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.
Die Aktivierung von Entzündungswege stellt einen zentralen Mechanismus in mehreren Krankheitszuständen sowohl akute als auch chronische. Ausgelöst entweder über Krankheitserreger oder Gewebeschädigung-associated molecular Motive, gemeinsame biochemische Wege führen zu erhalten noch variable physiologische und immunologische Veränderungen. Dissection und Abgrenzung der Determinanten und Mechanismen phänotypischen Varianz in der Antwort zugrunde liegen wird erwartet, dass neue therapeutische Fortschritte zu erzielen.
Die intravenöse (IV) Verabreichung von Endotoxin (gram-negative bakterielle Lipopolysaccharide), einem spezifischen Toll-like – Rezeptor 4 – Agonisten, stellt ein in vivo – Modell der systemischen Entzündung im Menschen. National Institutes for Health Klinikzentrum Referenz Endotoxin (RGRE, Escherichia coli O: 113: H10: K negativ) verwendet wird , um zuverlässig und reproduzierbar vaskuläre, hämatologische, endokrine, immunologische und organspezifische funktionale Effekte , die parallel in unterschiedlichem Ausmaß erzeugen,diejenigen, die in den frühen Stadien der Krankheitszuständen beobachtet. Veränderung der Dosis (0,06 bis 4 ng / kg) und die Zeit-Skala der Exposition (Bolus vs. Infusion) ermöglicht die Replikation von entweder akute oder chronische Entzündung und eine Reihe von Schwere hervorgerufen werden, mit höheren Dosen (2-4 ng / kg häufig eine "Sepsis-like 'Staat zu schaffen, verwendet wird.) Etablierte und neue medizinische Verbindungen zusätzlich verabreicht werden können, vor oder Post Endotoxin-Exposition ihrer Wirkung auf die Entzündungskaskade zu schätzen wissen. Trotz Einschränkungen in Umfang und Verallgemeinerungs bietet menschliche IV Endotoxinprovokation eine einzigartige Plattform mechanistische Einblicke in induzierbaren physiologischen Reaktionen und Entzündungswege zu gewinnen. Vernünftig eingesetzt kann es Übersetzung dieses Wissen in therapeutische Innovationen unterstützen.
Die Entzündung unterschiedlicher Ätiologie, Schwere und Dauer bildet eine zentrale Komponente in der Pathologie von mehreren Krankheiten. Angefangen von den kritischen Krankheit Staaten wie Sepsis oder Trauma, wo schwere, relativ kurzlebig Entzündung ein pathologischer Faktor, dysregulated Entzündungswege in Betracht gezogen wird, zu chronischen Krankheiten wie Typ-2-Diabetes mellitus, Arteriosklerose und Alzheimer-Krankheit, bei der persistente Low-Level-entzündliche Ton vorherrscht sind ein wesentlicher Treiber der globalen Morbidität und Mortalität 1,2.
Häufig intrazellulären Komponenten freigegeben über Gewebeschäden 3-5 – Entzündung wird durch die Anwesenheit von erreger associated molecular patterns (PAMPs) oder Gefahr-associated molecular patterns (Damps) initiiert. Diese konservierten molekularen Motive binden Mustererkennungsrezeptoren (PRR) wie Toll-like Rezeptoren (TLR) auf Epithelzellen, Endothelzellen und die der angeborenen Immun system, auslösen gemeinsamen nachgeschalteten intrazellulären Signal 6 Pfade. Aktivierung des nukleären Transkriptionsfaktors nuclear factor & kgr; B unter anderem führt zur Transkription von Genen , die pro-inflammatorische Zytokine, die die Entzündungskaskade 7 herzustellen.
Die Entzündung verursacht sowohl lokale als auch systemische Wirkungen entwickelt zu isolieren und die primäre Beleidigung entfernen. Lokale Änderungen umfassen Hochregulation der Haftmarker, Chemokinfreisetzung, Vasodilatation und erhöhte Gefäßpermeabilität angeborenen Immunzelle Trans zu erleichtern. Die Ergänzung und Gerinnungssysteme werden ebenfalls aktiviert. Systemisch, multiple organ-spezifische physiologische Veränderungen beobachtet werden, über das Netzwerk neuroendokrinen orchestriert. Ein signifikanter Anstieg der humoralen Vermittler auftreten und die Zirkulationszelle Profil verändert sich radikal. Ausfall der Entzündung zu beenden und die Homöostase wiederhergestellt werden kann es auch sein, Persistenz der Einleitung Reize oderein Versagen der dedizierten Auflösung Pfade 8. Diese potente Mechanismen, die oft von Lipidmediatoren koordiniert können sich pathogene 9,10 sein.
Untersuchung der Entzündungsreaktion, und diese regulatorischen Schlüsselschritte in der klinischen Population ist eine Herausforderung. Demographische (Alter, Geschlecht, ethnische Zugehörigkeit), zeitliche (Zeitpunkt des Beginns, der Dauer der Exposition) und klinische Varianz (Art der Einleitung Stimuli, die Schwere der Beleidigung, Komorbidität Belastung, therapeutische Intervention) Zugang zu den wichtigsten biologischen Wege behindern. Die traditionelle Lösung wurde Tiermodelle verwendet werden. Trotz mehrerer Vorteile Gewährung, ihre grundlegenden Ähnlichkeit zu menschlichen Pathophysiologie 11,12 und die Relevanz ihrer Produktion, hat sich unter Kontrolle zu erhöhen 13-15. Eine Alternative ist die reduktionistische Menschmodelle zu verwenden.
Entwickelt in den späten 1960er Jahren, intravenöse (IV) Endotoxin-Verabreichung an Menschen bietet eine wichtige Plattform, über diezu entdecken, zu beschreiben und potenziell entzündliche Drogenwege 16-19. Endotoxin (gleichbedeutend mit Lipopolysaccharid [LPS] in diesem Artikel verwendet wird) ist ein potenter Agonist TLR4, die die Entzündungskaskade in einer dosisabhängigen Art und Weise auslöst. Eingespritzte entweder als Bolus oder Infusion es somit verwendet werden, können sowohl auf niedriger Ebene und moderate systemische Entzündung unterschiedlicher Dauer zu modellieren. Die sich ergebende kurzlebigen Entzündungsreaktion ermöglicht Beurteilung einer einzigen Komponente des hochkomplexen Wirt-Pathogen-Interaktion, die während einer bakteriellen Infektion entwickelt. Obwohl es nicht ein Modell des Schocks, entlockt IV Endotoxin Herausforderungen Antworten, die die frühen Stadien der Infektion zu replizieren erscheinen. Die Beseitigung zwischen Artgrenzen translationale und genau den klinischen Phänotyp imitiert qualitativ, wenn nicht quantitativ, bietet es Echtzeit-Interpretation von Entzündungs Einflüsse, Konsequenzen und die Möglichkeit, Interventionen zu testen. Endotoxin kann auch verabreicht werden endobronchiall20 y, intradermal 21 oder in Kombination mit LPS IV 22 auf lokale Entzündungsreaktionen in verschiedenen Kompartimenten erkunden. Weniger häufig eingesetzt alternative Methodologien umfassen Infusion von proximal pro-inflammatorische Zytokine wie Faktor α Tumornekrose (TNF & agr;) und Interleukin (IL) 6 19. Diese werden hier nicht weiter diskutiert werden.
Wie hier gezeigt, und in vollem Umfang in den letzten Sichtsarbeiten, die menschliche IV Endotoxinprovokation beschrieben ist eine einzigartige experimentelle Plattform Einblick in die Entzündungswege an, die eine breite Palette von menschlichen Erkrankungen zugrunde liegen. Unter Berücksichtigung der kontrollierten, reproduzierbaren Induktion einer systemischen Entzündung, erlaubt das Modell Zugriff auf die ersten Phasen der Entzündungskaskade, mögliche Störfaktoren zu beseitigen.
Teilnehmer Antworten können in Bezug auf die Schwere und die Dauer und der genomischen Einfluss auf ihre phänotypische Präsentation ausgewertet moduliert werden. Darüber hinaus kann das Modell für die Therapeutik als Testbett wirken, nicht nur die gegen den LPS-Liganden selbst, sondern LPS-induzierten Signalwege und Mediatoren sowohl der akuten und Auflösung Phasen der Entzündung. Dies kann Mittel gezielt auf die Wiederherstellung der Endotoxintoleranz, einem hyporesponsive Zustand des Immunsystems enthalten, die Ähnlichkeiten mit der kritischen Krankheit-i trägtnduced Immunparalyse 33,34 Able wichtigsten Features von akuten und chronischen 16 27 Entzündung an nicht nur eine physiologische / Funktionsebene zu replizieren , sondern auch eine Transkriptom einer 35, scheinbar IV Endotoxinprovokation hat eine Schlüsselrolle bei der Übersetzung von grundlegenden wissenschaftlichen Durchbruch zu spielen in die klinische Praxis. Wenn in geeigneten Tiermodellen zur Untersuchung gerichtet gekoppelt Lage, mehr replizieren eng die pathophysiologischen Reaktionen von spezifischen Krankheitszuständen (zB Maus- cecal Ligatur und Stich- und Sepsis) dieses Prüfpräparat Paradigma kann besonders leistungsfähig sein.
Sicherheit der Teilnehmer in jedem gesunden menschlichen Freiwilligen-Modell ist von größter Bedeutung. 4 ng / kg , um Tausende von Personen mit, um unsere und andere Autoren Wissen, keine ernsthaften oder permanenten unerwünschten Ereignisse (persönliche Mitteilung, Dr. Anthony Suffredini) 19 – IV Endotoxinprovokation hat in den höheren Dosisbereich von 2 verabreicht wurde. von nichte jedoch isoliert Konten von schweren Vagus – Reaktionen wurden 36,37 berichtet. Die Ätiologie stellt vermutlich hohe Ruhe Vagotonus, Volumenmangel nach nächtlichem Fasten und Katecholaminausschüttung mit dem Einsetzen von Fieber, Schüttelfrost und Symptome, in einer übertriebenen Bezold-Jarisch-Reflex gipfelte. Dieses Risiko kann durch den Ausschluss von Personen mit früheren vasovagal Syncopy oder einem positiven Neigungstest und Volumenbelastung mit intravenösen Flüssigkeiten vor und während der Endotoxinprovokation 37 gelindert werden. Forscher hochdosierte Endotoxinprovokation Einsatz (insbesondere 4 ng / kg) sollte stichhaltig des Risikos von Bradykardie und / oder Herz Pausen, warnen die Teilnehmer ihrer seltenen, aber mögliche Vorkommen sein, eine angemessene Überwachung beschäftigen, und Wiederbelebungsgeräte leicht verfügbar sind. Weitere Ausschlusskriterien, die zusätzlich zu den in dem Protokoll beschrieben sind, können abhängig von Versuchs Frage erforderlich. Zum Beispiel, während es sinnvoll ist, diejenigen auszuschließen, die pa habenrticipated in anderen klinischen Studien oder erfahrene Chirurgie / Trauma in den letzten drei Monaten, Einschränkung der Eintrag (oder die Verwendung eines Parallel-Gruppen kein Cross-Over-Design in der interventionellen Studien) zu denen, die zuvor in IV Endotoxinprovokation Studien teilgenommen haben, können auch erforderlich sein , wenn immunologische Antwort zu beurteilen ist: Endotoxin – Toleranz für eine unbekannte Zeitspanne in vivo 38,39 persistierenden.
Mehrere Einschränkungen sind mit dem Modell zu erkennen. Es wird traditionell bei gesunden, jungen männlichen Freiwilligen un-Vertreter der klinischen Bevölkerung unternommen. Keine Eingriffe sind für die phänotypische Folgen der Endotoxingabe zu lösen erforderlich. Gereinigtes LPS-Injektion für den Kontakt mit nur einem TLR-Liganden, wie an mehrere immunogene Einheiten auf einem Live-pathogen gegenüber. Durch die ethische Notwendigkeit nur eine relativ bescheidene Entzündungsreaktion hervorgerufen werden kann. Mimikry jedes pathophysiologischen charakteristisches Merkmal disease nicht 40 erreicht. So "jede Erwartung , dass das Modell vollständig den klinischen Zustand der schweren, lokal oder systemisch gramnegative Infektion repliziert ist eine nicht gerechtfertigte" 18.
Wir würden argumentieren jedoch, dass das Modell der Stärke liegt nicht in unangemessener Extrapolation auf die klinische Einstellung, aber die physiologische in verhören, hämatologische, immunologische, neuroendokrine und metabolische Reaktion von kompetenten Zellen und Organsysteme zu einem Schlüssel Entzündungsreiz. Nachdenklich Interpretation der vorübergehenden Veränderungen hervorgerufen durch Endotoxingabe und deren Modulation durch pharmakologische Herausforderung war, und wird auch weiterhin sein, informativ in neue Therapien entwerfen und ihre Vorhersage der Wirksamkeit.
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 |