Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

Intravenøs endotoksin Challenge i friske mennesker: en eksperimentell plattform for å etterforske og modulate systemisk inflammasjon

doi: 10.3791/53913 Published: May 16, 2016

Abstract

Aktivering av inflammatoriske trasé representerer en sentral mekanisme i flere sykdomstilstander både akutte og kroniske. Utløses via enten patogen eller vevsskade-forbundet molekylære motiver, vanlige biokjemiske mekanismer føre til konservert ennå variable fysiologiske og immunologiske forandringer. Disseksjon og avgrensning av de faktorer som bestemmer og mekanismene bak fenotypiske variansen i respons forventes å gi nye terapeutiske fremskritt.

Intravenøs (IV) administrering av endotoksin (gram-negativ bakteriell lipopolysakkarid), en spesifikk Toll-lignende reseptor 4 agonist, viser en in vivo modell av systemisk inflammasjon hos mennesker. National Institutes for Health klinisk senter Reference endotoksin (CCRE, Escherichia coli O: 113: H10: K negativ) er ansatt for å pålitelig og reproduserbart generere vaskulær, hematologiske, endokrine, immunologiske og organspesifikk funksjonelle effekter som parallelt, i varierende grad,de som ble sett i de tidlige stadiene av patologiske tilstander. Endring av dose (0,06 til 4 ng / kg) og tids-skala av eksponering (bolus vs. infusjon) tillater replikasjon av enten akutt eller kronisk betennelse, og et utvalg av alvorlighet til å bli utløst, med høyere doser (2 - 4 ng / kg ) ofte blir brukt for å skape en "sepsis-lignende tilstand. Etablerte og nye medisinske forbindelser kan i tillegg gis før eller etter endotoksin eksponering å sette pris på deres effekt på inflammatorisk kaskade. Tross begrensninger i omfang og generalizability, menneskelig IV endotoksin utfordring tilbyr en unik plattform for å få mekanistiske innsikt i induserbare fysiologiske responser og inflammatoriske veier. Rasjonelt ansatt kan det hjelpe oversettelse av denne kunnskapen i terapeutiske innovasjoner.

Introduction

Betennelse i ulik etiologi, alvorlighetsgrad og varighet er en sentral komponent i patologi av flere sykdommer. Alt fra de kritiske sykdom stater som sepsis eller traumer hvor alvorlige, relativt kortvarig betennelse dominerer, til kroniske sykdommer som type 2 diabetes mellitus, aterosklerose og Alzheimers sykdom hvor vedvarende lavt nivå inflammatorisk tone regnes som en patologisk faktor, feilregulert provoserende trasé er en sentral pådriver for global sykelighet og dødelighet 1,2.

Betennelse er initiert av tilstedeværelsen av patogen-forbundet molekylære mønstre (PAMPs) eller fare-forbundet molekylære mønstre (demper) - ofte intracellulære komponenter utgitt via vevsskade 3-5. Disse konservert molekylær motivene bind mønstergjenkjenning reseptorer (PRRS) som Toll-lignende reseptorer (TLR) funnet på epitelceller, endotelceller og de av det medfødte immun system, for å utløse felles nedstrøms intracellulære signalveier seks. Aktivering av den nukleære transkripsjonsfaktor nukleær faktor KB, blant annet fører til transkripsjon av gener som koder for proinflammatoriske cytokiner som etablerer den inflammatoriske kaskade 7.

Betennelse induserer både lokale og systemiske effekter er utformet for å isolere og fjerne den primære fornærmelse. Lokale endringer inkluderer oppregulering av vedheft markører, chemokine utgivelsen, vasodilatasjon og økt vaskulær permeabilitet til rette medfødte immunceller sjelevandring. Komplement og koagulasjon systemer er også aktivert. Systemisk, er flere organspesifikke fysiologiske endringer observert, orkestrert via nevroendokrin nettverk. Betydelige økninger i humorale meklere oppstå og sirkulasjonscelle profilen radikalt endrer. Unnlatelse av inflammasjon for å slutte og homeostase som skal gjenopprettes kan skyldes persistens av de initierende stimuli elleren svikt i eget vedtak trasé 8. Disse potente mekanismer, ofte koordinert av lipid meklere kan selv være sykdomsfremkallende 9,10.

Undersøkelse av den inflammatoriske respons og disse viktige regulatoriske trinnene i den kliniske befolkningen er utfordrende. Demografisk (alder, kjønn, etnisitet), tidsmessig (tiden av utbruddet, varighet av eksponering) og klinisk varians (type initiering stimuli, alvorlighetsgraden av fornærmelse, komorbiditet byrde, terapeutisk intervensjon) hindre tilgang til viktige biologiske veier. Den tradisjonelle løsning har vært å bruke dyremodeller. Til tross for å gi flere fordeler, deres grunnleggende likheten til menneskelig patofysiologi 11,12 og relevansen av produksjonen, har kommet under økende gransking 13-15. Et alternativ er å ansette reduksjonistisk menneskelige modeller.

intravenøs (IV) endotoksin administrasjon til mennesket utviklet på slutten av 1960-tallet, og tilbyr en viktig plattform derå oppdage, avgrense og potensielt legemiddel provoserende pathways 16-19. Endotoksin (brukes synonymt med lipopolysakkarid [LPS] i denne artikkelen) er en potent TLR4 agonist som utløser inflammatorisk kaskade på en doseavhengig måte. Injisert enten som en bolus eller infusjon kan det således anvendes til å modellere både lav-nivå og moderat systemisk inflammasjon av ulik varighet. Den resulterende kortvarig inflammatoriske respons tillater vurdering av en enkelt komponent av den svært komplekse vert-patogen interaksjon som utvikles i løpet av bakteriell infeksjon. Selv ikke en modell av sjokk, endotoksin utfordringer IV utløser reaksjoner som synes å gjenskape de tidlige stadier av infeksjonen. Eliminere inter-arter translasjonell barrierer og nøyaktig ligne klinisk fenotype kvalitativt hvis ikke kvantitativt, gir det sanntids tolkning av inflammatoriske påvirkninger, konsekvenser og en mulighet til å teste intervensjoner. Endotoksin kan også gis endobronchially 20, intradermalt 21 eller i kombinasjon med IV LPS 22 å utforske lokale inflammatoriske responser i ulike avdelinger. Mindre utbredt anvendte alternative metoder inkluderer infusjon av proksimale pro-inflammatoriske cytokiner slik som tumornekrosefaktor α (TNF-alfa) og interleukin (IL) 6 19. Disse vil ikke bli nærmere omtalt her.

Protocol

University College London REC (UK) godkjent studien som genererte dataene presentert i representative resultater seksjonen (Referanse 5060/001).

ETISK GODKJENNING:

Flertallet av studier med IV endotoksin utfordringene er utført på friske personer. Som denne forskningen har noen helsemessige fordeler, bør viktigheten av studien målene klart oppveier eventuelle iboende risiko. Dette er relevant når de vurderer interaksjoner med nye midler brukes til å endre betennelse og som har potensial til å overdrive vertsresponser til endotoksin (f.eks, feber, forandringer i blodtrykk, symptomer).

Før oppstart av et studie ansette IV endotoksin, må godkjenning søkes og hentes fra en passende forskningsetiske komité (REC) / Institutional Review Board (IRB). IV endotoksin administrasjon har vært ansatt i over førti år å få viktig mechanistic innsikt i menneskets biologi uten alvorlige eller varige negative effekter for vår, eller andre forfatterens, kunnskap 19. Gitt modellens potensial til å gi viktig informasjon knyttet til flere provoserende forhold som er viktige årsaker til dødelighet og sykelighet, mener vi det er etisk forsvarlig å utsette friske frivillige og definerte demografiske eller kliniske grupper til endotoksin, forutsatt hensiktsmessig risikobegrensningsstrategier er på plass. Dette kan kreve uavhengig ekstern gjennomgang av kvalifiserte eksperter og eller pilotstudier for å sikre trygg gjennomføring av undersøkelser, spesielt når ansette nye agenter og deres samspill med endotoxin- indusert betennelser.

Preparat

1. Bestem Demografiske og kliniske Kjennetegn på Deltakere

MERK: De fleste studier som benytter IV endotoksin utfordring rekruttere friske unge mannlige frivillige <30 år gammel. Studtallet har også blitt foretatt på friske kvinner 23, eldre frivillige 24,25 og undergrupper av pasienter 26 avhengig av den eksperimentelle spørsmålet. Eldre deltakere (dvs. mer enn 60 år) kan ha en større og mer varig respons (høyere feber, større reduksjon i blodtrykk), og interaksjoner av endotoksin-indusert betennelser med eventuelle komorbide tilstander eller medikamenter må vurderes i utformingen av disse studiene. Vennligst se omtale for ytterligere betraktninger i deltaker valg.

2. rekruttere deltakere

  1. Ordne passende reklame som kreves.
    MERK: Økonomisk kompensasjon for deltakers tid og ulempe er ofte tilbys. Dette må være etablert før rekruttering og godkjent av en REC / IRB.
  2. Utstede en REC / IRB godkjent Deltaker Utgave (PIL) som forklarer innholdet i studien, en oversikt overprotokollen, forventede bivirkninger, og risikoen forbundet med IV endotoksin til respondentene som oppfyller inklusjonskriteriene.
    MERK: Dette skal utstedes i forkant av samtykke til å tillate en informert beslutning om å bli gjort for å delta, og for eventuelle spørsmål eller bekymringer tas opp av forskeren.

3. Skaff Formell informert samtykke

  1. Innhente skriftlig samtykke fra alle deltakere før gjennomføre et studierelatert prosedyre, herunder helse screening.
  2. Oppsøk verbal bekreftelse av deltaker oppbevaring og forståelse av informasjonen i PIL.
  3. Diskuter bivirkninger av IV endotoksin administrasjon.
    MERK: Ved høyere doser (2-4 ng / kg) disse inkluderer påkjenningene (frysninger), hodepine, lysskyhet, myalgi, artralgi, kvalme og sjelden, oppkast. Peak symptom intensitet oppstår rundt 1-2 timer etter injeksjon, avtagende etterpå til baseline etter 6-8 timer. Ingen alvorlig eller vedvarende negativ effects sekundært til endotoksin ved disse dosene er blitt rapportert. I sjeldne tilfeller kan en frivillig finne graden av symptomer uakseptable under høyden av responsen. Symptomene kan bedres med administrasjon av paracetamol / paracetamol eller ikke-steroide midler gjennom munnen eller IV (f.eks aspirin, ibuprofen). Slike midler kan endre den inflammatoriske respons og bruken bør registreres.
  4. Re-bekrefter muligheten for deltakerne til å trekke seg fra studien når som helst uten å gi en forklaring.

4. Foreta en 'Health Screen "på potensielle deltakere

MERK: Dette er for å sikre fravær av undisclosed medisinske tilstander som plasserer dem i større fare for skade fra IV endotoksin. Som en sekundær målsetting informasjon som er relevant for den eksperimentelle spørsmålet kan bli identifisert.

  1. Identifisere en egnet klinisk miljø og en tilstrekkelig opplært helsepersonell for å gjennomføre helse skjermen. </ Li>
  2. Ta en full klinisk historie, inkludert tidligere medisinske og sosiale historie, tidligere og pågående medisinering / behandling, roman helsekost eller over disk legemidler, allergi status og en gransking av tilstedeværelsen av nåværende symptomer som kan tyde nye eller nylig sykdom.
  3. Utfør en formell klinisk undersøkelse av, som et minimum, hjerte og luftveier.
  4. Ordne og gjennomgang kjerne undersøkelser inkludert rutinemessige observasjoner (vekt, puls, blodtrykk, respirasjonsfrekvens, oksygenmetning, temperatur), blodprøver (full blodstatus, nyre-, lever- og koagulasjon funksjonstester), og 12-bly elektro.
    MERK: Ytterligere tester kan være nødvendig i henhold til den eksperimentelle protokollen.
  5. Har deltakerne med unremarkable historie, undersøkelse og undersøkelser fortsette til IV endotoksin utfordring, avhengig av REC / IRB-godkjent inkludering / eksklusjonskriterier.
    MERK: Det jegs beste praksis for nyoppdagede symptomer, tegn eller test avvik skal rapporteres til og undersøkt av deltakerens rutine lege. Disse personene bør utelukkes før noen bekymring er riktig adressert.

5. informere deltakerne går videre til IV endotoksin Challenge til;

  1. Varsle etterforsker av nye symptomer eller sykdom.
    MERK: Dette vil normalt være til hinder for deres inntreden i studien.
  2. Be deltakerne kommer til en forhånds oppgitt tid og sted. Råde deltakerne til å bære komfortable klær og bringe underholdning.
  3. Be deltakerne å faste fra midnatt (klare væsker tillatt).
  4. Be deltakerne om å avstå fra alkohol og koffein i 24 timer før injeksjon og / eller et forhåndsdefinert periode etterpå (valgfritt og protokoll avhengig).

Prosedyre

6. endotoksin Challenge(Før endotoksin Administration)

  1. Forbered en seng med hodet på 45 °.
    MERK: Sørg for dette ligger på et egnet sted for å få klinisk assistanse og lungeredning utstyr. For eksempel, en klinisk forskning anlegget, bedøvelse rom eller intensivavdeling.
  2. Sikre den nødvendige kliniske og eksperimentelle utstyret er tilgjengelig og fungerer.
    MERK: Dette inkluderer en blodtrykksmåler, termometer, pulsoksymeter og om å være ansatt, 3-leder hjerteovervåkning. Kontroller fullstendigheten av lokal gjenoppliving utstyr og tilgjengeligheten av oksygen.
  3. Rekonstituere Klinisk Senter Reference endotoksin
    1. Tilsett 5 ml vann til injeksjonsvæske, USP (SWI) til en tidligere FN-rekonstituert hetteglass med CCRE å bruke fullt aseptisk non-touch teknikk (ANTT) hele. Ampuller som inneholder 10000 endotoksinenheter (EU) (ca. 1 ug) i form av et hvitt, lyofilisert pulver.
    2. Plasser hetteglasset of CCRE med 5 ml SWI tilsatt på en virvelrister i 1 time for å sikre endotoksin hefter til glassoverflaten av ampullen er fullstendig oppløst.
      MERK: CCRE går ikke i oppløsning lett, til tross vises å ha fullt oppløst.
    3. Trekke den riktige vektjustert volum av endotoksin (nå 2.000 EU / ml, eller omtrent 200 ng / ml) i en 1 ml sprøyte.
      MERK: Bruk glass eller polypropylen sprøyter for å minimere etterlevelse (og tap) av endotoksin til utstyr.
  4. Deltager
    1. Bekreft samtykke til å fortsette med IV endotoksin administrasjon. Spør om ny sykdom, symptomer og samsvar med protokoll spesifikke instruksjoner.
      MERK: Hvis det er medisinsk problem eller manglende overholdelse av endotoksin, forsinke administrasjon.
    2. Spør deltakeren til å ligge i forberedt seng, bekrefter de er komfortable. Sikre at de har annullert blære og tarm.
  5. Skaff vaskulær tilgang. Sett inn en intravenøs kanyle i henhold ANTT for administrasjon av endotoksin, og hvis inkludert i protokollen, intravenøs væske.
  6. Sett en annen intravaskulær linje for pågående blodprøvetaking for å unngå gjentatt venøs stab. Sett denne intravenøst ​​og koble til en 3-veis kran (med eller uten en forlengelse) for å lette blodprøvetaking og spyling.
    MERK: Du kan for kontinuerlig monitorering av blodtrykket og prøvetagning, site en intraarteriell linje. Dette krever økt kompetanse for innsetting og det er en økt risiko for lokale komplikasjoner.
    1. For pågående blodprøvetaking ved hjelp av intravenøs kanyle, bruker en 18 gauge eller større diameter kanyle sammen med en lokalisering i antecubital fossa å unngå hemolyse og blodpropp. IV væske administrasjonen vil hjelpe opprettholde patency.
      MERK: Valg av intra kanyle innsetting type og området skal skje i henhold til individuell utøver og deltager phenvisning. Intra-arterielle linjer er tradisjonelt plassert i radial eller lårarterien med før instillasjon av lokalbedøvelse (f.eks, 1% lidokain).
  7. Trekke blod for grunntester ved innføring av enten den første eller annen linje. Kast de første 5 ml blod (som opptar dead-plass i kanylen og kontakter) før skaffe blod for prøvetaking. Skyll tråd med 10 ml 0,9% natriumklorid etter blodprøvetaking.
    MERK: volumet av blod trukket og håndtering av prøvene vil bli bestemt av den eksperimentelle protokollen og lokale laboratorieprosedyrer.
  8. Fest klinisk overvåking som hensiktsmessig (f.eks 3-bly hjerteovervåkning er vanligvis ansatt med høyere dose utfordrer 2-4 ng / kg).
  9. Rekord baseline rutinemessige kliniske observasjoner som nevnt i 4.4 på en hensiktsmessig vitale tegn diagram. Subjektiv symptom scoring (f.eks ved hjelp av visuelle analoge score for hodepine, muskelsmerter,osv.) må dessuten utføres for å overvåke deltakeren erfaring.
  • endotoksin Administrasjon
    1. Spyl intravenøs kanyle med 0,9% natriumklorid for å sikre at kanylen er riktig plassert og patent.
    2. Administrere pre-forberedt, vektjusterte dose rekonstituert CCRE via samme intravenøse kanyle. Injisere bolus (<2 min) dose til en 3-veis kran i sentrum av IV linjen.
    3. I flukt med 10 ml 0,9% natriumklorid for å sikre at alle CCRE kommer inn i sirkulasjonen.
      NB: For å administrere en kontinuerlig infusjoner injisere endotoksin inn i et kjent volum av fortynningsmiddel, f.eks, 100 ml 0,9% natriumklorid for å oppnå en forhåndsbestemt konsentrasjon, og tilføre den resulterende oppløsning ved en innstilt hastighet (volum / tid).
  • 7. Overvåking, Observasjon og Sample Draw

    1. Monitor deltakerne gjennomgår IV endotoksin i minst seks timer etter bolus gjøresynge eller for varigheten av infusjonen. Har en kvalifisert og erfaren kliniker utføre dette trinnet.
    2. Ta opp og gjennomgang vitale tegn og kliniske observasjoner på minimum en gang / time. Kontinuerlig overvåkning slik som 3-bly hjerteovervåkning kan i tillegg bli foretatt.
      MERK: Etterforskerne bør merke seg at ved høyere bolusdoser (2-4 ng / kg) vasovagale reaksjoner kan provosere hjerte pauser. Disse er mest hyppig 30 min til 2 timer etter injeksjon, og er ikke ondartet (se omtale for ytterligere detaljer).
    3. Foreta subjektive symptom score på skjønn av etterforskeren.
    4. Administrere 2 - 3 liter crystalloid (for eksempel 0,9% natriumklorid eller Hartmanns løsning) i løpet av 6 - 8 timer etter bolus administrering av 2 - 4 ng / kg.
      MERK: Ingen akseptabel standard finnes for administrasjon av de ovenfor nevnte væsker. Sikkerhet for deltakerne er det viktigste. Dette gir rutinemessig vedlikehold væske og volum replacement (for perioden holdt nullen gjennom munnen og økt umerkelige tap som følge av økt kroppstemperatur og lufthastighet). De kan også motvirke risikoen for hjertearytmier (se diskusjon).
    5. Skaffe forhåndsbestemte prøver som kreves for å besvare den eksperimentelle spørsmålet.
      MERK: Disse tradisjonelt omfatter, men er ikke begrenset til, blod og urin. Timingen, antall og volum av prøvene bør være minstekravet for å få nøyaktige data og har blitt godkjent av REC / IRB. Hyppigere prøvetaking kan være nødvendig på visse tidspunkter (f.eks hvert 30 min) for å sikre topp (eller trau) verdier er ikke savnet. Beregninger av blodvolum tatt skal redegjøre for blod forkastet ved seponering av dead space.
    6. Prosessprøver etter behov.

    8. Slutt på Prosedyre

    1. Har den behandlende lege påse at deltakernes symptomer har avgjort og at deres observasjoner er trending tilnormal (alle endrede parametre, f.eks forhøyet puls og temperatur, viser jevn reduksjon mot utgangsverdier) før sanksjonering slutten av observasjon og påfølgende utslipp.
      MERK: Etter bolusinjeksjon av 2-4 ng / kg CCRE symptomer normalt fullt avta etter 6-8 timer. Enkeltobservasjoner følge overlappende, men diskrete tids kurs. Disse har normalt returnert til baseline etter 10 - 12 timer. Kontinuerlig infusjon krever en lengre periode med observasjon som symptomer og vitale tegn vil ikke avta umiddelbart starte opphør av endotoksin administrasjon.
    2. Fjern all overvåking utstyr og intravaskulære linjer sikre hemostase.
    3. Bekreft deltakeren er glad for å returnere hjem og har kontaktinformasjon for etterforsker i tilfelle noen bekymring.
      MERK: Det er ansett som beste praksis for å kontakte deltakeren neste dag for å sjekke deres helsetilstand og overvåke for eventuelle følgetilstander.

    Representative Results

    De ulike, multi-system konsekvensene av IV endotoksin administrasjon har nylig blitt grundig gjennomgått og vil ikke bli diskutert i sin helhet her (for detaljer se 17-19,27). I stedet en kort oversikt over omfanget og anvendelsen av modellen vil bli gitt sammen med primærdata knyttet til den klassiske bolus-doseringsregime (2 ng / kg). Et skjematisk diagram som illustrerer tidslinjen av et slikt eksperiment er gitt i figur 1.

    Figur 1
    Figur 1:. Representant Skjematisk av Bolus IV endotoksin Challenge Protocol Etter ankomst, deltakersamtykke å fortsette bør bekreftes sammen med sin helsetilstand og protokoll compliance (faste, alkohol avholdenhet, etc.). Etter innsetting av intravaskulære linjer, attachment av overvåking og innsamling av grunnlags kliniske observasjoner og prøver, en vektjustert dose rekonstituert CCRE administreres. Klinisk overvåking for et minimum av 6 - 8 timer er obligatorisk. Prøver, oftest blod, kan tas ved forhåndsvalgte tidspunkter. Krystalloide intravenøs væske er ofte gitt, i dette tilfellet en L i løpet av to timer etterfulgt av en L over 6 timer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Effekten av IV endotoksin er avhengig av den valgte dosen og administreringsmetoden (bolus vs. infusjon). En bolusdose på 2-4 ng / utløser kg pålitelig funksjonene i SIRS med hevet kjernetemperatur, puls og hvite blodceller (WBC) teller 16. Dette er ledsaget av tilstedeværelsen av humorale mediatorer av inflammasjon inkludert pro og mauri-inflammatoriske cytokiner, akuttfaseproteiner (for eksempel C-reaktivt protein) (se figurene 2 og 3), og aktivering av hypothalamus-hypofyse-aksen 28 og både pro-coagulatory og fibrinolytiske systemer 29. Metabolisme i både sentrale og perifere vev er endret og flere organspesifikk funksjonelle endringer fremkalte 19,30. Deltakerne opplever en rekke 'influensalignende symptomer som topp i intensitet rundt 1-2 timer og i stor grad avta med 6 timers (se figur 4). Bolusen "high-dose" protokoll induserer en kvalitativt konsekvent men kvantitativt variabel respons i frivillige 31.

    Figur 2
    Figur 2: Klinisk Observasjon profilendring i vitale post-bolusadministrasjon for klinisk senter Reference endotoksin 2 n.g / kg (middelverdi med IQR, n = 10). Respirasjonsfrekvens (RR, pust per minutt, A), puls (slag pr min, B), systolisk blodtrykk (SBP, mmHg, C) og temperatur (° C, via trommehinnetermometer, D) vises. SBP ikke forfaller til administrasjon av intravenøs væske, den lille økningen som sannsynligvis gjenspeiler økt sympatisk utstrømning. Tiden vises på x-aksen (timer etter endotoksin administrasjon). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 3
    Figur 3:. Cellular og humoral respons konsekvent endringer i total leukocytter, inkludert forbigående neutrophilia, er observert (A) sammen med vanlig brukte kliniske indikatorer på inflammation slik som C-reaktivt protein (B). Kvantitativt varierte, men kvalitativt bevart endringer i sirkulerende plasma Cytokinkonsentrasjoner oppstå etter IV endotoksin. TNFa (C) og IL-6 (D) er vist som eksempler. All data etter bolusadministrasjon for klinisk senter Reference endotoksin 2 ng / kg (median med IQR, n = 10. cytokin konsentrasjonen representerer gjennomsnittet av 2 tekniske rapporter / enkelt ved hvert tidspunkt). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 4
    Figur 4:. Symptom profil Akkumulert symptomscore føres til forhåndsbestemte tidspunkter etter bolusadministrasjon for klinisk senter Reference endotoksin 2 ng / kg (median med IQR, n = 10). Deltakerne ble bedt om to scorer alvorlighetsgraden av hodepine, skjelving, muskelsmerter, kvalme på visuelle analoge skalaer. (0 - 10, maks scorer 40) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    'Low-dose "endotoksin i motsetning har en mye mer mangfoldig effekt på individer, og kan brukes til å utforske interindividuelle forskjeller i den inflammatoriske respons 31. Administrasjon av 0,06 - 0,2 ng / kg via enten bolus eller infusjon induserer 2 - 10 fold økning i plasma cytokiner i samsvar med de sett hos kroniske lavgradige betennelsestilstander 32. Slike protokoller kan ha en nøkkelrolle i å utforske bidrag av betennelse og trasé som regulerer den til flere komplekse kardio forhold 27.

    Discussion

    Som vist her og fullstendig beskrevet i nyere oversiktsartikler, er menneskelig IV endotoksin utfordring en unik eksperimentell plattform som gir innsikt i de inflammatoriske trasé som ligger til grunn et bredt spekter av menneskelig sykdom. Tillater kontrollert, reproduserbar induksjon av systemisk inflammasjon, tillater modellen tilgang til de innledende fasene av den inflammatoriske cascade, eliminere potensielle konfunderende faktorer.

    Deltakers respons kan moduleres med hensyn til alvorlighetsgrad og varighet, og den genomiske innflytelse på deres fenotypiske presentasjon evaluert. Videre kan modellen virke som en kjørebane for terapeutiske, ikke bare de mot LPS liganden selv, men LPS-indusert signalveier og mediatorer for både akutte og oppløsnings faser av betennelse. Dette kan omfatte midler rettet mot gjenopprettelse av endotoksin toleranse, en hyporesponsiv tilstand av immunsystemet som bærer likheter med kritisk sykdom-induced immunoparalysis 33,34 stand til å replikere viktige funksjoner både akutt 16 og kronisk 27 betennelse på ikke bare en fysiologisk / funksjonelt nivå, men også en transcriptomic en 35, IV endotoksin utfordring har tilsynelatende en viktig rolle å spille i oversettelsen av grunnleggende vitenskapelige gjennombrudd til klinisk praksis. Når koblet til rettet etterforskning i egnede dyremodeller i stand til å nærmere gjenskape patofysiologiske reaksjoner på spesifikke sykdomstilstander (f.eks murine cecal ligation og punktering og sepsis) denne utprøvings paradigmet kan være spesielt kraftig.

    Sikkerhet for deltakerne i enhver sunn menneskelig frivillig modell er det viktigste. IV endotoksin utfordringen har blitt administrert i høyere doseområdet 2 - 4 ng / kg til tusenvis av personer med, til vår og andre forfattere kunnskap, ingen alvorlige eller varige bivirkninger (personlig kommunikasjon, Dr. Anthony Suffredini) 19. av ikkee imidlertid isolerte beretninger om alvorlige vagale reaksjoner er rapportert 36,37. Årsaken representerer antagelig høy hvile vagal tone, væskemangel etter faste over natten, og katekolaminer utgivelse med utbruddet av feber, frysninger og symptomer, som kulminerte i en overdrevet Bezold-Jarisch refleks. Denne risikoen kan bedres ved å utelukke personer med tidligere vasovagal syncopy eller en positiv tilt-test, og volum lasting med intravenøs væske før og under endotoksin utfordring 37. Forskere ansette høydose endotoksin utfordring (spesielt 4 ng / kg) bør være overbevisende av risiko for bradykardi og / eller hjerte pauser, advarer deltakerne i deres sjeldne, men potensielt forekomst, ansette hensiktsmessig overvåking, og har gjenopplivingsutstyr lett tilgjengelig. Andre eksklusjonskriterier, i tillegg til de som er beskrevet i protokollen, kan det være nødvendig avhengig av eksperimentelle spørsmål. For eksempel, mens det er forsvarlig å utelate de som har participated i andre kliniske studier eller opplevd kirurgi / traume de siste tre månedene, begrensning av oppføring (eller bruk av en parallell-grupper ikke en cross-over i intervensjonsstudier) til de som tidligere har deltatt i IV endotoksin smitteforsøk kan også være nødvendig hvis immunologisk respons som skal vurderes: endotoksin toleranse som vedvarer for en ukjent lenge in vivo 38,39.

    Flere begrensninger er synlige med modellen. Det er tradisjonelt gjennomført i friske, unge mannlige frivillige un-representant for den kliniske befolkningen. Ingen tiltak er nødvendige for fenotypiske konsekvensene av endotoksin administrasjon for å løse. Renset LPS injeksjon gir eksponering til bare en enkelt TLR-ligand, i motsetning til flere immunogene molekyldeler på en levende patogen. Ved etisk nødvendighet bare en relativt beskjeden betennelsesreaksjon kan utløses. Etteraping av hver patofysiologiske karakteristisk trekk ved disease er ikke oppnådd 40. Dermed 'noen forventning om at modellen fullt replikerer den kliniske tilstanden alvorlig, lokalisert eller systemisk gram-negativ infeksjon er un-garantert "18.

    Vi vil hevde imidlertid at modellens styrke ligger ikke i upassende ekstrapolering til klinisk setting, men i avhør fysiologiske, hematologiske, immunologiske, nevroendokrine og metabolske responsen av kompetente celler og organsystemer til en nøkkel inflammatorisk stimulus. Gjennomtenkt tolkning av forbigående endringer provosert av endotoksin administrasjon og deres modulering av farmakologiske utfordringen har vært, og vil fortsatt være, informativ i å utforme nye behandlingsformer og forutsi deres effekt.

    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).
    Intravenøs endotoksin Challenge i friske mennesker: en eksperimentell plattform for å etterforske og modulate systemisk inflammasjon
    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