En murin svans lymfödem modell
Summary
Lymphedema är extremitet svullnad orsakas av lymfatisk dysfunktion. Vi beskriver en kronisk murin svans modell av lymfödem och den nya användningen av vävnad nanotransfection teknik (TNT) för genetiska last leverans till svansen.
Abstract
Lymphedema är extremitet svullnad orsakas av lymfatisk dysfunktion. Den drabbade delen förstoras på grund av ackumulering av vätska, fett och fibros. Det finns inget botemedel mot denna sjukdom. En mus svans modell som använder en focal full tjocklek huden excision nära basen av svansen, vilket resulterar i svans svullnad, har använts för att studera lymfödem. Denna modell kan dock resultera i vaskulär omfattar och därav följande svans nekros och tidig svans svullnad resolution, begränsa dess kliniska översättning. Den kroniska murin svans lymfödem modell inducerar ihållande lymfödem över 15 veckor och en tillförlitlig perfusion till svansen. Förbättringar av den traditionella murin svans lymfödem modell inkluderar 1) exakt full tjocklek excision och lymfatisk urklipp med hjälp av ett kirurgiskt mikroskop, 2) bekräftelse av postoperativa kranskärlen och venös perfusion med hög upplösning laser speckle och 3) funktionell bedömning med hjälp av indocyanin grön nära infraröd laser lymfangiografi. Vi använder också vävnad nanotransfection teknik (TNT) för nya icke-virala, transkutan, focal leverans av genetisk last till mus svans vaskulatur.
Introduction
Lymphedema är extremitet svullnad orsakas av lymfatisk dysfunktion. Den drabbade delen förstoras på grund av ackumulering av vätska, fett och fibros1. Lymfödem påverkar 250 miljoner människor överhela världen 2,3,4. Det uppskattas att 20-40% av patienterna som genomgår behandling för fasta maligniteter, såsom bröstcancer, melanom, gynekologiska/ urologiska tumörer, eller sarkom, utvecklarlymfödem 2,4,5. Sjuklighet från lymfödem inkluderar återkommande infektioner, smärta och deformitet6. Det finns inget botemedel mot denna progressiva, livslånga sjukdom. Nuvarande terapier är variabyeffektiva 7 och inkluderar komprimering, fullständig avsvällande terapi av sjukgymnaster, excisional förfaranden och mikrokirurgi, inklusive vascularized lymfkörtel överföring och lymfatisk bypass7,8,9,10,11,12,13,14. Den idealiska behandlingen av lymfödem har ännu inte upptäckts.
Studier av mekanismen och terapin av lymfödem har varit begränsad. Det finns en genomsnittlig fördröjd inset av ett år efter lymfatiskskada 15,16 och de flesta individer som upplever iatrogen förolämpning med strålning och kirurgi utvecklar intelymfödem 4,6,17. Även om stora djurmodeller, inklusive hund, får och gris harbeskrivits 18,19,20, har mussvansmodellen varit den mest tillämpade på grund av lätthet, kostnad och reproducibilitet. Musmodeller för att undersöka lymfödem inkluderar en svansmodell, difteritoxin medierad lymfatisk ablation och axillär eller popliteal lymfkörteldesektion21,22,23,24,25,26. De flesta svansmodeller använder en fokal hudexcision med full tjocklek med lymfatisk kanalklippning som utförs nära svansens botten22, vilket resulterar i svanssvullnad och histologiska egenskaper som liknar mänskligtlymfödem 24,27,28,29. Standard murin svans modell vanligtvis spontana löser sig i så få som 20 dagar och åtföljs av periodisk svans nekros30. Lymphedema mus svans modell sträcker sig en ihållande lymfödem över 15 veckor, visar bekräftade kranskärlens och venös patency och tillåter funktionella lymfatiska dysfunktion bedömning.
En murin svans modell av lymfödem möjliggör utvärdering av nya terapier för att behandla lymfödem. Genbaserade strategier har använts i musmodellen förmedlad av virusvektorer31,32. Vi använder också en ny vävnad nanotransfection teknik (TNT) för genetisk last leverans till lymfamatous mus svans. TNT underlättar direkt, transkutan genleverans med hjälp av ett chip med nanokanaler i ett snabbt fokuserat elektrisktfält 33,34,35,36. Modellen inkluderar att använda TNT2.0 för att möjliggöra fokal genleverans av potentiella genbaserade terapier till lymfatiska skadestället i mussvansen35.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lymfödem kategoriseras som en primär (medfödd) eller sekundär (iatrogen lymfatisk) skada38,39. Sekundärt lymfödem omfattar 99% av fallen39. Sekundärt lymfödem orsakas oftast av infektion (filariasis) eller post-onkologisk behandling med lymfadenektomi eller strålning4,39. En translationell djurmodell är utmanande för sekundärt lymfödem, eftersom 70% av djur som behandl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av bidragsfinansiering från American Association of Plastic Surgeons Academic Scholarship och Department of Defense W81XWH2110135 till AHH. Estetisk kirurgi utbildning och forskning stiftelse anslag till MS. NIH U01DK119099, R01NS042617 och R01DK125835 till CKS.
Materials
| Surgical Microscope | Leica, Wetzlar, Germany | MSV266 | |
| Adherent Dressing (Tegaderm) | 3M, St. Paul, Minn. | 1626W | |
| Laser speckle (Pericam PSI System ) | Perimed AB, Stockholm, Sweden) | PSIZ | |
| Near-infrared laser (LUNA) | Stryker (Formerly Novadaq Technologies, Toronto, Canada) | LU3000 | |
| C57BL/6 mice | Jackson Laboratories | 000664 | |
| Micro-Adson Forceps – 1×2 Teeth | Fine Science Tools (USA) Inc. | 11019-12 | |
| V-Hook | Fine Science Tools (USA) Inc. | 18052-12 | |
| Scalpel SS NO15 | Fischer Scientific | 29556 | |
| Disposable Needle 30GX1 | Fischer Scientific | 305128 | |
| Operating Scissors | Fischer Scientific | 12-460-796 | |
| Surgi-Or Jeweler's Forceps, Sklar 4-1/2 in | Fischer Scientific | 50-118-4255 | |
| Spring Scissors – Straight/Sharp-Sharp/8mm Cutting Edge | Fine Science Tools (USA) Inc. | 15024-10 | |
| Cardiogreen | Sigma | I2633-25MG | |
| IsosulfanBlue (Lymphazurin) 50 mg/5ml | Mylan | 67457-220-05 |
References
- Kataru, R. P., et al. Fibrosis and secondary lymphedema: chicken or egg. Translation Research. 209, 68-76 (2019).
- Brayton, K. M., et al. Lymphedema prevalence and treatment benefits in cancer: impact of a therapeutic intervention on health outcomes and costs. PLoS One. 9 (12), 114597 (2014).
- Mendoza, N., Li, A., Gill, A., Tyring, S. Filariasis: diagnosis and treatment. Dermatology and Therapy. 22 (6), 475-490 (2009).
- Rockson, S. G., Rivera, K. K. Estimating the population burden of lymphedema. Annals of the New York Academy of Sciences. 1131, 147-154 (2008).
- Soran, A., et al. Breast cancer-related lymphedema–what are the significant predictors and how they affect the severity of lymphedema. Breast Journal. 12 (6), 536-543 (2006).
- Hayes, S. C., et al. Upper-body morbidity after breast cancer: incidence and evidence for evaluation, prevention, and management within a prospective surveillance model of care. Cancer. 118, 2237-2249 (2012).
- Carl, H. M., et al. Systematic Review of the Surgical Treatment of Extremity Lymphedema. Journal of Reconstructive Microsurgery. 33 (6), 412-425 (2017).
- Garza, R., Skoracki, R., Hock, K., Povoski, S. P. A comprehensive overview on the surgical management of secondary lymphedema of the upper and lower extremities related to prior oncologic therapies. BMC Cancer. 17 (1), 468 (2017).
- Hassanein, A. H., et al. Deep Inferior Epigastric Artery Vascularized Lymph Node Transfer: A Simple and Safe Option for Lymphedema. Journal of Plastic, Reconstructive, Aesthetic Surgery. 73 (10), 1897-1916 (2020).
- Hassanein, A. H., Sacks, J. M., Cooney, D. S. Optimizing perioperative lymphatic-venous anastomosis localization using transcutaneous vein illumination, isosulfan blue, and indocyanine green lymphangiography. Microsurgery. 37 (8), 956-957 (2017).
- Chang, D. W., Masia, J., Garza, R., Skoracki, R., Neligan, P. C. Lymphedema: Surgical and Medical Therapy. Plastic and Reconstructive Surgery. 138, 209-218 (2016).
- Gould, D. J., Mehrara, B. J., Neligan, P., Cheng, M. H., Patel, K. M. Lymph node transplantation for the treatment of lymphedema. Journal of Surgical Oncology. 118 (5), 736-742 (2018).
- Cook, J. A., et al. Immediate Lymphatic Reconstruction after Axillary Lymphadenectomy: A Single-Institution Early Experience. Annals of Surgical Oncology. , (2020).
- Cook, J. A., Hassanein, A. H. ASO Author Reflections: Immediate Lymphatic Reconstruction: A Proactive Approach to Breast Cancer-Related Lymphedema. Annals of Surgical Oncology. , (2020).
- Johansson, K., Branje, E. Arm lymphoedema in a cohort of breast cancer survivors 10 years after diagnosis. Acta Oncologica. 49 (2), 166-173 (2010).
- Johnson, A. R., et al. Lymphedema Incidence After Axillary Lymph Node Dissection: Quantifying the Impact of Radiation and the Lymphatic Microsurgical Preventive Healing Approach. Annals of Plastic Surgery. 82, 234-241 (2019).
- Gartner, R., Mejdahl, M. K., Andersen, K. G., Ewertz, M., Kroman, N. Development in self-reported arm-lymphedema in Danish women treated for early-stage breast cancer in 2005 and 2006–a nationwide follow-up study. Breast. 23 (4), 445-452 (2014).
- Shin, W. S., Rockson, S. G. Animal models for the molecular and mechanistic study of lymphatic biology and disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1131, 50-74 (2008).
- Tobbia, D., et al. Lymphedema development and lymphatic function following lymph node excision in sheep. Journal of Vascular Research. 46 (5), 426-434 (2009).
- Olszewski, W., Machowski, Z., Sokolowski, J., Nielubowicz, J. Experimental lymphedema in dogs. Journal of Cardiovascular Surgery. 9 (2), 178-183 (1968).
- Rutkowski, J. M., Moya, M., Johannes, J., Goldman, J., Swartz, M. A. Secondary lymphedema in the mouse tail: Lymphatic hyperplasia, VEGF-C upregulation, and the protective role of MMP-9. Microvascular Research. 72 (3), 161-171 (2006).
- Tabibiazar, R., et al. Inflammatory manifestations of experimental lymphatic insufficiency. PLoS Medicine. 3 (7), 254 (2006).
- Slavin, S. A., Van den Abbeele, A. D., Losken, A., Swartz, M. A., Jain, R. K. Return of lymphatic function after flap transfer for acute lymphedema. Annals of Surgery. 229 (3), 421-427 (1999).
- Zampell, J. C., et al. Toll-like receptor deficiency worsens inflammation and lymphedema after lymphatic injury. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 302 (4), 709-719 (2012).
- Gardenier, J. C., et al. Diphtheria toxin-mediated ablation of lymphatic endothelial cells results in progressive lymphedema. JCI Insight. 1 (15), 84095 (2016).
- Weiler, M. J., Cribb, M. T., Nepiyushchikh, Z., Nelson, T. S., Dixon, J. B. A novel mouse tail lymphedema model for observing lymphatic pump failure during lymphedema development. Scientific Reports. 9 (1), 10405 (2019).
- Avraham, T., et al. Th2 differentiation is necessary for soft tissue fibrosis and lymphatic dysfunction resulting from lymphedema. FASEB J. 27 (3), 1114-1126 (2013).
- Zampell, J. C., et al. CD4(+) cells regulate fibrosis and lymphangiogenesis in response to lymphatic fluid stasis. PLoS One. 7 (11), 49940 (2012).
- Arruda, G., Ariga, S., de Lima, T. M., Souza, H. P., Andrade, M. A modified mouse-tail lymphedema model. Lymphology. 53 (1), 29-37 (2020).
- Jun, H., et al. Modified Mouse Models of Chronic Secondary Lymphedema: Tail and Hind Limb Models. Annals of Vascular Surgery. 43, 288-295 (2017).
- Karkkainen, M. J., et al. A model for gene therapy of human hereditary lymphedema. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (22), 12677-12682 (2001).
- Yoon, Y. S., et al. VEGF-C gene therapy augments postnatal lymphangiogenesis and ameliorates secondary lymphedema. Journal of Clinical Investigation. 111 (5), 717-725 (2003).
- Gallego-Perez, D., et al. Topical tissue nano-transfection mediates non-viral stroma reprogramming and rescue. Nature Nanotechnology. 12 (10), 974-979 (2017).
- Moore, J. T., et al. Nanochannel-Based Poration Drives Benign and Effective Nonviral Gene Delivery to Peripheral Nerve Tissue. Advanced Biosystems. , 2000157 (2020).
- Zhou, X., et al. Exosome-Mediated Crosstalk between Keratinocytes and Macrophages in Cutaneous Wound Healing. ACS Nano. 14 (10), 12732-12748 (2020).
- Roy, S., et al. Neurogenic tissue nanotransfection in the management of cutaneous diabetic polyneuropathy. Nanomedicine. 28, 102220 (2020).
- Sitzia, J. Volume measurement in lymphoedema treatment: examination of formulae. European Journal of Cancer Care. 4 (1), 11-16 (1995).
- Smeltzer, D. M., Stickler, G. B., Schirger, A. Primary lymphedema in children and adolescents: a follow-up study and review. Pediatrics. 76 (2), 206-218 (1985).
- Maclellan, R. A., Greene, A. K. Lymphedema. Seminars in Pediatric Surgery. 23 (4), 191-197 (2014).
- Clavin, N. W., et al. TGF-beta1 is a negative regulator of lymphatic regeneration during wound repair. American Journal of Physiology: Heart and Circulatory Physiology. 295 (5), 2113-2127 (2008).
- Gnyawali, S. C., et al. Retooling Laser Speckle Contrast Analysis Algorithm to Enhance Non-Invasive High Resolution Laser Speckle Functional Imaging of Cutaneous Microcirculation. Scientific Reports. 7, 41048 (2017).
