Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

Intravenös endotoxin Challenge i friska människor: en experimentplattform för att undersöka och modulerar systemisk inflammation

doi: 10.3791/53913 Published: May 16, 2016

Abstract

Aktivering av inflammatoriska vägar representerar en central mekanism i multipla sjukdomstillstånd både akuta och kroniska. Utlösas via antingen patogen eller vävnadsskador associerade molekylära motiv, vanliga biokemiska vägar leder till bevarade ännu variabla fysiologiska och immunologiska förändringar. Dissekering och avgränsning av bestämningsfaktorer och mekanismerna bakom fenotypisk varians som svar förväntas ge nya terapeutiska framsteg.

Intravenös (IV) administrering av endotoxin (gramnegativ bakteriell lipopolysackarid), en specifik Toll-like receptor 4 agonist, representerar en modell in vivo av systemisk inflammation hos människa. National Institutes for Health Clinical Center Referens endotoxin (CCRE, Escherichia coli O: 113: H10: K negativ) används för att på ett tillförlitligt och reproducerbart generera vaskulära, hematologiska, endokrina, immunologiska och organspecifika funktionella effekter som parallellt, i varierande grad,de som ses i de tidiga stadierna av patologiska tillstånd. Ändring av dosen (0,06-4 ng / kg) och tidsskalan för exponering (bolus kontra infusion) tillåter replikering av antingen akut eller kronisk inflammation och en rad stränga för att framkallas, med högre doser (2-4 ng / kg ) ofta används för att skapa en "sepsis liknande" tillstånd. Etablerade och nya medicinska föreningar kan dessutom administreras före eller efter endotoxinexponering att uppskatta deras effekt på den inflammatoriska kaskaden. Trots begränsningar i omfattning och generaliserbarhet, erbjuder mänsklig IV endotoxin utmaning en unik plattform för att få mekanistiska insikter inducerbara fysiologiska reaktioner och inflammatoriska vägar. Rationellt användes det kan underlätta översättning av denna kunskap i terapeutiska innovationer.

Introduction

Inflammation i olika etiologi, svårighetsgraden och varaktigheten utgör en central komponent i patologin av flera sjukdomar. Allt från de kritiska sjukdom tillstånd såsom sepsis eller trauma där allvarliga, relativt kortlivad inflammation dominerar, till kroniska sjukdomar, inklusive typ 2 diabetes mellitus, ateroskleros och Alzheimers sjukdom där ihållande låg nivå inflammatorisk ton anses vara en patologisk faktor, oreglerad inflammatoriska vägar är en viktig drivkraft för global morbiditet och mortalitet 1,2.

Inflammation initieras genom närvaron av patogen-associerade molekylära mönster (PAMPs) eller fara-associerade molekylära mönster (dämpas) - vanligen intracellulära komponenter släpptes via vävnadsskada 3-5. Dessa bevarade molekylär motiv binder mönsterigenkänningsreceptorer (PRRS) såsom Toll-liknande receptorer (TLR) finns på epitelceller, endotelceller och för de medfödda immun sysTEM, att utlösa gemensam nedströms intracellulära signalsystem 6. Aktivering av den nukleära transkriptionsfaktorn nukleär faktor kB, bland andra, leder till transkription av gener som kodar för pro-inflammatoriska cytokiner som etablerar den inflammatoriska kaskaden 7.

Inflammation inducerar både lokala och systemiska effekter som syftar till att isolera och avlägsna den primära förolämpning. Lokala förändringar inkluderar uppreglering av vidhäftnings markörer, kemokin release, kärlvidgning och ökad vaskulär permeabilitet för att underlätta medfödda immunceller trans. Komplement- och koagulation system också aktiveras. Systemiskt, är flera organspecifika fysiologiska förändringar observer iscensatt via neuroendokrina nätverket. Betydande ökningar i humorala mediatorer uppstå och cirkulerande cell profil förändrar radikalt. Fel på inflammation att upphöra och homeostas att återupprättas kan bero på uthållighet av initierande stimuli ellerett misslyckande för dedikerad upplösning vägar 8. Dessa potenta mekanismer, ofta samordnas av lipidmediatorer kan själva vara patogena 9,10.

Undersökning av det inflammatoriska svaret och dessa viktiga reglerande åtgärder i den kliniska befolkningen är en utmaning. Demografiska (ålder, kön, etnicitet), tids (tid för insjuknandet, exponeringens varaktighet) och klinisk varians (typ av initierande stimuli, svårighetsgraden av förolämpning, komorbiditet bördan, terapeutisk intervention) hindra tillgången till viktiga biologiska vägar. Den traditionella lösningen har varit att använda djurmodeller. Trots ger flera fördelar, deras grundläggande likhet med mänsklig patofysiologi 11,12 och relevansen av sin produktion, har kommit under ökande granskning 13-15. Ett alternativ är att använda reduktionistiska mänskliga modeller.

Utvecklades i slutet av 1960-talet, intravenös (IV) endotoxin administrering till människan har en viktig plattform genom vilkenatt upptäcka, avgränsa och potentiellt läkemedel inflammatoriska vägar 16-19. Endotoxin (synonymt med lipopolysackarid [LPS] i denna artikel) är en potent TLR4 agonist som utlöser inflammatoriska kaskaden i en dosberoende sätt. Injiceras som antingen en bolus eller infusion kan den således användas för att modellera både låg nivå och måttlig systemisk inflammation i olika löptider. Den resulterande kortlivade inflammatoriska responsen medger bedömning av en enda komponent av den mycket komplexa värdpatogen interaktion som utvecklas under bakteriell infektion. Även om inte en modell av chock, framkallar IV endotoxin utmaningar svar som verkar replikera de tidiga stadierna av infektionen. Eliminera mellan arter translationella hinder och exakt härma den kliniska fenotypen kvalitativt om inte kvantitativt, ger det realtid tolkning av inflammatoriska influenser, konsekvenser och en möjlighet att testa interventioner. Endotoxin kan också administreras endobronchially 20, intradermalt 21 eller i kombination med IV LPS 22 att utforska lokala inflammatoriska svar i olika fack. Mindre utsträckning används alternativa metoder innefattar infusion av proximala proinflammatoriska cytokiner såsom tumörnekrosfaktor α (TNF) och interleukin (IL) 6 19. Dessa kommer inte att diskuteras vidare här.

Protocol

University College London REC (UK) godkände studien som genererade de data som presenteras i resultat avsnittet representant (referens 5060/001).

Etiskt godkännande:

Majoriteten av studier med IV endotoxin utmaningar har utförts på friska försökspersoner. Eftersom denna forskning har ingen hälsovinst, bör vikten av syftet med den klart uppväger eventuella inneboende risker. Detta är relevant för bedömningen av samspelet med nya medel som används för att modifiera inflammation och som har potential att överdriva värd svar på endotoxin (t.ex. feber, förändringar i blodtryck, symtom).

Före påbörjandet av någon studie som använder IV endotoxin, måste godkännande sökas och erhållas från en lämplig forskningsetiska kommittén (REC) / Institutional Review Board (IRB). IV endotoxin administration har använts i mer än fyrtio år för att få viktig mechanistic insikter mänskliga biologin utan allvarliga eller varaktiga negativa effekter på vår eller andra författarens kunskap 19. Med tanke på modellens potential att ge viktig information som hänför sig till flera inflammatoriska tillstånd som är viktiga orsaker till dödlighet och sjuklighet, vi tror att det är etiskt acceptabelt att exponera friska frivilliga och definierade demografiska eller kliniska grupper endotoxin, förutsatt minimerings strategier lämplig risk är på plats. Detta kan kräva oberoende utanför granskning av kvalificerade experter och eller pilotstudier för att garantera säker beteende av undersökningarna, i synnerhet vid användning av nya medel och deras interaktion med endotoxin- inflammation.

Förberedelse

1. Bestäm demografiska och kliniska egenskaper Deltagare

OBS: De flesta studier som använder IV endotoxin utmaning rekrytera friska unga manliga frivilliga <30 år gammal. Hingsttalet har dessutom gjorts på friska kvinnor 23, äldre frivilliga 24,25 och patientgrupper 26 beroende på den experimentella frågan. Äldre deltagare (dvs mer än 60 år) kan ha en större och mer ihållande respons (högre feber, större minskning i blodtryck), och interaktion mellan endotoxin-inducerad inflammation med eventuella komorbida villkor eller mediciner måste beaktas i utformningen av dessa studier. Se diskussionen för ytterligare överväganden välja ut deltagare.

2. rekrytera deltagare

  1. Ordna lämplig annonsering efter behov.
    OBS: Ekonomisk ersättning för deltagarens tid och besvär är vanligtvis erbjuds. Detta måste fastställas före rekrytering och godkännas av en REC / IRB.
  2. Utfärda en REC / IRB godkänd Deltagare Bipacksedel (PIL) som förklarar naturen av studien, en översikt över denprotokoll, förväntade biverkningar och risker som är förknippade med IV endotoxin till respondenter som uppfyller inklusionskriterier.
    OBS: Detta bör utfärdas i förväg att samtycka till att tillåta ett välgrundat beslut göras för att delta och för eventuella frågor eller problem som måste behandlas av forskaren.

3. Skaffa Formell information lämnats

  1. Erhålla skriftligt medgivande från alla deltagarna innan man vidtar några studierelaterad procedur, inklusive hälsokontroller.
  2. Söka verbal bekräftelse av deltagare retention och förståelse av informationen i bipacksedeln.
  3. Diskutera biverkningar i IV endotoxin administration.
    OBS: Vid högre doser (2-4 ng / kg) dessa inkluderar stelhet (frossa), huvudvärk, fotofobi, myalgi, artralgi, illamående och sällan, kräkningar. Peak symptom intensitet sker cirka 1-2 timmar efter injektion, avta efteråt till baslinjen med 6-8 tim. Ingen allvarlig eller ihållande negativa effeCTS sekundärt till endotoxin vid dessa doser har rapporterats. I sällsynta fall kan en volontär finna graden av symptom oacceptabla under höjden av svaret. Symptomen kan lindras med administration av paracetamol / paracetamol eller icke-steroida medel genom munnen eller IV (t.ex. acetylsalicylsyra, ibuprofen). Sådana medel kan förändra det inflammatoriska svaret och deras användning bör registreras.
  4. Åter bekräftar möjligheten för deltagarna att dra sig ur studien när som helst utan att ge en förklaring.

4. Genomför en "Hälsa Screen på potentiella deltagare

OBS: Detta är för att säkerställa frånvaron av hemlig medicinska tillstånd som placerar dem löper större risk att skada från IV endotoxin. Som en sekundär mål information som är relevant för den experimentella fråga kan identifieras.

  1. Identifiera en lämplig klinisk miljö och en lämpligt utbildad läkare eller sjuksköterska för att genomföra hälso skärmen. </ Li>
  2. Ta en fullständig anamnes inklusive tidigare medicinska och sociala historia, tidigare och pågående medicinering / behandlingar, livsmedel nya hälso- eller över disk läkemedel, allergi status och en utredning om förekomsten av aktuella symptom som kan tyda på nya eller nyligen sjukdom.
  3. Utför en formell klinisk undersökning av, som ett minimum, det kardiovaskulära och andningsorganen.
  4. Ordna och översyn kärn undersökningar, inklusive rutin observationer (vikt, puls, blodtryck, andningsfrekvens, syremätt, temperatur), blodprov (full blodvärde, njur-, lever- och koagulation funktionstester) och 12-lead EKG.
    OBS: Ytterligare tester kan krävas i enlighet med försöksprotokollet.
  5. Har deltagarna utmärker historia, undersökning och undersökningar fortsätter IV endotoxin utmaning, beroende REC / IRB-godkända inkludering / uteslutningskriterierna.
    OBS: Det jags bästa praxis för nyupptäckta symptom, tecken eller test avvikelser ska rapporteras till och utredas av deltagarens rutin läkare. Dessa personer bör undantas tills någon oro har på lämpligt sätt.

5. informera deltagarna går vidare till IV endotoxin Challenge till;

  1. Meddela utredaren av nya symtom eller sjukdom.
    OBS: Detta är normalt hindra deras inträde i studien.
  2. Be deltagarna anländer till en i förväg angiven tid och plats. Råda deltagarna att bära bekväma kläder och ta underhållning.
  3. Be deltagarna att fasta från midnatt (klara vätskor tillåts).
  4. Be deltagarna att avstå från alkohol och koffein i 24 timmar före injektion och / eller en förutbestämd period efteråt (tillval och protokollberoende).

Procedur

6. Endotoxin Challenge(Före endotoxin Administration)

  1. Förbereda en säng med huvudet vid 45 °.
    OBS: Se till detta ligger på en lämplig plats för att få klinisk assistans och återupplivningsutrustning. Till exempel kan en Clinical Research Facility, bedövningsmedel rum eller intensivvårdsenhet.
  2. Säkerställa önskad klinisk och experimentell utrustning är tillgänglig och funktion.
    OBS: Detta inkluderar en blodtrycksmätare, termometer, pulsoximeter, och om att vara anställd, 3-bly hjärtövervakning. Kontrollera fullständigheten lokala återupplivningsutrustning och tillgänglighet av syre.
  3. Rekonstituera Clinical Center Reference Endotoxin
    1. Tillsätt 5 ml sterilt vatten för injektion, USP (SWI) till en tidigare icke-injektionsflaskan i CCRE att använda fullt aseptiska icke-touch teknik (ANTT) hela. Ampuller innehåller 10.000 endotoxinenheter (EU) (ungefär 1 | j, g) i form av ett vitt, frystorkat pulver.
    2. Placera flaskan of CCRE med 5 ml SWI sattes på en virvelskakanordning under 1 h för att säkerställa endotoxin vidhäftande till glasytan av flaskan är helt upplöst.
      OBS: CCRE inte gå i lösning lätt, trots ser ut att ha fullt upplöst.
    3. Rita rätt vikt-rensade volymen av endotoxin (nu 2000 EU / ml eller ungefär 200 ng / ml) i en 1 ml spruta.
      OBS: Använd glas eller polypropensprutor att minimera vidhäftning (och förlust) av endotoxin på utrustningen.
  4. Deltagare
    1. Bekräfta medgivande att fortsätta med IV endotoxin administration. Fråga om ny sjukdom, symptom och efterlevnad av protokoll specifika instruktioner.
      OBS: Om det finns medicinska problem eller bristande efterlevnad endotoxin, fördröja administrationen.
    2. Be deltagaren att ligga i den förberedda sängen, vilket bekräftar att de är bekväma. Se till att de har annulleras blåsa och tarm.
  5. Skaffa kärlaccessen. Sätt en intravenös kanyl enligt ANTT för administrationen av endotoxin, och om de ingår i protokollet, intravenösa vätskor.
  6. Placera en andra intravaskulär slang för pågående blodprovstagning för att undvika upprepad venös hugg. Infoga denna intravenöst och ansluta till en 3-vägskran (med eller utan en förlängning) för att underlätta blodprovstagning och spolning.
    OBS: Alternativt för kontinuerlig övervakning blodtryck och prov förvärv, plats en intraarteriell linje. Detta kräver ökad kompetens för insättning och det finns en ökad risk för lokala komplikationer.
    1. För pågående blodprovstagning med hjälp av intravenös kanyl, använd en 18 gauge eller större hål kanyl tillsammans med en lokalisering i armvecket för att undvika hemolys och koagulering. IV vätsketillförsel bidrar till att upprätthålla öppenhet.
      OBS: Val av intravaskulärt kanylinför typ och plats bör ske i enlighet med de enskilda läkarna och deltagare preferens. Intra-arteriella linjer är traditionellt placerade i den radiella eller lårbensartären med tidigare instillation av lokalbedövning (t.ex., 1% lidokain).
  7. Dra blod för grundlinjetest vid införande av antingen den första eller andra raden. Kasta de första 5 ml blod (upptar dött utrymme inuti kanylen och kontakter) före att få blod för provtagning. Spola linje med 10 ml 0,9% natriumklorid efter blod oavgjort.
    OBS: Den volym blod dras och hantering av proverna kommer att bestämmas av det experimentella protokollet och lokala laboratorieförfaranden.
  8. Fäst klinisk övervakning i förekommande fall (t.ex. 3-bly hjärtövervakning används vanligen med högre dos utmaningar 2-4 ng / kg).
  9. Spela baslinjen rutin kliniska observationer som anges i 4.4 på en lämplig vitala diagram. Subjektiv symptom poäng (t.ex. med hjälp av visuella analoga poäng för huvudvärk, myalgi,osv.) bör dessutom utföras för att övervaka deltagaren erfarenhet.
  • endotoxin Administration
    1. Spola den intravenösa kanylen med 0,9% natriumklorid för att säkerställa att kanylen är korrekt belägna och patent.
    2. Administrera förberedda, viktanpassad dos av rekonstituerad CCRE via samma intravenösa kanylen. Injicera bolus (<2 min) dos till en 3-vägs kran vid navet i IV linjen.
    3. I jämnhöjd med 10 ml 0,9% natriumklorid för att säkerställa att allt CCRE kommer in i cirkulationen.
      OBS: För att administrera en kontinuerliga infusioner injicera endotoxin i en känd volym av utspädningsmedel, t.ex., 100 ml av 0,9% natriumklorid för att uppnå en förutbestämd koncentration, och ingjuter den resulterande lösningen vid en inställd hastighet (volym / tid).
  • 7. Övervakning, Observation och prov Draw

    1. Övervaka deltagare genomgår IV endotoxin i minst sex timmar efter bolus görasjunga eller varaktigheten av en infusion. Har en kvalificerad och erfaren läkare utföra detta steg.
    2. Spela in och granska vitala och kliniska observationer på en minst en gång / h. Kontinuerlig övervakning, såsom 3-bly hjärtövervakning kan dessutom genomföras.
      OBS: Utredarna bör notera att vid högre bolusdoser (2-4 ng / kg) vasovagala reaktioner kan framkalla hjärt pauser. Dessa är mest frekventa 30 min till 2 h efter injektion och är inte elakartade (se diskussion för ytterligare information).
    3. Åtar subjektivt symptom poäng efter beslut av utredaren.
    4. Administrera 2-3 L av kristalloid (till exempel 0,9% natriumklorid eller Hartmanns lösning) under 6-8 h efter bolusadministrering av 2 - 4 ng / kg.
      OBS: Ingen godtagbar standard för administration av de ovan nämnda vätskor. Säkerhet för deltagarna är av största vikt. Detta ger rutinunderhåll vätska och volym replacement (för perioden höll noll genom munnen och ökad okänsliga förluster på grund av förhöjd kroppstemperatur och andningsfrekvens). De kan också minska risken för hjärtarytmier (se diskussion).
    5. Skaffa förutbestämda prov som krävs för att svara på den experimentella frågan.
      OBS: Dessa omfattar traditionellt, men är inte begränsade till, blod och urin. Tidpunkten, antal och volym av prover ska vara det minimum som krävs för att få fram exakta uppgifter och har godkänts av REC / IRB. Tätare provtagning kan krävas vid vissa tidpunkter (t.ex. varje 30 min) för att säkerställa topp (eller tråg) värden är inte missas. Beräkningar av blodvolym tas måste ta hänsyn till blod kasseras under tillbakadragande av dead space.
    6. Processprover efter behov.

    8. Slut på ordningen

    1. Har den behandlande läkaren att deltagarens symtom har klarats ut och att deras observationer tendera tillnormal (alla ändrade parametrar, t ex förhöjd hjärtfrekvens och temperatur, vilket visar konsekvent minskning mot baslinjevärden) innan sanktionera slutet av observation och efterföljande urladdning.
      OBS: Efter bolusinjektion av 2-4 ng / kg CCRE symptom normalt helt Abate med 6-8 tim. Individuella observationer följer lappande men diskreta tids kurser. Dessa har normalt återgick till baslinjen efter 10-12 timmar. Kontinuerlig infusion erfordrar en längre observationsperiod som symptom och vitala tecken kommer inte att avta omedelbart posta upphörande av endotoxin administrering.
    2. Ta bort all utrustning för övervakning och intravaskulära linjer säkerställer hemostas.
    3. Bekräfta deltagaren är glad att återvända hem och har kontaktuppgifter till utredare vid någon oro.
      OBS: Det anses bästa praxis att kontakta deltagaren följande dag för att kontrollera deras hälsotillstånd och övervaka alla följdsjukdomar.

    Representative Results

    De olika, konsekvenser av IV endotoxin administration flera system har nyligen över i sin helhet och kommer inte att diskuteras i sin helhet här (för fullständig information se 17-19,27). I stället en kort översikt av sortimentet och tillämpligheten av modellen kommer att ges tillsammans med primärdata som hänför sig till den klassiska bolus-doseringen (2 ng / kg). Ett schematiskt diagram som illustrerar tidslinjen för ett sådant experiment ges i figur 1.

    Figur 1
    Figur 1:. Representant Schematisk bild av bolus IV Endotoxin Challenge protokoll Efter ankomst, deltagarens medgivande att fortsätta bör fastställas tillsammans med deras hälsotillstånd och protokoll efterlevnad (fasta, alkohol nedlagd röst, etc.). Efter insättning av intravaskulära linjer, attachment för övervakning och insamling av grundläggande kliniska observationer och prover, en viktjusterad dos av rekonstituerad CCRE administreras. Klinisk övervakning i minst 6-8 timmar är obligatoriskt. Prover, oftast blod kan tas vid förvalda tidpunkter. Kristalloid intravenösa vätskor vanligen ges i detta fall en L över två timmar, följt av ett L över sex timmar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Effekten av IV-endotoxin är beroende på den valda dosen och administreringssätt (bolus kontra infusion). En bolus av 2 - 4 ng / kg framkallar tillförlitligt särdragen hos den systemiskt inflammatoriskt responssyndrom med upphöjda kärntemperatur, hjärtfrekvens och vita blodkroppar (WBC) 16. Detta åtföljs av närvaron av humorala mediatorer av inflammation inklusive pro och anti-inflammatoriska cytokiner, akutfasproteiner (såsom C-reaktivt protein) (se figur 2 och 3) och aktivering av hypotalamus-hypofys-axeln 28 och både pro-koagulativa och fibrinolytiska systemen 29. Metabolism i både centrala och perifera vävnader förändras och flera organspecifika funktionella förändringar framkallade 19,30. Deltagarna upplever en mängd olika "influensaliknande symptom som topp i intensitet kring 1-2 h och till stor del Abate med 6 h (se figur 4). Bolus "högdos" protokoll inducerar ett kvalitativt konsekvent men kvantitativt varierande svar på frivilliga 31.

    figur 2
    Figur 2: klinisk observation profil Förändring av vitala efter bolusadministrering för klinisk Center Reference Endotoxin 2 n.g / kg (median med IQR, n = 10). Andningsfrekvens (RR, andetag per minut, A), puls (slag per min, B), systoliskt blodtryck (SBP, mmHg, C) och temperaturen (° C, via trumhinnetermometer, D) visas. SBP inte förfaller administrering av IV vätskor, den lilla ökningen sannolikt återspeglar ökad sympatisk utflöde. Tiden visas på x-axeln (timmar efter endotoxin administrering). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Figur 3
    Figur 3:. Cellulära och humorala svar Konsekvent förändringar totalt leukocytantal, inklusive övergående neutrofili, observeras (A) tillsammans med vanligt förekommande kliniska indikatorer inflammation såsom C-reaktivt protein (B). Kvantitativt varierande, men kvalitativt konserverade förändringar i plasma cytokin koncentrationer uppstår efter IV endotoxin. TNFa (C) och IL-6 (D) visas som förebilder. Alla data efter bolusadministrering för klinisk Center Reference Endotoxin 2 ng / kg (median med IQR, n = 10. Cytokine koncentration representerar medelvärdet av 2 tekniska repetitioner / individuella vid varje tidpunkt). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    figur 4
    Figur 4:. Symptom profil Ackumulerad Symptom Score registreras vid förutbestämda tidpunkter efter bolusadministrering för klinisk Center Reference Endotoxin 2 ng / kg (median med IQR, n = 10). Deltagarna ombads to poäng svårighetsgraden av huvudvärk, frossa, muskelvärk, illamående på visuella analoga skalor. (0-10, max poäng 40) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    "Låg dos" endotoxin däremot har en mycket mer varierad effekt på individer och kan användas för att utforska interindividuella skillnader i det inflammatoriska svaret 31. Administration av 0,06 - 0,2 ng / kg antingen via bolus eller infusion inducerar 2 - 10-faldiga ökningar i plasma cytokiner som motsvarar de som ses i kroniska låggradig inflammatoriska tillstånd 32. Sådana protokoll kan ha en nyckelroll i att utforska bidrag inflammation och vägar som reglerar det till flera komplexa kardiometabola villkor 27.

    Discussion

    Som framgår här och beskrivs utförligt under de senaste översiktsartiklar, är mänsklig IV endotoxin utmaning en unik experimentell plattform som ger en inblick i de inflammatoriska vägar som ligger till grund för ett stort antal sjukdomar hos människor. Att låta kontrollerad reproducerbar induktion av systemisk inflammation, medger modellen tillgång till de inledande faserna av den inflammatoriska kaskaden, vilket eliminerar potentiella störfaktorer.

    Deltagarens svar kan moduleras med avseende på allvarlighetsgrad och varaktighet, och den genomiska påverkan på deras fenotypiska presentation utvärderas. Dessutom kan modellen fungera som en testbädd för läkemedel, inte bara de mot LPS liganden i sig, men LPS-inducerade signalvägar och förmedlare av både akuta och upplösning faser inflammation. Detta kan omfatta medel inriktade på restaurering av endotoxin tolerans, en hyporesponsiv tillstånd av immunsystemet som bär likheter med kritisk sjukdom-induced immunoparalysis 33,34 kan replikera viktiga funktioner av både akut 16 och kronisk 27 inflammation vid inte bara en fysiologisk / funktionsnivå utan också en transcriptomic en 35, IV endotoxin utmaning har till synes för att spela i översättningen av grundläggande vetenskapliga genombrott en nyckelroll klinisk praxis. När den är kopplad till riktad undersökning i lämpliga djurmodeller som kan närmare replikera patofysiologiska svar på specifika sjukdomstillstånd (t.ex. murina cecal ligation och punktering och sepsis) kan denna investigational paradigm vara särskilt kraftfull.

    Säkerhet för deltagarna i varje frisk människa frivilliga modellen är av största vikt. IV endotoxin utmaning har administreras i högre dosintervallet 2 - 4 ng / kg till tusentals personer med vårt och andra författare kunskap, inga allvarliga eller permanenta biverkningar (personlig kommunikation, Dr. Anthony Suffredini) 19. av intee dock isolerade konton svåra vagala reaktioner har rapporterats 36,37. Orsaken står förmodligen hög vila vagal ton, vätskebrist efter fasta över natten, och katekolaminfrisättning med uppkomsten av feber, frossa och symptom, som kulminerar i en överdriven Bezold-Jarisch-reflexen. Denna risk kan förbättras genom att utesluta personer med tidigare vasovagal syncopy eller en positiv lutning testet och volymbelastning med intravenösa vätskor före och under endotoxin utmaning 37. Forskare som använder höga doser endotoxin utmaning (särskilt 4 ng / kg) bör vara övertygande om risken för bradykardi och / eller hjärt pauser, varnar deltagarna i deras sällsynta men potentiellt förekomst, anställa lämplig övervakning, och har återupplivningsutrustning lätt tillgänglig. Andra uteslutningskriterier, utöver de som beskrivs i protokollet, kan krävas beroende på experimentell fråga. Till exempel, även om det är klokt att utesluta dem som har participated i andra kliniska prövningar eller upplevt kirurgi / trauma under de senaste tre månaderna, begränsning av posten (eller användning av en parallellgrupper inte cross-over design i interventionsstudier) till dem som tidigare har tagit del i IV endotoxin utmaning prövningar kan också krävas om immunologisk respons ska bedömas: endotoxin tolerans kvarstår för en okänd tid in vivo 38,39.

    Flera begränsningar är uppenbara med modellen. Det är traditionellt genomförs i friska, unga manliga frivilliga FN-representant för den kliniska befolkningen. Inga åtgärder krävs för de fenotypiska konsekvenserna av endotoxin administration att lösa. Renat LPS-injektion ger exponering till endast en enda TLR-ligand, i motsats till flera immunogena molekyldelar på en levande patogen. Genom etisk nödvändighet endast en relativt blygsam inflammatoriskt svar kan framkallas. Mimicry av varje patofysiologiska utmärkande för diseASE inte uppnås 40. Således "någon förväntan att modellen replikerar helt kliniska tillstånd av svår, lokaliserad eller systemisk gramnegativ infektion är un-motiverat" 18.

    Vi vill hävda dock att modellens styrka ligger inte i olämpligt extrapolering till den kliniska situationen, men i förhör fysiologiska, hematologiska, immunologiska, neuroendokrina och metabolisk respons av kompetenta celler och organsystem till en viktig inflammatorisk stimulans. Tankeväckande tolkning av övergående förändringar som framkallats av endotoxin administration och deras modulering av farmakologiska utmaning har varit, och kommer att fortsätta att vara informativ i utformningen av nya terapier och förutsäga deras effektivitet.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Clinical Center Reference Endotoxin (CCRE, Escherichia coli O:113:H10:K negative) National Institutes for Health n/a GMP Manufactured Endotoxin
    Syringes (1 ml, 5 ml)
    Water for injection
    0.9% sodium chloide (sterile, clinical grade)
    Intravenous cannulae Miminum 20 G French
    Sphygmomanometer If intraarterial line placed, transduction equipment for invasive blood pressure monitoring
    Pulse oximeter
    Thermometer Typmanic, oral or core (rectal, oropharyngeal)
    Electrocardiograph machine
    Sample collection tubes As utilized by local clinical laboratory

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

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