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.
A activação de vias inflamatórias representa um mecanismo central em vários estados de doença tanto agudos como crónicos. Desencadeada através de qualquer agente patogénico ou motivos moleculares tecido danos associados, vias bioquímicas comuns levam a alterações fisiológicas e imunológicas ainda variáveis conservadas. Dissecção e delineação dos determinantes e os mecanismos subjacentes variação fenotípica em resposta é esperado para produzir novos avanços terapêuticos.
Por via intravenosa (IV), a administração de endotoxina (lipopolissacáridos de bactérias gram-negativas), um receptor de tipo Toll 4 agonista específico, representa um modelo in vivo de inflamação sistémica no homem. National Institutes for Health Clínica Centro de Referência de endotoxina (CCRE, Escherichia coli O: 113: H10: K negativo) é empregada para confiável e reprodutível gerar vascular, hematológicas, endócrino, efeitos funcionais e imunológicas específicas do órgão que, paralelamente, em diferentes graus,aos observados nas fases iniciais de estados patológicos. A alteração da dose (0,06-4 ng / kg) e escala de tempo de exposição (em bolus versus infusão) permite a replicação de qualquer inflamação aguda ou crónica e uma gama de gravidade para ser provocada, com doses mais elevadas (2-4 ng / kg ) frequentemente sendo usado para criar um estado de "sepse-like '. Estabelecidos e novos compostos medicinais podem adicionalmente ser administrado antes de ou pós endotoxina exposição a apreciar o seu efeito sobre a cascata inflamatória. Apesar das limitações de escopo e generalização, desafio IV endotoxina humana oferece uma plataforma única para obter insights mecanicistas em respostas fisiológicas induzíveis e vias inflamatórias. Racionalmente empregado pode ajudar tradução deste conhecimento em inovações terapêuticas.
Inflamação dos diferentes etiologia, gravidade e duração forma um componente central na patologia de várias doenças. Que vão desde os estados de doença grave, tais como sepse ou trauma onde severa inflamação, relativamente curta predomina, a doenças crônicas, incluindo diabetes mellitus tipo 2, aterosclerose e doença de Alzheimer, onde de baixo nível persistente tom inflamatório é considerado um fator patológico, vias inflamatórias desregulados são um motor importante da morbidade global e 1,2 mortalidade.
A inflamação é iniciada pela presença de padrões associados de agentes patogénicos moleculares (PAMPs) ou padrões associados-perigo moleculares (amortece) – componentes intracelulares geralmente libertadas por meio de danos nos tecidos 3-5. Estes receptores conservadas molecular motivos de ligação de reconhecimento de padrões (PRRs), tais como receptores Toll-like (TLRs) encontrados em células epiteliais, células endoteliais e os dos sys imune inatatem, para desencadear a sinalização intracelular a jusante comum vias 6. A activação do factor de transcrição nuclear factor nuclear kB, entre outros, conduz a transcrição de genes que codificam citocinas pró-inflamatórias que estabelecem a cascata inflamatória 7.
A inflamação induz ambos os efeitos locais e sistémicos concebidos para isolar e remover o insulto primário. alterações locais incluem a sobre-regulação de marcadores de adesão, a libertação de quimiocina, vasodilatação e aumento da permeabilidade vascular para facilitar a transmigração de células imune inata. Os sistemas de complemento e de coagulação também são ativados. Sistemicamente, várias alterações fisiológicas específicas de órgãos são observados, orquestrada através da rede neuroendócrina. Aumentos significativos na mediadores humorais ocorrer eo perfil de células circulantes altera radicalmente. Falha de inflamação e para cessar a homeostase seja restabelecido pode ser devido à persistência dos estímulos ou iniciadoresuma falha de resolução dedicada vias 8. Estes mecanismos potentes, muitas vezes coordenados por mediadores lipídicos podem ser eles próprios patogênico 9,10.
Investigação da resposta inflamatória e estes passos chave na regulação da população clínica é um desafio. Demográficas (idade, sexo, etnia), temporal (tempo de início, duração da exposição) e variância clínica (tipo de estímulos que iniciam, a gravidade da ofensa, a carga co-morbidade, a intervenção terapêutica) impedir o acesso a vias biológicas fundamentais. A solução tradicional tem sido a de usar modelos animais. Apesar proporcionando várias vantagens, a sua semelhança fundamental para a fisiopatologia humana 11,12 ea relevância de sua produção, tem estado sob crescente escrutínio 13-15. Uma alternativa é utilizar modelos humanos reducionistas.
Desenvolvido na década de 1960, por via intravenosa (IV) administração de endotoxina para o homem oferece uma plataforma vital através do qualpara descobrir, delinear e vias inflamatórias potencialmente drogas 16-19. A endotoxina (usado como sinónimo de lipopolissacárido [LPS] neste artigo) é um agonista potente RST4 que desencadeia a cascata inflamatória de um modo dependente da dose. Injectado quer como um bolus ou infusão, pode, assim, ser utilizado para modelar ambos de baixo nível e a inflamação sistémica moderada de diferentes durações. A resposta inflamatória resultante de vida curta permite a avaliação de um único componente da altamente complexa interacção hospedeiro-patogénio que se desenvolve durante a infecção bacteriana. Embora não seja um modelo de choque, IV desafios endotoxina induz respostas que aparecem para replicar as fases iniciais da infecção. A eliminação das barreiras translacionais inter-espécies e imitando com precisão o fenótipo clínico qualitativamente se não quantitativamente, que proporciona a interpretação em tempo real de influências inflamatórios, consequências e uma oportunidade para testar intervenções. A endotoxina pode também ser administrado endobronchially 20, 21 por via intradérmica ou em combinação com LPS IV 22 para explorar as respostas inflamatórias locais, em diferentes compartimentos. Metodologias alternativas menos amplamente empregues incluem infusão de citocinas pró-inflamatórias proximais, tais como factor de necrose tumoral α (TNF) e interleucina (IL) 19 6. Estes não será discutido mais aqui.
Como demonstrado aqui e completamente descritos em artigos recentes de revisão desafio IV endotoxina humana é uma plataforma experimental única fornecendo informações sobre as vias inflamatórias que são a base de uma vasta gama de doenças humanas. Permitindo a indução controlada, reprodutível de inflamação sistêmica, o modelo permite o acesso às fases iniciais da cascata inflamatória, eliminando potenciais fatores de confusão.
respostas dos participantes pode ser modulada em relação à gravidade e duração, ea influência genômica em sua apresentação fenotípica avaliada. Além disso, o modelo pode actuar como um banco de ensaio para agentes terapêuticos, não só aquelas contra o ligando de LPS em si, mas induzida por LPS vias e mediadores de ambas as fases aguda e resolução da inflamação sinalização. Isto pode incluir agentes dirigidos a restauração da tolerância à endotoxina, um estado hiporreactivo do sistema imunitário que tem semelhanças com a doença de i-críticonduced imunoparalisia 33,34 capazes de replicar características-chave de ambos os aguda e crônica 16 27 inflamação no não só a nível fisiológico / funcional, mas também um transcriptomic um 35, IV desafio de endotoxina aparentemente tem um papel fundamental a desempenhar na tradução de avanços científicos básicos para a prática clínica. Quando acoplado a uma investigação dirigida em modelos animais apropriados capaz de replicar de forma mais estreita as respostas fisiopatológicas de estados de doença específicos (por exemplo, a ligadura cecal murino e punção e sepse) este paradigma de investigação podem ser especialmente poderosas.
Segurança dos participantes em qualquer modelo voluntário humano saudável é primordial. Desafio IV endotoxinas foi administrada no intervalo de dose mais elevada de 2 – 4 ng / kg a milhares de indivíduos com, para o nosso e outros autores conhecimento, não existem eventos adversos graves ou permanentes (comunicação pessoal, Dr. Anthony Suffredini) 19. de nãoe contas no entanto isolados de reacções vagais graves têm sido relatados 36,37. A etiologia representa presumivelmente alta descanso tônus vagal, depleção de volume após jejum durante a noite, e liberação de catecolaminas com o início da febre, calafrios e sintomas, culminando em uma exagerada reflexo Bezold-Jarisch. Este risco pode ser melhorada através da exclusão de indivíduos com Syncopy anterior vasovagal ou um tilt-teste positivo, e carga de volume com fluidos intravenosos antes e durante o desafio de endotoxina 37. Os pesquisadores que empregam altas doses de endotoxina desafio (especialmente 4 ng / kg) deve ser convincente do risco de bradicardia e / ou pausas cardíacas, alertam os participantes de sua ocorrência rara, mas potencial, fazer a monitorização adequada, e ter equipamento de reanimação prontamente disponíveis. Outros critérios de exclusão, em adição às descritas no protocolo, pode ser necessário dependente questão experimental. Por exemplo, embora seja prudente para excluir aqueles que têm participated em outros estudos clínicos ou experimentado cirurgia / trauma nos últimos três meses, a restrição de entrada (ou a utilização de um paralelo grupos não um design cross-over em estudos de intervenção) para aqueles que anteriormente participado em ensaios de desafio IV endotoxinas podem também ser necessária se a resposta imunológica deve ser avaliada: tolerância à endotoxina persistindo por um período de tempo desconhecido in vivo 38,39.
Várias limitações são evidentes com o modelo. É tradicionalmente realizada em saudáveis, jovens voluntários do sexo masculino não-representativa da população clínica. Sem intervenções são necessárias para as consequências fenotípicas de administração de endotoxina para resolver. injecção de LPS purificada proporciona uma exposição de apenas um único ligando de TLR, em oposição a várias porções imunogénicas de um agente patogénico vivo. Por necessidade ética somente uma resposta inflamatória relativamente modesto pode ser provocada. Mimetismo de cada característica fisiopatológica da disease não é alcançado 40. Assim, "qualquer expectativa de que o modelo reproduz plenamente a condição clínica de infecção grave, localizada ou sistêmica gram-negativo é injustificadamente" 18.
Poderíamos argumentar, porém, que a força do modelo não reside na inadequada extrapolação para o ambiente clínico, mas em interrogar o fisiológico, hematológicas, imunológicas, resposta neuroendócrina e metabólica de células competentes e sistemas de órgãos a um estímulo inflamatório chave. interpretação pensativo das alterações transitórias provocada pela administração de endotoxina e sua modulação pelo desafio farmacológico tem sido, e continuará a ser, informativo na concepção de novas terapias e prever a sua eficácia.
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 |