Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

Intraveneuze endotoxine Challenge bij gezonde mensen: een experimenteel platform te onderzoeken en te moduleren systemische ontsteking

doi: 10.3791/53913 Published: May 16, 2016

Abstract

Activatie van ontstekingsreacties is een centraal mechanisme in verschillende ziektetoestanden acute en chronische. Geactiveerd via ofwel pathogeen of weefselschade-geassocieerde moleculaire motieven, gemeenschappelijke biochemische wegen leiden tot geconserveerde nog variabele fysiologische en immunologische veranderingen. Dissectie en afbakening van de determinanten en mechanismen die ten grondslag liggen aan fenotypische variantie in reactie wordt verwacht dat nieuwe therapeutische vooruitgang opleveren.

Intraveneuze (IV) toediening van endotoxine (gram-negatieve bacteriële lipopolysaccharide), een specifieke Toll-like receptor 4 agonist, vertegenwoordigt een in vivo model van systemische ontsteking in mensen. National Institutes for Health Clinical Center Referentie endotoxine (CCRE, Escherichia coli O: 113: H10: K negatief) wordt gebruikt om betrouwbaar en reproduceerbaar te genereren vasculaire, hematologische, endocriene, immunologische en orgel-specifieke functionele effecten die parallel, in verschillende mate,die bij het begin van pathologische toestanden. Wijziging van dosis (0,06-4 ng / kg) en tijdschema van de blootstelling (bolus infusie versus) maakt replicatie van zowel acute als chronische inflammatie en verschillende ernst worden opgewekt, bij hogere doseringen (2-4 ng / kg ) vaak wordt gebruikt om een ​​'sepsis-achtige' toestand te creëren. Gevestigde en nieuwe medicinale verbindingen kunnen bovendien vóór of na endotoxine blootstelling worden toegediend om hun effect op de inflammatoire cascade waarderen. Ondanks de beperkingen in omvang en generaliseerbaarheid, menselijke IV endotoxine uitdaging biedt een uniek platform om mechanistische inzichten in induceerbare fysiologische reacties en inflammatoire pathways te krijgen. Rationeel gebruikt, het kan vertalen van deze kennis te helpen in therapeutische innovaties.

Introduction

Ontsteking van verschillende etiologie, ernst en duur vormt een centrale component in de pathologie van verschillende ziekten. Variërend van de kritische ziekte toestanden zoals sepsis of trauma, waar ernstige, relatief korte duur ontsteking overheerst, tot chronische ziekten zoals type 2 diabetes mellitus, atherosclerose en de ziekte van Alzheimer, waar aanhoudend lage niveau inflammatoire toon wordt beschouwd als een pathologische factor, ontregelde inflammatoire pathways zijn een belangrijke motor van de wereldwijde morbiditeit en mortaliteit 1,2.

Ontsteking wordt geïnitieerd door de aanwezigheid van pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMPs) of gevaar in verband moleculaire patronen (gedempt) - algemeen intracellulaire componenten vrijgegeven via weefselschade 3-5. Deze geconserveerde moleculaire motieven binden patroonherkenning receptoren (PRRS) zoals Toll-like receptoren (TLR) gevonden op epitheelcellen, endotheelcellen en die van het aangeboren immuunsysteem systeem, op gang te brengen gemeenschappelijke stroomafwaartse intracellulaire signaalwegen 6. Activatie van de nucleaire transcriptiefactor nucleaire factor KB onder andere leidt tot transcriptie van genen die coderen voor pro-inflammatoire cytokines die de inflammatoire cascade 7 vast.

Ontsteking veroorzaakt zowel lokale en systemische effecten, ontworpen om te isoleren en te verwijderen van de primaire belediging. Lokale wijzigingen omvatten up-regulatie van hechting markers, chemokine release, vaatverwijding en verhoogde vasculaire permeabiliteit voor aangeboren immuunsysteem cel transmigratie vergemakkelijken. Het complement en coagulatie worden ook geactiveerd. Systemisch worden meerdere orgaanspecifieke fysiologische veranderingen waargenomen, georkestreerde via het neuroendocriene netwerk. Een aanzienlijke stijging van humorale bemiddelaars optreden en de circulerende cel profiel radicaal verandert. Niet-ontsteking staken en homeostase wordt hersteld kan het gevolg zijn van de persistentie initiëren stimuli ofeen mislukking van toegewijde resolutie pathways 8. Deze krachtige mechanismen, vaak gecoördineerd door lipide bemiddelaars kunnen zelf pathogeen 9,10.

Onderzoek van de ontstekingsreactie en deze belangrijke regulerende stappen in de klinische populatie is een uitdaging. Demografische (leeftijd, geslacht, etniciteit), tijdelijke (tijdstip van aanvang, de duur van de blootstelling) en klinische variantie (type initiëren stimuli, de ernst van de belediging, co-morbiditeit last, therapeutische interventie) belemmeren toegang tot belangrijke biologische pathways. De traditionele oplossing is om diermodellen te gebruiken. Ondanks bieden meerdere voordelen, hun fundamentele gelijkenis met de menselijke pathofysiologie 11,12 en de relevantie van hun productie, is gekomen onder toenemende controle 13-15. Een alternatief is reductionistische menselijke modellen gebruiken.

Ontwikkeld in de late jaren 1960, intraveneuze (IV) endotoxine toediening aan de mens biedt een vitaal platform waarmeete ontdekken, af te bakenen en potentieel drug inflammatoire pathways 16-19. Endotoxine (synoniem gebruikt met lipopolysaccharide [LPS] in dit artikel) is een krachtige TLR4-agonist die de inflammatoire cascade activeert op een dosis-afhankelijke wijze. Geïnjecteerd als ofwel een bolus of infusie kan dus worden gebruikt om zowel lage en matige systemische inflammatie van verschillende duur modelleren. De resulterende kortstondige ontstekingsreactie maakt beoordeling van één onderdeel van de zeer complexe gastheer-pathogeen interactie die ontstaat tijdens bacteriële infectie. Hoewel niet een model van shock, endotoxine IV uitdagingen opwekt reacties die lijken de vroege stadia van de infectie te repliceren. Het wegwerken van inter-species translationeel barrières en nauwkeurig nabootsen van de klinische fenotype kwalitatief als kwantitatief niet, het biedt real-time interpretatie van inflammatoire invloeden, de gevolgen en de mogelijkheid om interventies te testen. Endotoxine kan ook worden toegediend endobronchially 20, 21 intradermaal of in combinatie met IV LPS 22 lokale ontstekingsreacties in verschillende compartimenten staand. Minder algemeen toegepaste alternatieve methoden omvatten toediening van proximale pro-inflammatoire cytokinen zoals tumornecrosefactor α (TNFa) en interleukine (IL) 6 19. Deze zullen hier niet verder worden besproken.

Protocol

University College London REC (UK) ingestemd met de studie die de gegevens in de resultaten representatief gedeelte gegenereerd (referentie 5060/001).

Ethische goedkeuring:

De meerderheid van de studies met IV endotoxine uitdagingen zijn uitgevoerd bij gezonde proefpersonen. Aangezien dit onderzoek heeft geen voordeel voor de gezondheid, moet het belang van het onderzoek doelstellingen duidelijk opwegen tegen de inherente risico's. Dit is geschikt als gezien de interacties met nieuwe agentia gebruikt om ontstekingen te wijzigen en het potentieel hebben om gastheerreacties overdrijven endotoxine (bijvoorbeeld koorts, veranderingen in bloeddruk, symptomen).

Voorafgaand aan het begin van elk onderzoek in dienst IV endotoxine, moet toestemming worden gevraagd en verkregen van een geschikte Research Ethics Committee (REC) / Institutional Review Board (IRB). IV endotoxine toediening is gebruikt voor meer dan veertig jaar op belangrijke mecha winnennistic inzichten in de menselijke biologie met geen ernstige of blijvende schadelijke gevolgen voor ons, of andere auteur, kennis 19. Gezien het potentieel van het model om vitale informatie met betrekking tot meerdere inflammatoire aandoeningen die belangrijke oorzaken van mortaliteit en morbiditeit zijn opleveren, vinden wij het ethisch aanvaardbaar aan gezonde vrijwilligers en gedefinieerde demografische of klinische groepen blootstellen aan endotoxine, mits passende risicominimalisering strategieën op hun plaats zitten. Dit kan onafhankelijke externe toetsing door deskundigen en of pilotstudies behoeve van het veilig verloop van de onderzoeken te waarborgen in het bijzonder als nieuwe agenten en hun interactie met endotoxine geïnduceerde ontsteking.

Voorbereiding

1. Bepaal de Demografische en klinische kenmerken van de deelnemers

LET OP: De meeste studies in dienst IV endotoxine uitdaging rekruut gezonde jonge mannelijke vrijwilligers <30 jaar oud. stoeterijies zijn bovendien gedaan naar gezonde vrouwen 23, oudere vrijwilligers 24,25 en patiëntensubgroepen 26, afhankelijk van de experimentele vraag. Ouderen deelnemers (dat wil zeggen, meer dan 60 jaar) kan een grotere en meer aanhoudende respons (hogere koorts, een grotere daling van de bloeddruk) hebben, en interacties van endotoxine geïnduceerde ontsteking met eventuele co-morbiditeit of medicijnen moeten worden beschouwd het ontwerp van deze studies. Zie voor verdere discussie overwegingen bij deelnemer selectie.

2. Recruit Deelnemers

  1. Schik geschikte reclame zoals vereist.
    LET OP: Financiële compensatie voor de tijd en het ongemak deelnemer wordt vaak aangeboden. Dit moet worden ingesteld voorafgaand aan werving en door een REC / IRB goedgekeurd.
  2. Afgifte van een REC / IRB goedgekeurd Deelnemer bijsluiter (PIL) uitleg over de aard van het onderzoek, een overzicht van deprotocol, verwachte bijwerkingen en risico's die samenhangen met IV endotoxine respondenten voldoen aan criteria voor opname.
    LET OP: Dit moet worden afgegeven op voorhand te stemmen met een weloverwogen beslissing te maken om deel te nemen toe te staan ​​en voor eventuele vragen of problemen die moeten worden aangepakt door de onderzoeker.

3. Zorg Formele Informed Consent

  1. Verkrijgen schriftelijke toestemming van alle deelnemers voorafgaand aan het uitvoeren van een studie-gerelateerde procedure, met inbegrip van de gezondheid screening.
  2. Seek verbale bevestiging van de deelnemer het behoud en het begrip van de informatie in de bijsluiter.
  3. Bespreek bijwerkingen van IV endotoxine toediening.
    OPMERKING: Bij hogere doses (2 - 4 ng / kg) deze omvatten rigor (koude rillingen), hoofdpijn, fotofobie, myalgie, artralgie, misselijkheid en zelden braken. Peak intensiteit symptoom voordoet rond 1-2 uur na de injectie, daarna af te nemen met de uitgangswaarde van 6-8 uur. Geen ernstige of aanhoudende ongunstige effects secundair aan endotoxine in deze dosering gemeld. In zeldzame gevallen kan een vrijwilliger van de mate van de symptomen onaanvaardbaar tijdens het hoogtepunt van het antwoord te vinden. De symptomen kunnen worden verzacht met toediening van paracetamol / paracetamol of niet-steroidale middelen oraal of IV (bijvoorbeeld aspirine, ibuprofen). Dergelijke middelen kunnen de ontstekingsreactie te wijzigen en het gebruik ervan moet worden geregistreerd.
  4. Re-bevestigen het vermogen van de deelnemers terug te trekken uit het onderzoek op elk punt, zonder het geven van een toelichting.

4. Er moet een 'Health Screen' op potentiële deelnemers

LET OP: Dit is om de afwezigheid van geheime medische aandoeningen die hen plaatsen op een groter risico van schade als gevolg van IV endotoxine te garanderen. Als secundair doel om de experimentele vraag relevant kunnen worden geïdentificeerd.

  1. Identificeer een geschikte klinische omgeving en een goed opgeleide medische professional voor de gezondheid scherm uit te voeren. </ Li>
  2. Neem een ​​volledige klinische geschiedenis met inbegrip van het verleden medische en sociale geschiedenis, verleden en de lopende medicatie / behandelingen, nieuwe gezonde voedingsmiddelen of over the counter geneesmiddelen, allergie status en een onderzoek naar de aanwezigheid van de huidige symptomen die kunnen wijzen op nieuwe of recente ziekte.
  3. Voer een formeel klinisch onderzoek van, ten minste, de cardiovasculaire en respiratoire systeem.
  4. Schik en beoordeling kern onderzoeken met inbegrip van routine observaties (gewicht, hartslag, bloeddruk, ademhaling, zuurstof saturaties, temperatuur), het bloed werk (telling vol bloed, nier-, lever- en coagulatie functionele tests), en 12-lead elektrocardiogram.
    LET OP: Er kunnen aanvullende tests vereist volgens de experimentele protocol.
  5. Hebben de deelnemers met onopvallende geschiedenis, onderzoek en onderzoeken overgaan tot IV endotoxine uitdaging, afhankelijk van de REC / IRB-goedgekeurde insluiting / uitsluitingscriteria.
    LET OP: Het is best practice voor nieuw ontdekte symptomen, tekenen of te testen afwijkingen te worden gemeld aan en onderzocht door routine arts van de deelnemer. Deze personen moeten worden uitgesloten totdat enige zorg is adequaat aangepakt.

5. Informeer deelnemers verder gaat tot en met IV endotoxine Challenge aan;

  1. Waarschuw de onderzoeker van nieuwe symptomen of ziekte.
    LET OP: Deze zal normaal beletsel voor hun toetreding tot de studie.
  2. Vraag de deelnemers komen op een vooraf aangegeven tijd en locatie. Adviseer de deelnemers om comfortabele kleding te dragen en brengt entertainment.
  3. Vraag de deelnemers om te vasten vanaf middernacht (heldere vloeistoffen toegestaan).
  4. Vraag de deelnemers zich te onthouden van alcohol en caffeïne voor 24 uur voor de injectie en / of een vooraf bepaalde periode daarna (optioneel en afhankelijk van het protocol).

Procedure

6. endotoxine Challenge(Vóór endotoxinen)

  1. Bereid een bed met de kop bij 45 °.
    OPMERKING: Zorg ervoor dat deze is gelegen in een geschikte locatie om de klinische hulp en reanimatie-apparatuur te krijgen. Bijvoorbeeld, een Clinical Research Facility, verdoving kamer of intensive care.
  2. Zorg ervoor dat de vereiste klinische en experimentele apparatuur is toegankelijk en het functioneren.
    LET OP: Dit omvat een bloeddrukmeter, thermometer, pulsoximeter en, indien in dienst, 3-lead hartbewaking. Controleer of volledigheid van de lokale reanimatie-apparatuur en de toegankelijkheid van zuurstof.
  3. Reconstitueer Clinical Center Referentie endotoxine
    1. Voeg 5 ml steriel water voor injectie, USP (SWI) om een ​​eerder niet-opgeloste flacon CCRE het gebruik van full aseptische non-touch techniek (ANTT) overal. Flacons 10.000 endotoxine-eenheden (EU) (ongeveer 1 ug) in de vorm van een wit gelyofiliseerd poeder.
    2. Plaats het flesje of CCRE met 5 ml SWI toegevoegd op een vortex schudder gedurende 1 uur endotoxine hechtende garanderen aan het glasoppervlak van het flesje volledig is opgelost.
      OPMERKING: CCRE gaat niet in oplossing gemakkelijk, ook al lijkt te hebben volledig opgelost.
    3. Trek de juiste gewichtsgecorrigeerde hoeveelheid endotoxine (thans 2000 EU / ml of ongeveer 200 ng / ml) in een 1 ml spuit.
      LET OP: Gebruik glas of polypropyleen spuiten om de naleving (en verlies) van endotoxine zoveel mogelijk te beperken om apparatuur.
  4. Deelnemer
    1. Bevestig toestemming om door te gaan met IV endotoxine toediening. Informeer naar nieuwe ziekte, symptomen en de naleving van het protocol specifieke instructies.
      LET OP: Als er medische zorg of niet-naleving van endotoxine, vertraging van de administratie.
    2. Vraag de deelnemer te liggen in de bereide bed, wat bevestigt dat ze zijn comfortabel. Zorg ervoor dat ze hebben vernietigd blaas en darmen.
  5. Het verkrijgen van toegang tot de bloedbaan. Plaats een intraveneuze canule onder ANTT voor het beheer van endotoxine, en indien opgenomen in het protocol, intraveneuze vloeistoffen.
  6. Plaats een tweede intravasculaire lijn voor aan de gang zijnde bloedafname herhaalde veneuze stab voorkomen. Plaats deze intraveneus en verbinding maken met een 3-weg kraan (met of zonder een extensie) om bloed te trekken en blozen te vergemakkelijken.
    LET OP: Als alternatief voor continue controle van de bloeddruk en het monster acquisitie, de site van een intra-arteriële lijn. Dit betekent meer kennis geschoven en er een verhoogd risico op lokale complicaties.
    1. Voor lopende bloedafname met behulp van intraveneuze canule, maken gebruik van een 18 gauge of grotere boring canule samen met een vestiging in de antecubitale fossa om hemolyse en stolling te voorkomen. IV vochttoediening zal helpen handhaven doorgankelijkheid.
      LET OP: Selectie van intravasculaire soort canule inbrengen en site moet plaatsvinden op basis van individuele arts en deelnemer preferentie. Intra-arteriële lijnen worden traditioneel geplaatst in de radiale en arteria femoralis indien instillatie van lokale verdoving (bijvoorbeeld 1% lidocaïne).
  7. Trekken bloed voor basislijntests bij het inbrengen van de eerste of tweede lijn. Gooi de eerste 5 ml bloed (bezetten dode ruimte binnen de canule en connectors) voorafgaand aan het verkrijgen van bloed voor de bemonstering. Spoel de lijn met 10 ml 0,9% natriumchloride na bloedafname.
    OPMERKING: De volume bloed getrokken en behandeling van de monsters wordt bepaald door de experimentele protocol en plaatselijke laboratoriumprocedures.
  8. Attach klinische vereiste controle (bijvoorbeeld 3-lead hartbewaking wordt gewoonlijk toegepast met hogere dosis uitdagingen 2-4 ng / kg).
  9. Record basislijn routine klinische observaties, zoals vermeld in 4.4 op een passende vitale grafiek. Subjectieve symptoom scoren (bijvoorbeeld met behulp van visuele analoge scores voor hoofdpijn, spierpijn,enz.) moet bovendien worden uitgevoerd om de deelnemer ervaring bewaken.
  • endotoxine Administration
    1. Spoel de intraveneuze canule met 0,9% natriumchloride aan de canule correct geplaatst en patent waarborgen.
    2. Dien de pre-en-klare, op gewicht aangepast dosis opgelost CCRE via dezelfde intraveneuze canule. Injecteer de bolus (<2 min) dosis in een 3-weg kraan op de hub van de IV lijn.
    3. Spoelen met 10 ml 0,9% natriumchloride zodat alle CCRE komt de circulatie.
      OPMERKING: toedienen van een continue infusie endotoxine injecteren in een bekende hoeveelheid oplosmiddel, bijvoorbeeld 100 ml 0,9% natriumchloride tot een vooraf bepaalde concentratie te bereiken en trekken de verkregen oplossing bij een ingestelde snelheid (volume / tijd).
  • 7. Monitoring, observatie en Sample Draw

    1. Monitor deelnemers ondergaan IV endotoxine minimaal 6 uur na bolus doenzingen of voor de duur van de infusie. Laat een gekwalificeerde, ervaren arts uitvoeren van deze stap.
    2. Record en de vitale functies en eventuele klinische observaties op minimaal één keer / uur. Continue monitoring zoals 3-lead hartbewaking kan bovendien worden uitgevoerd.
      LET OP: De onderzoekers dienen er rekening mee dat bij hogere bolus doses (2-4 ng / kg) vasovagale reacties kan cardiale pauzes uitlokken. Deze zijn het meest frequent 30 min tot 2 uur na injectie en niet kwaadaardige (zie bespreking voor verdere details).
    3. Onderneem subjectief symptoom scoren aan het oordeel van de onderzoeker.
    4. Dien 2-3 L kristalloïde (bijvoorbeeld 0,9% natriumchloride of oplossing Hartmann) over 6-8 uur na bolus toediening van 2-4 ng / kg.
      OPMERKING: Geen aanvaardbare bestaat voor toediening van de bovengenoemde vloeistoffen. Veiligheid van de deelnemers staat voorop. Dit zorgt voor routineonderhoud vloeistof en het volume replacement (voor de periode bewaard nihil door de mond en verhoogde ongevoelig verliezen als gevolg van verhoogde lichaamstemperatuur en ademhaling). Zij kunnen ook tegen het risico op hartritmestoornissen (zie bespreking).
    5. Het verkrijgen van vooraf bepaalde monsters die nodig zijn om de experimentele vraag te beantwoorden.
      OPMERKING: Deze traditionele omvatten, maar zijn niet beperkt tot, bloed en urine. De timing, het aantal en het volume van de monsters moet het vereiste minimum om accurate gegevens te verkrijgen en zijn door de REC / IRB goedgekeurd. Vaker bemonstering kan op bepaalde tijdstippen (bijvoorbeeld elke 30 min) nodig zijn om de piek (of dal) waarden zijn niet gemist te garanderen. Berekeningen van het volume bloed afgenomen moet rekening houden met bloed weggegooid tijdens de terugtrekking van de dode ruimte.
    6. Werkwijze monsters aan te vragen.

    8. Einde van Orde

    1. Hebben de behandelend arts ervoor zorgen dat de symptomen van de deelnemer hebben gevestigd en dat hun opmerkingen zijn trending naarnormaal (alle gewijzigde parameters, bijvoorbeeld, verhoogde hartslag en temperatuur, waaruit blijkt consistente reductie in de richting van de uitgangswaarden) voorafgaand aan sanctioneren het einde van observatie en de daaropvolgende ontlading.
      NB: Na bolus injectie van 2-4 ng / kg CCRE symptomen doorgaans volledig verminderen van 6-8 uur. Individuele observaties volgen overlappende maar discrete tijd-cursussen. Deze zijn normaal gesproken terug naar de uitgangswaarde van 10 - 12 uur. Continue infusie vereist een langere periode van observatie als de symptomen en de vitale functies zullen niet verdwijnen onmiddellijk plaatsen stopzetting van endotoxine toediening.
    2. Verwijder alle meet-apparatuur en intravasale lijnen zorgen voor hemostase.
    3. Controleer of de deelnemer is blij om terug te keren en heeft de contactgegevens van de onderzoeker in het geval van enige bezorgdheid.
      LET OP: Het wordt beschouwd als de beste praktijk contact met de deelnemer de volgende dag om hun gezondheidstoestand te controleren en te controleren voor eventuele gevolgen.

    Representative Results

    De diverse, multi-systeem gevolgen van IV endotoxine toediening zijn onlangs uitgebreid beoordeeld en zal niet volledig worden besproken hier (voor meer informatie zie 17-19,27). In plaats daarvan een kort overzicht van het assortiment en de toepasbaarheid van het model zal worden verstrekt naast de primaire gegevens met betrekking tot de klassieke bolus doseringsschema (2 ng / kg). Een schema dat de tijdlijn van een dergelijk experiment wordt gegeven in figuur 1.

    Figuur 1
    Figuur 1:. Vertegenwoordiger Schema van Bolus IV endotoxine Challenge Protocol Na aankomst, toestemming van de deelnemer om door te gaan moet worden bevestigd, samen met hun gezondheidstoestand en protocol compliance (vasten, onthouding van alcohol, etc.). Na inbrengen van intravasale lijnen, BIJVOEGSELnt van de monitoring en het verzamelen van de baseline klinische observaties en monsters, een gewicht aangepaste dosis van de gereconstitueerde CCRE wordt toegediend. Klinische controle minimaal 6-8 uur verplicht. Monsters, meestal bloed, kunnen worden genomen op vooraf geselecteerde tijdstippen. Kristalloïde intraveneuze vloeistoffen worden meestal gegeven, in dit geval 1 liter meer dan 2 uur, gevolgd door 1 L meer dan 6 uur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    Het effect van endotoxine IV is afhankelijk van de gekozen dosis en de wijze van toediening (infusie versus bolus). Een bolus van 2-4 ng / kg ontlokt betrouwbaar de kenmerken van de systemische ontstekingsreactie syndroom met verhoogde kerntemperatuur, hartslag en witte bloedcellen (WBC) 16. Dit gaat gepaard met de aanwezigheid van humorale mediatoren van ontsteking zoals pro en anti-inflammatoire cytokines, acute-fase-eiwitten (zoals C-reactief proteïne) (zie figuren 2 en 3) en activatie van de hypothalamus-hypofyse-as 28 en zowel de pro-coagulatie en fibrinolytische systemen 29. Metabolisme in zowel de centrale en perifere weefsels wordt gewijzigd en meervoudig orgaanfalen-specifieke functionele wijzigingen geïnduceerd 19,30. Deelnemers ervaren een verscheidenheid van 'griepachtige' symptomen die piek in intensiteit ongeveer 1-2 uur en grotendeels verminderen met 6 uur (zie figuur 4). De bolus 'high-dose' protocol leidt tot een kwalitatief consistente maar kwantitatief variabele response bij vrijwilligers 31.

    Figuur 2
    Figuur 2: klinische observatie profiel wijzigen in de vitale functies post-bolus toediening van Clinical Center Referentie endotoxine 2 n.g / kg (gemiddelde met IQR, n = 10). Ademhalingsfrequentie (RR, ademhalingen per minuut, A), puls (beats per minuut, B), systolische bloeddruk (SBP, mmHg, C) en de temperatuur (° C, via tympanische thermometer, D) worden weergegeven. SBP niet dalen als gevolg van toediening van IV vloeistoffen, de kleine stijging waarschijnlijk als gevolg van verhoogde sympathische uitstroom. De tijd wordt weergegeven op de x-as (uur na endotoxine toediening). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    figuur 3
    Figuur 3:. Cellulaire en humorale reactie Consistente veranderingen in het totaal aantal leukocyten, met inbegrip van voorbijgaande neutrofilie, worden nageleefd (A) samen met veelgebruikte klinische indicatoren van de inflammation zoals C-reactief proteïne (B). Kwantitatief gevarieerd, maar toch kwalitatief geconserveerd veranderingen in circulerende plasma cytokine concentraties optreden na IV endotoxine. TNFa (C) en IL-6 (D) zijn weergegeven als voorbeelden. Alle gegevens post-bolus toediening van Clinical Center Referentie endotoxine 2 ng / kg (gemiddelde met IQR, n = 10. cytokine concentratie vertegenwoordigt het gemiddelde van 2 technische herhalingen / individueel op elk tijdstip). Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.

    figuur 4
    Figuur 4:. Symptoom Profiel Cumulatieve symptoom score opgenomen in de vooraf bepaalde tijdstippen na de bolus toediening van Clinical Center Referentie endotoxine 2 ng / kg (gemiddelde met IQR, n = 10). Deelnemers werd gevraagd to de score van de ernst van de hoofdpijn, rillingen, spierpijn, misselijkheid op de visuele analoge schalen. (0 - 10, max score 40) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

    "Lage dosis" endotoxine daarentegen heeft een veel diverser invloed op individuen en kunnen worden gebruikt voor inter-individuele verschillen in de ontstekingsreactie 31 staand. Toediening van 0,06-0,2 ng / kg via ofwel bolus of infusie induceert 2-10 voudige toename in het plasma cytokines evenredig met die waargenomen bij chronische lage-grade inflammatoire aandoeningen 32. Dergelijke protocollen kunnen een sleutelrol spelen bij het ​​verkennen van de bijdrage van ontsteking en de routes die reguleren meerdere complexe cardiometabolic omstandigheden 27 hebben.

    Discussion

    Zoals hier aangetoond en volledig beschreven in recente beoordeling artikelen, menselijk IV endotoxine uitdaging is een uniek experimenteel platform inzicht te geven in de inflammatoire trajecten die een breed scala van ziekten bij de mens ten grondslag liggen. Het toestaan ​​van de gecontroleerde, reproduceerbare inductie van systemische ontsteking, het model maakt het mogelijk de toegang tot de eerste fasen van de inflammatoire cascade, waardoor potentiële verstorende factoren.

    reacties van deelnemers mogen worden gemoduleerd met betrekking tot de ernst en de duur, en de genomische invloed op hun fenotypische presentatie geëvalueerd. Verder kan het model fungeren als niet alleen tegen LPS ligand zelf testomgeving voor therapeutica, maar LPS geïnduceerde signaalwegen en mediatoren van zowel de acute fase en oplossing van ontsteking. Dit kan middelen gericht op herstel van endotoxine tolerantie, een hyporesponsive toestand van het immuunsysteem die gelijkenissen aan kritieke ziekte-i beren omvattennduced immunoparalyse 33,34 In staat om de belangrijkste kenmerken te repliceren van acute 16 en 27 chronische ontsteking op niet alleen een fysiologische / functioneel niveau, maar ook een transcriptomische één 35, IV endotoxine uitdaging heeft schijnbaar een belangrijke rol te spelen bij de vertaling van fundamentele wetenschappelijke doorbraken klinische praktijk. Wanneer gekoppeld aan gerichte onderzoek in geschikte diermodellen in staat om nauwer repliceren de pathofysiologische reacties van specifieke ziektebeelden (bijvoorbeeld, muizen blindedarm ligatie en punctie en sepsis) kan dit onderzoek paradigma bijzonder krachtig zijn.

    Veiligheid van de deelnemers in een gezonde menselijke vrijwilligers model is van het grootste belang. IV endotoxine uitdaging is toegediend in de hogere dosis range van 2-4 ng / kg tot duizenden individuen met, naar onze en andere auteurs kennis, geen ernstige of blijvende bijwerkingen (persoonlijke communicatie, Dr. Anthony Suffredini) 19. of niete echter geïsoleerd rekeningen van ernstige vagale reacties gemeld 36,37. De etiologie vermoedelijk vertegenwoordigt hoge rust vagal toon, volume uitputting na een nacht vasten en catecholamine release met het begin van de koorts, koude rillingen en symptomen, culminerend in een overdreven Bezold-Jarisch reflex. Dit risico kan worden verbeterd door het uitsluiten van personen met eerdere vasovagale syncopy of een positieve tilt-test, en het volume laden met intraveneuze vloeistoffen voorafgaand aan en tijdens de endotoxine uitdaging 37. Onderzoekers gebruik hoge dosis endotoxine uitdaging (in het bijzonder 4 ng / kg) moet overtuigend van het risico van bradycardie en / of cardiale pauzes zijn, waarschuwen voor de deelnemers van hun zeldzame, maar mogelijk optreden, maken gebruik van de juiste controle en hebben reanimatie-apparatuur beschikbaar. Andere uitsluitingscriteria, naast de in het protocol beschreven worden afhankelijk wetenschappelijke vraag vereist. Bijvoorbeeld, terwijl is het verstandig om degenen die pa hebben uit te sluitenrticipated in andere klinische onderzoeken of ervaren chirurgie / trauma in de afgelopen drie maanden, beperking van de invoer (of het gebruik van een parallel-groepen geen cross-over design in interventionele studies) aan degenen die eerder hebben meegedaan in IV endotoxine uitdaging proeven kunnen ook nodig zijn als immunologische reactie wordt beoordeeld: endotoxine tolerantie aanhoudende voor een onbekende tijd in vivo 38,39.

    Verscheidene beperkingen duidelijk het model. Het wordt traditioneel uitgevoerd bij gezonde, jonge mannelijke vrijwilligers VN-vertegenwoordiger van de klinische populatie. Geen ingrepen vereist voor de fenotypische gevolgen van endotoxinen te lossen. Gezuiverd LPS injectie verschaft blootstelling aan slechts één TLR-ligand, in tegenstelling tot enkele immunogene delen op een levende pathogeen. Door ethische noodzaak slechts een relatief bescheiden ontstekingsreactie kan worden opgewekt. Mimicry van elke pathofysiologische kenmerk van disease wordt niet bereikt 40. Zo 'enige verwachting dat het model volledig replica van de klinische toestand van ernstige, gelokaliseerde of systemische gram-negatieve infectie is un-gerechtvaardigd' 18.

    We zouden echter van mening dat de kracht van het model ligt niet in ongepaste extrapolatie naar de klinische setting, maar in het ondervragen van de fysiologische, hematologische, immunologische, neuro-endocriene en metabole respons van competente cellen en orgaansystemen een belangrijke ontstekings stimulus. Doordachte interpretatie van de voorbijgaande veranderingen veroorzaakt door endotoxine administratie en hun modulatie door farmacologische uitdaging is geweest, en zal blijven worden, informatieve in het ontwerpen van nieuwe therapieën en het voorspellen van hun werkzaamheid.

    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).
    Intraveneuze endotoxine Challenge bij gezonde mensen: een experimenteel platform te onderzoeken en te moduleren systemische ontsteking
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    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).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