Tar neste trinn: en neural coaptasjon ortotopisk hind lem transplantasjon modell for å maksimere funksjonell utvinning i rotte
Summary
Denne protokollen presenterer en robust, reproduserbar modell av vaskularisert kompositt allotransplant (VCA) rettet mot samtidig studie av immunologi og funksjonell utvinning. Tiden investert i omhyggelig teknikk i en høyre midten av låret baklem ortotopisk transplantasjon med håndsydd vaskulære anastomoser og neural coaptation gir evnen til å studere funksjonell utvinning.
Abstract
Lemtransplantasjon spesielt og vaskularisert kompositt allotransplant (VCA) generelt har bredt terapeutisk løfte som har blitt stymied av gjeldende begrensninger i immunsuppresjon og funksjonell nevromotorisk utvinning. Mange dyremodeller er utviklet for å studere unike egenskaper ved VCA, men her presenterer vi en robust reproduserbar modell av ortotopisk bakbenstransplantasjon hos rotter designet for å samtidig undersøke begge aspektene av gjeldende VCA-begrensning: immunsuppresjonsstrategier og funksjonell nevromotorisk gjenoppretting. Kjernen i modellen hviler en forpliktelse til grundige, tidstestede mikrokirurgiske teknikker som håndsydd vaskulære anastomoser og håndsydd nevrale coaptation av lårnerven og isjiasnerven. Denne tilnærmingen gir holdbare lemrekonstruksjoner som gjør det mulig for lengre levende dyr som er i stand til rehabilitering, gjenopptakelse av daglige aktiviteter og funksjonell testing. Med kortvarig behandling av konvensjonelle immunsuppressive midler overlevde allotransplantede dyr opptil 70 dager etter transplantasjon, og isotransplanterte dyr gir langvarige kontroller utover 200 dager etter operativt. Bevis på nevrologisk funksjonell gjenoppretting er tilstede innen 30 dager etter operativt. Denne modellen gir ikke bare en nyttig plattform for avhør immunologiske spørsmål som er unike for VCA og nerveregenerering, men gir også mulighet for in vivo-testing av nye terapeutiske strategier spesielt skreddersydd for VCA.
Introduction
Lemtransplantasjon under den bredere kategorien av vaskularisert kompositt allotransplant (VCA) eller komposittvev allotransplant (CTA) har ennå ikke oppfylt sitt terapeutiske løfte. Siden de første vellykkede menneskelige håndtransplantasjoner i Lyon, Frankrike og Louisville, Kentucky i 1998 og 1999, over 100 øvre ekstremiteter transplantasjoner har blitt utført over hele verden i nøye utvalgtepasienter 1. Større anvendelighet har blitt hindret av betydelig immunsuppresjon og begrenset funksjonell nevromotorisk gjenoppretting. Nåværende immunsuppresjonsstrategier resulterer i 85% forekomst av akutt avvisning i møte med 77% forekomst av opportunistisk infeksjon2. På den annen side oppstår funksjonell gjenoppretting etter håndtransplantasjon; gjennomsnittlig funksjonshemming av arm skulder og hånd (DASH) score forbedre fra 71 til 43, men at funksjonsnivået kan fortsatt kvalifisere som enfunksjonshemming 2. Gitt nonlife redde natur lem transplantasjon, gjeldende teknikker må raffineres i dyremodeller for å ta neste skritt i VCA.
Siden den første rottemodellen av lemtransplantasjon i 19783,har mange innovative dyremodeller blitt utviklet for å fremme feltet VCA4, som omfatter vaskulære mansjett anastomoser for å minimere operativ tid5,6, heteroto osteomyokutane transplantasjoner for å minimere fysiologisk fornærmelse mot mottakerdyret7,8,9,,10,,11og nye immunologiske tilnærminger7,12,13,14. Rottemodellen av ortotopiske høyre bakben midt på lårtransplantasjonen som presenteres her, understreker omhyggelige, tidstestede mikrokirurgiske teknikker som håndsydd vaskulære anastomoser og nevrale coaptation som en forhåndsinvestering i en robust, reproduserbar modellplattform for samtidig å undersøke begge aspektene av gjeldende VCA-begrensning: immunsuppresjonsstrategier og funksjonell nevromotorisk gjenoppretting.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lemtransplantasjon, under den bredere kategorien av vaskularisert komponent allotransplantasjon (VCA), har allment anvendelig terapeutisk løfte som ennå ikke oppfylt. De viktigste veisperringene ligger i uløste immunologiske problemer som er unike for VCA og nevromotoriske utvinningsteknikker som brukes for tiden. Utvikling av nye teknikker vil avhenge av dyremodellering som er fleksibel, robust og reproduserbar.
Mange dyremodeller er etablert i VCA, hver med spesifikke fordeler<sup class="…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble finansiert av Frankel Foundation og Northwestern Memorial Hospital McCormick Grant (Operation RESTORE). Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av National Institute of General Medicial Sciences of the National Institutes of Health under Award Number T32GM008152. Dette arbeidet ble støttet av Northwestern University Microsurgery Core og Behavioral Phenotyping Core.
Materials
| Anesthesia machine | Vet Equip | 911103 | |
| 0.5cc syringe | Exel | 26018 | |
| 18-gauge needle | BD | 305196 | |
| 1cc syringe | BD | 309659 | |
| 22-gauge needle | BD | 305156 | |
| 24-gauge angiocatheter | Sur-Vet | SROX2419V | |
| 25-gauge needle | Exel | 26403 | |
| 3 cc syringe | BD | 309657 | |
| 5cc syringe | Exel | 26230 | |
| Alcohol | Fisher Scientific | HC-600-1GAL | |
| Anesthesia induction chamber | Vet Equip | 941443 | |
| Anesthetic gas scavenger system | Vet Equip | 931401 | |
| Bipolar electrocautery | Aura | 26-500 | |
| Bitter Spray Mist | Henry Schein | 5553 | |
| Bone wax | CP Medical | CPB31A | |
| Breathing circuit | Vet Equip | 921413 | |
| Buprenophine | Reckitt Benckiser | 12496075705 | |
| Castro-Viejos needle drivers | Roboz | RS-6416 | |
| Cordless rotary saw | Dremel | 8050-N/18 | |
| Cotton swab stick | Fisher Scientific | 23-400-101 | For hemostasis |
| DigiGait Appparatus and Software | Mouse Specifics | MSI-DIG, DIG-SOFT | |
| Dumont forceps (#4) | Roboz | RS-4972 | |
| Dumont forceps (#5) | Roboz | RS-5035 | |
| Enrofloxacin | Norbrook | ANADA 200-495 | |
| FK-506 | Astellas | 301601 | |
| Gauze | Kendall | 1903 | |
| Gauze | Covidien | 8044 | |
| Gloves | Microflex | DGP-350-M | |
| Hair clippers | Oster | 078005-010-003 | |
| Handheld monopolar electrocautery | Bovie | AA00 | |
| Hargreaves Apparatus | Ugo Basile S.R.L. Gemonio, Italy | 37370 | |
| Heating pad | Walgreens | 126987 | |
| Heparin | Fresenius Kabi | 42592K | |
| Hot plate | Corning | PC-351 | For warming resusscitation fluid |
| Isoflurane | Henry Schein | 29405 | |
| Lactated ringers | Baxter | 2B2074 | |
| Large petri dish | Fisher Scientific | FB0875713 | For donor graft while in chilled saline |
| Meloxicam | Henry Schein | 49755 | |
| micro Collin Hartmann retractor | |||
| Micro dissecting scissors | Roboz | RS-5841 | |
| Microfibrillar collagen powder | BD | 1010590 | For hemostasis |
| Microvascular clips | Roboz | RS-5420 | |
| Normal saline | Baxter | 2F7124 | |
| Opthalmic lube | Dechra | IS4398 | |
| Rapmycin | MedChem Express | HY-10219 | |
| Small petri dish | Fisher Scientific | FB0875713A | For warmed resusscitation fluid |
| Sterile drapes | ProAdvantage | N207100 | |
| Surgical gown | Cardinal Health | 9511 | |
| Surgical mask | 3M | 1805 | |
| Surgical microscope, optic model OPMIMD | Zeiss | 169756 | |
| Surgical microscope, Universal S3 | Zeiss | 243188 | |
| Suture 10-0 nylon | Covidien | N2512 | |
| Suture 5-0 vicryl | Ethicon | J213H | |
| Suture 7-0 silk tie | Teleflex | 103-S | |
| Tape | 3M | 1530-1 | |
| Ultrasonic instrument cleaner | Roboz | RS-9911 | |
| Vessel dilation forceps | Roboz | RS-5047 |
References
- Elliott, R. M., Tintle, S. M., Levin, L. S. Upper extremity transplantation: current concepts and challenges in an emerging field. Current Reviews in Musculoskeletal Medicine. 7 (1), 83-88 (2014).
- Petruzzo, P., et al. The International Registry on Hand and Composite Tissue Transplantation. Transplantation. 90 (12), 1590-1594 (2010).
- Shapiro, R. I., Cerra, F. B. A model for reimplantation and transplantation of a complex organ: the rat hind limb. Journal of Surgical Research. 24 (6), 501-506 (1978).
- Brandacher, G., Grahammer, J., Sucher, R., Lee, W. P. Animal models for basic and translational research in reconstructive transplantation. Birth Defects Research Part C: Embryo Today. 96 (1), 39-50 (2012).
- Furtmuller, G. J., et al. Orthotopic Hind Limb Transplantation in the Mouse. Journal of Visualized Experiments. (108), e53483 (2016).
- Sucher, R., et al. Orthotopic hind-limb transplantation in rats. Journal of Visualized Experiments. (41), e2022 (2010).
- Horner, B. M., et al. In vivo observations of cell trafficking in allotransplanted vascularized skin flaps and conventional skin grafts. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery. 63 (4), 711-719 (2010).
- Fleissig, Y., et al. Modified Heterotopic Hindlimb Osteomyocutaneous Flap Model in the Rat for Translational Vascularized Composite Allotransplantation Research. Journal of Visualized Experiments. (146), e59458 (2019).
- Zhou, X., et al. A series of rat segmental forelimb ectopic implantation models. Scientific Reports. 7 (1), (2017).
- Adamson, L. A., et al. A modified model of hindlimb osteomyocutaneous flap for the study of tolerance to composite tissue allografts. Microsurgery. 27 (7), 630-636 (2007).
- Ulusal, A. E., Ulusal, B. G., Hung, L. M., Wei, F. C. Heterotopic hindlimb allotransplantation in rats: an alternative model for immunological research in composite-tissue allotransplantation. Microsurgery. 25 (5), 410-414 (2005).
- Fries, C. A., et al. enzyme responsive, tacrolimus-eluting hydrogel enables long-term survival of orthotopic porcine limb vascularized composite allografts: A proof of concept study. PLoS One. 14 (1), 0210914 (2019).
- Cottrell, B. L., et al. Neuroregeneration in composite tissue allografts: effect of low-dose FK506 and mycophenolate mofetil immunotherapy. Plastic and Reconstructive Surgery. 118 (3), 5 (2006).
- Benhaim, P., Anthony, J. P., Lin, L. Y., McCalmont, T. H., Mathes, S. J. A long-term study of allogeneic rat hindlimb transplants immunosuppressed with RS-61443. Transplantation. 56 (4), 911-917 (1993).
- Greene, E. C. . Anatomy of the rat. Volume N.S. American Philos. Soc. , 27 (1935).
- Schmalbruch, H. Fiber composition of the rat sciatic nerve. Anatomical Record. 215 (1), 71-81 (1986).
- Cheah, M., Fawcett, J. W., Andrews, M. R. Assessment of Thermal Pain Sensation in Rats and Mice Using the Hargreaves Test. Bio-protocol. 7 (16), (2017).
- Hargreaves, K., Dubner, R., Brown, F., Flores, C., Joris, J. A new and sensitive method for measuring thermal nociception in cutaneous hyperalgesia. Pain. 32 (1), 77-88 (1988).
- Hong, S. H., Eun, S. C. Experimental Forelimb Allotransplantation in Canine Model. BioMed Research International. 2016, 1495710 (2016).
- Mathes, D. W., et al. A preclinical canine model for composite tissue transplantation. Journal of Reconstructive Microsurgery. 26 (3), 201-207 (2010).
- Ibrahim, Z., et al. A modified heterotopic swine hind limb transplant model for translational vascularized composite allotransplantation (VCA) research. Journal of Visualized Experiments. (80), e50475 (2013).
- Fries, C. A., et al. A Porcine Orthotopic Forelimb Vascularized Composite Allotransplantation Model: Technical Considerations and Translational Implications. Plastic and Reconstructive Surgery. 138 (3), 71 (2016).
- Kim, M., Fisher, D. T., Powers, C. A., Repasky, E. A., Skitzki, J. J. Improved Cuff Technique and Intraoperative Detection of Vascular Complications for Hind Limb Transplantation in Mice. Transplantation Direct. 4 (2), 345 (2018).
- Chong, A. S., Alegre, M. L., Miller, M. L., Fairchild, R. L. Lessons and limits of mouse models. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 3 (12), 015495 (2013).
- Sucher, R., et al. Mouse hind limb transplantation: a new composite tissue allotransplantation model using nonsuture supermicrosurgery. Transplantation. 90 (12), 1374-1380 (2010).
- Tung, T. H., Mohanakumar, T., Mackinnon, S. E. Development of a mouse model for heterotopic limb and composite-tissue transplantation. Journal of Reconstructive Microsurgery. 17 (4), 267-273 (2001).
- Tang, J., et al. A vascularized elbow allotransplantation model in the rat. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 24 (5), 779-786 (2015).
- Yan, Y., et al. Nerve regeneration in rat limb allografts: evaluation of acute rejection rescue. Plastic and Reconstructive Surgery. 131 (4), 511 (2013).
- Georgiade, N. G., Serafin, D. . A Laboratory Manual of Microsurgery. Fourth Printing. , (1986).
- Tseng, S. H. Suppression of autotomy by N-methyl-D-aspartate receptor antagonist (MK-801) in the rat. Neuroscience Letters. 240 (1), 17-20 (1998).
- Haselbach, D., et al. Regeneration patterns influence hindlimb automutilation after sciatic nerve repair using stem cells in rats. Neuroscience Letters. 634, 153-159 (2016).
- Kloos, A. D., Fisher, L. C., Detloff, M. R., Hassenzahl, D. L., Basso, D. M. Stepwise motor and all-or-none sensory recovery is associated with nonlinear sparing after incremental spinal cord injury in rats. Experimental Neurology. 191 (2), 251-265 (2005).
- Berryman, E. R., Harris, R. L., Moalli, M., Bagi, C. M. Digigait quantitation of gait dynamics in rat rheumatoid arthritis model. Journal of Musculoskeletal and Neuronal Interactions. 9 (2), 89-98 (2009).
- Hamers, F. P., Lankhorst, A. J., van Laar, T. J., Veldhuis, W. B., Gispen, W. H. Automated quantitative gait analysis during overground locomotion in the rat: its application to spinal cord contusion and transection injuries. Journal of Neurotrauma. 18 (2), 187-201 (2001).
- Deumens, R., Marinangeli, C., Bozkurt, A., Brook, G. A. Assessing motor outcome and functional recovery following nerve injury. Methods in Molecular Biology. 11622, 179-188 (2014).
- Bozkurt, A., et al. Aspects of static and dynamic motor function in peripheral nerve regeneration: SSI and CatWalk gait analysis. Behavioural Brain Research. 219 (1), 55-62 (2011).
- Neckel, N. D. Methods to quantify the velocity dependence of common gait measurements from automated rodent gait analysis devices. Journal of Neuroscience Methods. 253, 244-253 (2015).
- Yeh, L. S., Gregory, C. R., Theriault, B. R., Hou, S. M., Lecouter, R. A. A functional model for whole limb transplantation in the rat. Plastic and Reconstructive Surgery. 105 (5), 1704-1711 (2000).
