en sekundær mål relevante oplysninger om eksperimentelle spørgsmål, kan identificeres.

  1. Identificer et passende klinisk miljø og en passende uddannet læge til at foretage sundhed skærmen. </ Li>
  2. Tag en fuld klinisk historie, herunder tidligere medicinske og sociale historier, fortid og løbende medicin / behandlinger, roman helsekost eller over skranken lægemidler, allergi status og en undersøgelse af forekomsten af ​​aktuelle symptomer, som kan tyde nye eller nylig sygdom.
  3. Udfør en formel klinisk undersøgelse af, som minimum, det kardiovaskulære og respiratoriske system.
  4. Arranger og revision centrale undersøgelser, herunder rutinemæssige observationer (vægt, puls, blodtryk, respirationsfrekvens, oxygenmætninger, temperatur), blod arbejde (fuld blodtælling, nyre-, lever- og koagulation funktionelle tests), og 12-lead elektrokardiogram.
    BEMÆRK: Yderligere tests kan være påkrævet i henhold til forsøgsprotokollen.
  5. Har deltagerne ubemærket historie, undersøgelse og efterforskning videre til IV endotoksin udfordring, afhængig af REC / IRB-godkendte kriterier inklusion / eksklusion.
    BEMÆRK: Det is bedste praksis for nyligt fundne symptomer, tegn eller abnormaliteter, der skal indberettes til og undersøgt af deltagerens rutinemæssige læge. Disse personer bør udelukkes, før nogen bekymring er blevet behørigt behandlet.

5. Informere Deltagere fortsætter til IV Endotoksin Challenge til;

  1. Informer undersøgeren af ​​nye symptomer eller sygdom.
    BEMÆRK: Dette vil normalt udelukke deres indtræden i undersøgelsen.
  2. Spørg deltagerne ankommer til en på forhånd angivet tid og sted. Rådgive deltagerne til at bære behageligt tøj og bringe underholdning.
  3. Spørg deltagerne at faste fra midnat (klare væsker tilladt).
  4. Spørg deltagerne til at afstå fra alkohol og koffein i 24 timer inden injektion og / eller en foruddefineret periode bagefter (valgfri og afhængig protokol).

Procedure

6. Endotoxin Challenge(Forud for administration af endotoksin)

  1. Forbered en seng med hovedet ved 45 °.
    BEMÆRK: Sørg for dette er placeret på et passende sted at få klinisk bistand og genoplivningsudstyr. For eksempel kan en Clinical Research Facility, anæstetisk rum eller intensiv afdeling.
  2. Sikre den nødvendige kliniske og eksperimentelle udstyr er tilgængelig og velfungerende.
    BEMÆRK: Dette omfatter en blodtryksmåler, termometer, pulsoximeter og hvis er ansat, 3-lead hjertemonitorering. Kontroller fuldstændigheden af ​​lokal genoplivningsudstyr og tilgængelighed af ilt.
  3. Opløs Clinical center reference Endotoxin
    1. Der tilsættes 5 ml sterilt vand til injektion, USP (SWI) til en tidligere un-rekonstituerede hætteglas med CCRE hjælp fuld aseptisk non-touch teknik (ANTT) hele vejen igennem. Hætteglas indeholder 10.000 endotoksinenheder (EU) (ca. 1 ug) i form af et hvidt, lyofiliseret pulver.
    2. Placer hætteglasset of CCRE med 5 ml SWI tilføjet på en vortex-ryster i 1 time for at sikre endotoksin klæbende til glasoverfladen i hætteglasset er helt opløst.
      BEMÆRK: CCRE ikke går i opløsning let, trods synes at have fuldt opløst.
    3. Tegn den korrekte vægt-justeret volumen af ​​endotoksin (nu 2.000 EU / ml eller ca. 200 ng / ml) i en 1 ml sprøjte.
      BEMÆRK: Brug glas eller polypropylen sprøjter for at minimere vedhæftning (og tab) af endotoksin til udstyr.
  4. Deltager
    1. Bekræft samtykke til at gå videre med IV endotoxin administration. Forhør om ny sygdom, symptomer og overholdelse af protokol specifikke instruktioner.
      BEMÆRK: Hvis der er medicinsk bekymring eller manglende overholdelse endotoksin, forsinke administration.
    2. Spørg deltageren til at ligge i den forberedte sengen, hvilket bekræfter de er komfortable. Sikre, at de har annulleret blære og tarm.
  5. Opnå vaskulær adgang. Sæt en intravenøs kanyle under ANTT for administrationen af ​​endotoksin, og hvis inkluderet i protokollen, intravenøs væske.
  6. Placer en anden intravaskulær linje for den igangværende blodprøve for at undgå gentagne venøs stab. Indsæt dette intravenøst ​​og oprette forbindelse til en 3-vejs hane (med eller uden en udvidelse) for at lette blod uafgjort og rødmen.
    BEMÆRK: Alternativt til kontinuerlig blodtryk overvågning og prøve erhvervelse, stedet en intra-arteriel linje. Det kræver større ekspertise til indføring og der er en øget risiko for lokale komplikationer.
    1. For igangværende blodprøve ved hjælp intravenøs kanyle, bruge en 18 gauge eller større boring kanyle sammen med en placering i antecubital fossa at undgå hæmolyse og koagulation. IV-væske administration vil hjælpe til at bevare åbenhed.
      BEMÆRK: Valg af intravaskulær kanyle indsættelse type og site skal ske i henhold til individuel praktiserende læge og deltager preference. Intra-arterielle linjer er traditionelt placeret i den radiale eller femorale arterie med forudgående instillation af lokalbedøvelse (f.eks, 1% lidocain).
  7. Tegn blod til baseline test ved indsættelse af enten den første eller anden linie. Kassér de første 5 ml blod (optager dead-space i kanylen og stik) forud for opnåelse af blod til prøveudtagning. Skyl linje med 10 ml 0,9% natriumklorid efter blod uafgjort.
    BEMÆRK: Volumenet af blod udtaget og håndtering af prøverne vil blive bestemt af den eksperimentelle protokol og lokale laboratorieprocedurer.
  8. Vedhæft klinisk monitorering er relevant (f.eks 3-lead hjertemonitorering er normalt ansat med højere dosis udfordrer 2 - 4 ng / kg).
  9. Optag baseline rutinemæssige kliniske observationer som angivet i 4.4 på en passende livstegn diagram. Subjektiv symptom scoring (f.eks bruge visuelle analoge scorer for hovedpine, muskelsmerter,osv.) bør derudover udføres for at overvåge deltageren oplevelse.
  • endotoxin administration
    1. Gennemskylles iv kanyle med 0,9% natriumchlorid for at sikre kanylen er korrekt placeret og patent.
    2. Indgiv forberedte, vægt-justeret dosis af rekonstitueret CCRE via samme intravenøse kanyle. Sprøjt bolus (<2 min) dosis ind i en 3-vejs hane i centrum af den drop.
    3. Skyl med 10 ml 0,9% natriumchlorid for at sikre alle CCRE kommer ind i cirkulationen.
      BEMÆRK: at administrere et kontinuerlige infusioner injicere endotoksin i et kendt volumen af fortyndingsmiddel, fx 100 ml 0,9% natriumchlorid til opnåelse af en forudbestemt koncentration, og gennemtrænge den resulterende opløsning ved et sæt sats (volumen / tid).

    • 7. Overvågning, Observation og Sample Draw

    1. Monitor deltagere gennemgår IV endotoxin i mindst 6 timer efter bolus gøresynge eller for varigheden af ​​en infusion. Har en kvalificeret, erfaren kliniker udføre dette trin.
    2. Optag og anmeldelse vitale tegn og kliniske observationer ved et minimum på en gang / time. Løbende overvågning såsom 3-lead hjertemonitorering kan desuden blive gennemført.
      BEMÆRK: Efterforskere bør bemærke, at ved højere bolusdoser (2 - 4 ng / kg) vasovagale reaktioner kan fremprovokere hjerte-pauser. Disse er hyppigste 30 min til 2 timer efter injektion og er ikke ondartet (se diskussionen for yderligere detaljer).
    3. Foretage subjektive symptom scoring skøn investigator.
    4. Administrere 2 - 3 i l krystalloid (fx 0,9% natriumchlorid eller Hartmanns opløsning) over 6 - 8 timer efter bolus indgift af 2 - 4 ng / kg.
      BEMÆRK: Der findes ingen acceptabel standard for administration af de ovennævnte væsker. Sikkerhed af deltagere er altafgørende. Dette tilvejebringer rutinemæssig vedligeholdelse væske og volumen replacement (for perioden holdt nul gennem munden og øget umærkelige tab som følge af forhøjet kropstemperatur og respirationsfrekvens). De kan også imødegå risikoen for hjertearytmier (se diskussionen).
    5. Opnå forud fastsatte prøver, der kræves for at besvare den eksperimentelle spørgsmål.
      Bemærk: Disse traditionelt indbefatter, men er ikke begrænset til, blod og urin. Timingen, antallet og omfanget af prøver bør være det nødvendige minimum for at opnå nøjagtige data og er blevet godkendt af REC / IRB. Hyppigere prøveudtagning kan være nødvendig på bestemte tidspunkter (f.eks hver 30 min) for at sikre top (eller trug) værdier er ikke savnet. Beregninger af blodvolumen taget skal redegøre for blod kasseres under tilbagetrækning af dødt rum.
    6. Procesprøver efter behov.

    8. Slut på Procedure

    1. Har den behandlende kliniker sikre, at deltagerens symptomer er afviklet, og at deres observationer er Trendvisning tilnormal (alle ændrede parametre, f.eks forhøjet hjertefrekvens og temperatur, viser konsekvent reduktion mod baseline-værdier) forud for straffe i slutningen af observation og efterfølgende udledning.
      BEMÆRK: Efter bolusinjektion af 2 - 4 ng / kg CCRE symptomer normalt fuldt aftage med 6 - 8 timer. Individuelle observationer følger overlappende, men diskrete tidspunkter kurser. Disse har normalt vendt tilbage til baseline med 10 - 12 timer. Kontinuerlig infusion kræver en længere observationsperiode som symptomer og vitale tegn vil ikke stilne umiddelbart efter ophør af endotoxin administration.
    2. Fjern alt overvågningsudstyr og intravaskulære linjer sikrer hæmostase.
    3. Bekræft deltageren er glad for at vende hjem og har kontaktoplysninger på investigator i tilfælde af bekymring.
      BEMÆRK: Det anses for god praksis at kontakte deltageren den følgende dag for at kontrollere deres sundhedstilstand og overvåge for enhver mén.

    Representative Results

    De forskellige, multi-systemet konsekvenser af IV endotoxin administration er for nylig blevet grundigt revideret og vil ikke blive diskuteret i fuld her (for detaljer se 17-19,27). I stedet en kort oversigt over området og anvendelighed af modellen vil blive leveret sammen med primære data vedrørende den klassiske bolus-dosering (2 ng / kg). Et skematisk diagram, der illustrerer tidslinjen af et sådant eksperiment er tilvejebragt i figur 1.

    figur 1
    Figur 1:. Repræsentant Skematisk af Bolus IV Endotoksin Challenge protokollen Efter ankomsten, deltagers samtykke til at fortsætte skal bekræftes sammen med deres sundhedstilstand og protokol overholdelse (faste, alkohol afståelse, etc.). Efter indsættelse af intravaskulære linjer, attachment overvågning og indsamling af baseline kliniske observationer og prøver, en vægt-justeret dosis af rekonstitueret CCRE administreres. Klinisk monitorering for minimum af 6 - 8 timers obligatorisk. Prøver, mest almindeligt blod, kan tages på forudvalgte tidspunkter. Krystalloid intravenøse væsker er almindeligt givet, i dette tilfælde en L over 2 timer efterfulgt af en L over 6 timer. Klik her for at se en større version af dette tal.

    Virkningen af IV endotoksin er afhængig af den valgte dosis og indgivelsesmåde (bolus versus infusion). En bolus på 2 - 4 ng / kg pålideligt fremkalder funktionerne i systemisk inflammatorisk respons syndrom med hævet kernetemperatur, hjertefrekvens og hvide blodlegemer (WBC) 16. Dette er ledsaget af tilstedeværelsen af ​​humorale mediatorer af inflammation, herunder pro og anti-inflammatoriske cytokiner, akutfase proteiner (såsom C-reaktivt protein) (se figur 2 og 3) og aktivering af hypothalamus-hypofyse-aksen 28 og både pro-coagulatory og fibrinolytiske systemer 29. Metabolisme i både centrale og perifere væv ændres og flere organspecifikke funktionelle ændringer fremkaldte 19,30. Deltagerne opleve en bred vifte af 'influenzalignende symptomer som top i intensitet omkring 1 - 2 ud hr og stort set aftage med 6 timer (se figur 4). Bolus "højdosis" protokol inducerer en kvalitativt konsekvent, men kvantitativt variabel reaktion i frivillige 31.

    Figur 2
    Figur 2: Klinisk Observation Profil Ændring i vitale tegn efter bolus administration af Clinical center reference Endotoxin 2 n.g / kg (median med IQR, n = 10). Respirationsfrekvens (RR, åndedrag per min, A), puls (slag pr min, B), systolisk blodtryk (SBP, mmHg, C) og temperatur (° C, via tympaniske termometer, D) vises. SBP ikke forfalder til administration af IV væsker, den lille stigning sandsynligvis afspejler øget sympatisk udstrømning. Tiden vises på x-aksen (timer efter endotoxin administration). Klik her for at se en større version af dette tal.

    Figur 3
    Figur 3:. Cellulære og humorale respons Ensartede ændringer i den samlede leukocyttallet, herunder forbigående neutrofili, observeres (A) sammen med almindeligt anvendte kliniske indikatorer for inflammation såsom C-reaktivt protein (B). Kvantitativt varierede, men kvalitativt konserverede ændringer i cirkulerende plasma cytokinkoncentrationer forekomme efter IV endotoksin. TNFa (C) og IL-6 (D) vises som forbilleder. Alle data efter bolus administration af Clinical center reference Endotoxin 2 ng / kg (median med IQR, n = 10. Cytokine koncentration repræsenterer middelværdien af 2 tekniske gentagelser / individuelle ved hvert tidspunkt). Klik her for at se en større udgave af dette tal.

    Figur 4
    Figur 4:. Symptom Profile Kumulativ symptom score indspillet på forudbestemte tidspunkter efter bolus administration af Clinical center reference Endotoxin 2 ng / kg (median med IQR, n = 10). Deltagerne blev bedt om to score sværhedsgraden af hovedpine, kulderystelser, muskelsmerter, kvalme på visuelle analoge skalaer. (0 - 10, max score 40) Klik her for at se en større version af dette tal.

    "Low-dosis" endotoksin i modsætning har en langt mere forskelligartet effekt på enkeltpersoner og kan bruges til at udforske inter-individuelle forskelle i det inflammatoriske respons 31. Administration af 0,06 - 0,2 ng / kg via enten bolus eller infusion inducerer 2 - 10 fold stigninger i plasma cytokiner svarer til dem, der ses ved kroniske lav kvalitet inflammatoriske tilstande 32. Sådanne protokoller kan have en central rolle i at udforske bidrag inflammation og de ​​veje, der regulerer det til flere komplekse cardiometaboliske vilkår 27.

    Discussion

    Som påvist her og udførligt beskrevet i de seneste oversigtsartikler, menneskelig IV endotoksin udfordring er en unik eksperimentel platform giver indsigt i de inflammatoriske veje, der ligger til grund for en bred vifte af sygdomme hos mennesker. At tillade den styrede, reproducerbar induktion af systemisk inflammation, modellen giver adgang til de indledende faser af den inflammatoriske kaskade, eliminerer potentielle forstyrrende faktorer.

    Deltager svar kan moduleres med hensyn til sværhedsgrad og varighed, og den genomiske indflydelse på deres fænotypiske præsentation evalueret. Endvidere kan modellen fungere som en test-seng til terapeutiske midler, ikke kun dem mod LPS ligand selv, men LPS-induceret signalveje og mediatorer af både akutte og opløsning faser af inflammation. Dette kan omfatte midler rettet mod genoprettelse af endotoksin tolerance, en hyporesponsiv tilstand af immunsystemet, der bærer ligheder med kritisk sygdom-induced immunoparalysis 33,34 stand til at replikere nøglefunktioner af både akutte 16 og kronisk 27 betændelse på ikke kun en fysiologisk / funktionsniveau, men også en transkriptomisk en 35, IV endotoksin udfordring tilsyneladende har en central rolle i oversættelsen af grundlæggende videnskabelige gennembrud til klinisk praksis. Når koblet til rettet efterforskning i egnede dyremodeller stand til tættere replikere patofysiologiske reaktioner af specifikke sygdomstilstande (f.eks murine cecal ligation og punktering og sepsis) denne testpræparater paradigme kan være særligt stærke.

    Sikkerhed af deltagere i enhver sund menneskelig frivillig model er altafgørende. IV endotoksin udfordring har været administreret i den højere dosis intervallet 2 - 4 ng / kg til tusindvis af personer med, til vores og andre forfattere viden, ingen alvorlige eller vedvarende bivirkninger (personlig kommunikation, Dr. Anthony Suffredini) 19. af ikkee dog isolerede regnskaber alvorlige vagusreaktioner er blevet rapporteret 36,37. Ætiologien repræsenterer formentlig høj hvile vagus tone, væskemangel efter faste natten over, og catecholaminfrisætning med debut af feber, kulderystelser og symptomer, der afsluttes med en overdrevet Bezold-Jarisch refleks. Denne risiko kan forbedres ved at udelukke personer med tidligere vasovagal syncopy eller en positiv tilt-test, og volumen belastning med intravenøs væske før og under den endotoksin udfordring 37. Forskere beskæftiger højdosis endotoksin udfordring (især 4 ng / kg) bør være overbevisende på risikoen for bradykardi og / eller hjerte-pauser, advarer deltagerne i deres sjældne, men potentielle forekomst, ansætte passende overvågning, og har genoplivningsudstyr let tilgængelige. Andre eksklusionskriterier, ud over dem, der er beskrevet i protokollen, kan være påkrævet afhængig af eksperimentel spørgsmål. For eksempel, mens det er klogt at udelukke dem, der har participated i andre kliniske forsøg eller oplevet operation / traume i de seneste tre måneder, begrænsning af indrejse (eller brug af en parallel-grupper ikke et cross-over design i interventionsundersøgelser) til dem, der tidligere har deltaget i IV endotoksin challenge forsøg kan også være påkrævet, hvis immunologisk respons vurderes: endotoxin tolerance persisterer et ukendt tidsrum in vivo 38,39.

    Adskillige begrænsninger er tydelig med modellen. Det er traditionelt udføres i raske, unge mandlige frivillige un-repræsentant for den kliniske population. Ingen indgreb er nødvendige for de fænotypiske konsekvenser af endotoksin administration at løse. Oprenset LPS injektion giver eksponering for kun en enkelt TLR-ligand, i modsætning til flere immunogene dele på en levende patogen. Ved etisk nødvendighed kun et relativt beskedent inflammatorisk respons kan fremkaldes. Mimicry af hver patofysiologisk karakteristisk træk ved disease opnås ikke 40. Således »enhver forventning om, at modellen fuldt replikerer den kliniske tilstand af svær, lokaliseret eller systemisk gram-negative infektion er un-berettiget« 18.

    Vi vil hævde dog, at modellens styrke ligger ikke i uhensigtsmæssig ekstrapolation til det kliniske miljø, men i afhøre de fysiologiske, hæmatologiske, immunologiske, neuroendokrine og metabolisk respons af kompetente celler og organsystemer til en nøgle inflammatorisk stimulus. Tankevækkende fortolkning af de forbigående ændringer provokeret af endotoxin administration og deres modulation af farmakologiske udfordring har været, og vil fortsat være, informativ i at designe nye behandlingsformer og forudsige deres effektivitet.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Clinical Center Reference Endotoxin (CCRE, Escherichia coli O:113:H10:K negative) National Institutes for Health n/a GMP Manufactured Endotoxin
    Syringes (1 ml, 5 ml)
    Water for injection
    0.9% sodium chloide (sterile, clinical grade)
    Intravenous cannulae Miminum 20 G 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

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Nathan, C., Ding, A. Nonresolving inflammation. Cell. 140 (6), 871-882 (2010).
    2. Adhikari, N. K., Fowler, R. A., Bhagwanjee, S., Rubenfeld, G. D. Critical care and the global burden of critical illness in adults. Lancet. 376 (9749), 1339-1346 (2010).
    3. Xu, J., et al. Extracellular histones are major mediators of death in sepsis. Nature medicine. 15 (11), 1318-1321 (2009).
    4. Zhang, Q., et al. Circulating mitochondrial DAMPs cause inflammatory responses to injury. Nature. 464 (7285), 104-107 (2010).
    5. Lorne, E., Dupont, H., Abraham, E. Toll-like receptors 2 and 4: initiators of non-septic inflammation in critical care medicine? Intensive care medicine. 36 (11), 1826-1835 (2010).
    6. Brightbill, H. D., et al. Host defense mechanisms triggered by microbial lipoproteins through toll-like receptors. Science. 285 (5428), 732-736 (1999).
    7. Zhang, G., Ghosh, S. Toll-like receptor-mediated NF-kappaB activation: a phylogenetically conserved paradigm in innate immunity. J Clin Invest. 107 (1), 13-19 (2001).
    8. Lawrence, T., Gilroy, D. W. Chronic inflammation: a failure of resolution? International journal of experimental pathology. 88 (2), 85-94 (2007).
    9. Fullerton, J. N., O'Brien, A. J., Gilroy, D. W. Pathways mediating resolution of inflammation: when enough is too much. The Journal of pathology. 231, 8-20 (2013).
    10. Fullerton, J. N., O'Brien, A. J., Gilroy, D. W. Lipid mediators in immune dysfunction after severe inflammation. Trends in Immunology. 35 (1), 12-21 (2014).
    11. Seok, J., et al. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3507-3512 (2013).
    12. Zolfaghari, P. S., Pinto, B. B., Dyson, A., Singer, M. The metabolic phenotype of rodent sepsis: cause for concern. Intensive Care Medicine Experimental. 1 (6), (2013).
    13. Dyson, A., Singer, M. Animal models of sepsis: why does preclinical efficacy fail to translate to the clinical setting. Critical care medicine. 37 (1 Suppl), S30-S37 (2009).
    14. Rittirsch, D., Hoesel, L. M., Ward, P. A. The disconnect between animal models of sepsis and human sepsis. Journal of leukocyte biology. 81 (1), 137-143 (2007).
    15. van der Worp, H. B., et al. Can animal models of disease reliably inform human studies? PLoS Med. 7 (3), e1000245 (2010).
    16. Calvano, S. E., Coyle, S. M. Experimental human endotoxemia: a model of the systemic inflammatory response syndrome? Surgical infections. 13 (5), 293-299 (2012).
    17. Suffredini, A. F., Noveck, R. J. Human endotoxin administration as an experimental model in drug development. Clin Pharmacol Ther. 96 (4), 418-422 (2014).
    18. Lowry, S. F. Human endotoxemia: a model for mechanistic insight and therapeutic targeting. Shock. 24, Suppl 1. 94-100 (2005).
    19. Andreasen, A. S., et al. Human endotoxemia as a model of systemic inflammation. Current Medicinal Chemistry. 15 (17), 1697-1705 (2008).
    20. Thorn, J., et al. The inflammatory response in humans after inhalation of bacterial endotoxin: a review. Inflamm Res. 50 (5), 254-261 (2001).
    21. Basran, A., et al. Roles of neutrophils in the regulation of the extent of human inflammation through delivery of IL-1 and clearance of chemokines. Journal of leukocyte biology. 93 (1), 7-19 (2013).
    22. Plovsing, R. R., et al. Transcompartmental inflammatory responses in humans: IV versus endobronchial administration of endotoxin*. Crit Care Med. 42 (7), 1658-1665 (2014).
    23. van Eijk, L. T., et al. Gender differences in the innate immune response and vascular reactivity following the administration of endotoxin to human volunteers. Crit Care Med. 35 (6), 1464-1469 (2007).
    24. Krabbe, K. S., et al. Ageing is associated with a prolonged fever response in human endotoxemia. Clin Diagn Lab Immunol. 8 (2), 333-338 (2001).
    25. Krabbe, K. S., et al. Hypotension during endotoxemia in aged humans. Eur J Anaesthesiol. 18 (9), 572-575 (2001).
    26. Engelhardt, R., Mackensen, A., Galanos, C., Andreesen, R. Biological response to intravenously administered endotoxin in patients with advanced cancer. J Biol Response Mod. 9 (5), 480-491 (1990).
    27. Patel, P. N., Shah, R. Y., Ferguson, J. F., Reilly, M. P. Human experimental endotoxemia in modeling the pathophysiology, genomics, and therapeutics of innate immunity in complex cardiometabolic diseases. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 35 (3), 525-534 (2015).
    28. Michie, H. R., et al. Tumor necrosis factor and endotoxin induce similar metabolic responses in human beings. Surgery. 104 (2), 280-286 (1988).
    29. van Deventer, S. J., et al. Experimental endotoxemia in humans: analysis of cytokine release and coagulation, fibrinolytic, and complement pathways. Blood. 76 (12), 2520-2526 (1990).
    30. Fong, Y. M., et al. The acute splanchnic and peripheral tissue metabolic response to endotoxin in humans. The Journal of clinical investigation. 85 (6), 1896-1904 (1990).
    31. Stephens, R. C., O'Malley, C. M., Frumento, R. J., Mythen, M. G., Bennett-Guerrero, E. Low-dose endotoxin elicits variability in the inflammatory response in healthy volunteers. Journal of endotoxin research. 11 (4), 207-212 (2005).
    32. Taudorf, S., Krabbe, K. S., Berg, R. M., Pedersen, B. K., Moller, K. Human models of low-grade inflammation: bolus versus continuous infusion of endotoxin. Clin Vaccine Immunol. 14 (3), 250-255 (2007).
    33. Leentjens, J., et al. Reversal of immunoparalysis in humans in vivo: a double-blind, placebo-controlled, randomized pilot study. Am J Respir Crit Care Med. 186 (9), 838-845 (2012).
    34. Hamers, L., Kox, M., Pickkers, P. Sepsis-induced immunoparalysis: mechanisms, markers, and treatment options. Minerva Anestesiol. 81 (4), 426-439 (2015).
    35. Xiao, W., et al. A genomic storm in critically injured humans. The Journal of experimental medicine. 208 (13), 2581-2590 (2011).
    36. Williams, W. V., et al. Asystole following endotoxin administration. J Endotoxin Res. 6 (4), 303-306 (2000).
    37. van Eijk, L. T., Pickkers, P., Smits, P., Bouw, M. P., van der Hoeven, J. G. Severe vagal response after endotoxin administration in humans. Intensive Care Med. 30 (12), 2279-2281 (2004).
    38. Kox, M., et al. Differential ex vivo and in vivo endotoxin tolerance kinetics following human endotoxemia. Critical care medicine. 39 (8), 1866-1870 (2011).
    39. Draisma, A., Pickkers, P., Bouw, M. P., van der Hoeven, J. G. Development of endotoxin tolerance in humans in vivo. Critical care medicine. 37 (4), 1261-1267 (2009).
    40. Anel, R., Kumar, A. Human endotoxemia and human sepsis: limits to the model. Critical care. 9 (2), 151-152 (2005).

    Tags

    Medicin Endotoxin immunologi lipopolysaccharid (LPS) systemisk inflammatorisk respons syndrom (SIRS) cytokin sepsis infektion oversættelse human eksperimenteren cellekinetikken immunfunktion fysiologi kritisk sygdom
    Intravenøs Endotoksin Challenge i raske mennesker: en eksperimentel platform til Undersøge og modulerer systemisk inflammation
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    Fullerton, J. N., Segre, E., De… More

    Fullerton, J. N., Segre, E., De Maeyer, R. P. H., Maini, A. A. N., Gilroy, D. W. Intravenous Endotoxin Challenge in Healthy Humans: An Experimental Platform to Investigate and Modulate Systemic Inflammation. J. Vis. Exp. (111), e53913, doi:10.3791/53913 (2016).

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

    Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

    Waiting X
    Simple Hit Counter