Lipopolysaccharide-infusie als een endotoxemisch shockmodel bij varkens
Summary
We bieden een protocol voor een experimenteel endotoxemisch shockmodel bij varkens door infusie van lipopolysaccharide.
Abstract
Sepsis en septische shock komen vaak voor bij patiënten die op de intensive care (ICU’s) worden behandeld en behoren tot de belangrijkste doodsoorzaken bij deze patiënten. Het wordt veroorzaakt door een ontregelde immuunrespons op een infectie. Zelfs met een geoptimaliseerde behandeling blijven de sterftecijfers hoog, waardoor verdere inzichten in de pathofysiologie en nieuwe behandelingsopties noodzakelijk zijn. Lipopolysaccharide (LPS) is een bestanddeel van het celmembraan van gramnegatieve bacteriën, die vaak verantwoordelijk zijn voor infecties die sepsis en septische shock veroorzaken.
De ernst en hoge mortaliteit van sepsis en septische shock maken gestandaardiseerde experimentele studies bij mensen onmogelijk. Er is dus een diermodel nodig voor verdere studies. Het varken is bijzonder geschikt voor dit doel omdat het qua anatomie, fysiologie en grootte sterk op mensen lijkt.
Dit protocol biedt een experimenteel model voor endotoxemische shock bij varkens door LPS-infusie. We waren in staat om op betrouwbare wijze veranderingen te induceren die vaak worden waargenomen bij patiënten met septische shock, waaronder hemodynamische instabiliteit, respiratoire insufficiëntie en acidose. Dit zal onderzoekers in staat stellen om waardevol inzicht te krijgen in deze zeer relevante aandoening en nieuwe therapeutische benaderingen in een experimentele setting te evalueren.
Introduction
Sepsis en septische shock behoren tot de belangrijkste doodsoorzaken bij patiënten die een intensive care-behandeling ondergaan 1,2,3. Sepsis ontstaat wanneer een infectie een ontregelde immuunrespons veroorzaakt, wat resulteert in multi-orgaanfalen. Het wordt gekenmerkt door levensbedreigende symptomen, waaronder hemodynamische instabiliteit, ademnood, lever- en nierfalen, evenals cognitieve stoornissen 4,5. Septische shock vertegenwoordigt een subset van sepsis met bijzonder ernstige symptomen die de mortaliteit aanzienlijk verhogen. Deze symptomen zijn onder meer aanhoudende hypotensie waarvoor vasopressortherapie nodig is en een serumlactaatspiegel van meer dan 2 mmol∙L-1 4,5. De sterftecijfers bij patiënten met septische shock zijn geschat op 40%, zelfs met ziekenhuisbehandeling 1,3,5.
Gramnegatieve bacteriën, zoals Pseudomonas en Escherichia coli, veroorzaken vaak infecties die deze ontregelde immuunresponsveroorzaken4. De onderliggende pathofysiologische mechanismen zijn complex en nog niet volledig begrepen. Een goed beschreven aspect betreft de activering van Toll-achtige receptoren op immuuncellen door pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP’s), wat leidt tot het vrijkomen van cytokines zoals tumornecrosefactor-alfa (TNFα) of Interleukine 1 (IL 1)4. Een van deze PAMP’s is lipopolysaccharide (LPS), dat een onderdeel vormt van het celmembraan in gramnegatieve bacteriën6. LPS is in diermodellen gebruikt om endotoxemie en endotoxemische shock te induceren 7,8.
Diermodellen bieden een gecontroleerde en gestandaardiseerde setting om nieuwe behandelingsstrategieën te ontwikkelen en te onderzoeken. Vanwege de vergelijkbare anatomie, immunologische fysiologie en vergelijkbare hemodynamische parameters is het varkensmodel bijzonder geschikt voor het bestuderen van de effecten van endotoxemische shock 9,10. Bovendien kan standaard medische apparatuur die vaak bij menselijke patiënten wordt gebruikt, gemakkelijk bij varkens worden toegepast vanwege de vergelijkbare grootte van hun luchtwegen en bloedvaten, waardoor instrumentatie en hemodynamische monitoring worden vergemakkelijkt.
Met dit protocol bieden we een experimenteel model voor endotoxemische shock bij varkens door intraveneus toedienen van LPS afgeleid van E. coli. Om de effecten te monitoren, hebben we hemodynamische en pulmonale parameters gemeten, waaronder arteriële bloeddruk, hartslag, perifere zuurstofverzadiging, pulmonale arteriële druk en luchtwegdruk. Om de invloed van endotoxemie op de cerebrale zuurstoftoevoer te evalueren, gebruikten we nabij-infraroodspectrometrie (NIRS). Met deze methode kan de cerebrale zuurstofverzadiging worden geëvalueerd via een zelfklevende elektrode die op het voorhoofd wordt aangebracht11.
Protocol
Representative Results
Discussion
We presenteren een protocol voor het induceren van experimentele endotoxemie bij varkens door middel van LPS-infusie, met als doel op betrouwbare wijze veranderingen te induceren die vaak worden waargenomen bij sepsis en septische shock. In dit protocol moeten verschillende cruciale stappen worden overwogen. Adequate sedatie van varkens voorafgaand aan het transport is van cruciaal belang om door stress veroorzaakte verhoging van de catecholaminespiegels te voorkomen, wat de resultaten mogelijk in gevaar zou kunnen breng…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Dagmar Dirvonskis bedanken voor haar uitstekende technische ondersteuning.
Materials
| Atracurium Hikma 50 mg/5mL | Hikma Pharma GmbH, Martinsried | ||
| Azaperone (Stresnil) 40 mg/mL | Lilly Deutschland GmbH, Bad Homburg, Germany | ||
| BD Discardit II Spritze 2, 5, 10, 20 mL | Becton Dickinson S.A. Carretera, Mequinenza Fraga, Spain | syringe | |
| BD Luer Connecta | Becton Dickinson Infusion Therapy, AB Helsingborg, Schweden | 3-way-stopcock | |
| Curafix i.v. classics | Lohmann & Rauscher International GmbH & Co. KG, Rengsdorf, Germany | Cannula retention dressing | |
| Datex Ohmeda S5 | GE Healthcare Finland Oy, Helsinki, Finland | hemodynamic monitor | |
| Engström Carestation | GE Heathcare, Madison USA | ventilator | |
| Fentanyl-Janssen 0.05 mg/mL | Janssen-Cilag GmbH, Neuss | fentanyl | |
| Führungsstab, Durchmesser 4.3 | Rüsch | endotracheal tube introducer | |
| Incetomat-line 150 cm | Fresenius, Kabi Deutschland, GmbH | perfusor line | |
| Intrafix Primeline | B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany | Infusion line | |
| Introducer sheath 5 Fr. | Terumo Healthcare | arterial introducer | |
| INVOS | Medtronic, Dublin, Ireland | near infrared spectrometry | |
| JOZA Einmal Nitril Untersuchungshandschuhe | JOZA, München, Germany | disposable gloves | |
| Laryngoscope, 45.48.50, KL 2000 | Medicon | Laryngoscope handle | |
| Littmann Classic III Stethoscope | 3M Deutschland GmbH, Neuss, Germany | stethoscope | |
| LPS (E. coli; Serotype O111:B4) | Sigma-Aldrich, Switzerland | ||
| MAC Two-Lumen Central venous access set | Arrow international inc. Reading, PA, USA | venous introducer | |
| Maimed Vlieskompresse | Maimed GmbH, Neuenkirchen, Germany | Fleece compress to fix the tongue | |
| Masimo LNCS Adtx SpO2 sensor | Masimo Corporation Irvine, Ca 92618 USA | saturation clip for the tail | |
| Masimo LNCS TC-I SpO2 ear clip sensor | Masimo Corporation Irvine, Ca 92618 USA | Saturation clip for the ear | |
| Masimo Radical 7 | Masimo Corporation Irvine, Ca 92618 USA | periphereal oxygen saturation | |
| Midazolam 15 mg/3 mL | B.Braun Melsungen AG, Germany | ||
| Midmark Canine Mask Small Plastic with Diaphragm FRSCM-0005 | Midmark Corp., Dayton, Ohio, USA | dog ventilation mask | |
| Monocryl surgical suture | Johnson & Johnson, Belgium | ||
| B.Braun Melsungen AG, Germany | saline solution | ||
| NaCl 0.9 % | Sanofi- Aventis, Seutschland GmbH | ||
| Octeniderm farblos | Schülke & Mayr GmbH, Nordenstedt, Germany | Alcoholic disinfectant | |
| Original Perfusor syringe 50 mL | B.Braun Melsungen AG, Germany | perfusor syringe | |
| PA-Katheter Swan Ganz 7.5 Fr 110 cm | Edwards Lifesciences LLC, Irvine CA, USA | Swan-Ganz catheter | |
| Perfusor FM Braun | B.Braun Melsungen AG, Germany | syringe pump | |
| PiCCO catheter | PULSION Medical Systems SE, Feldkirchen, DE | ||
| Potassium chloride 1 M | Fresenius, Kabi Germany GmbH | ||
| Propofol 2% 20 mg/mL (50 mL flasks) | Fresenius, Kabi Deutschland, GmbH | ||
| Pulse-contour continous cardiac output System PiCCO2 | PULSION Medical Systems SE, Feldkirchen, DE | ||
| Rüschelit Super Safety Clear >ID 6/6.5 /7.0 mm | Teleflex Medical Sdn. Bhd, Malaysia | endotracheal tube | |
| Sonosite Micromaxx Ultrasoundsystem | Sonosite Bothell, WA, USA | ultrasound | |
| Stainless Macintosh Größe 4 | Welch Allyn69604 | blade for laryngoscope | |
| Sterofundin | B.Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany | Balanced electrolyte solution | |
| Vasco OP sensitive | B.Braun Melsungen AG, Germany | sterile gloves | |
| Vasofix Safety 22 G-16 G | B.Braun Melsungen AG, Germany | venous catheter | |
| VBM Cuff Manometer | VBM Medizintechnik GmbH, Sulz a.N., Germany | cuff pressure gauge |
References
- Vincent, J. -. L., Jones, G., David, S., Olariu, E., Cadwell, K. K. Frequency and mortality of septic shock in Europe and North America: a systematic review and meta-analysis. Critical Care. 23 (1), 196 (2019).
- Reinhart, K., et al. Recognizing sepsis as a Global Health Priority – A WHO Resolution. New England Journal of Medicine. 377 (5), 414-417 (2017).
- Cecconi, M., Evans, L., Levy, M., Rhodes, A. Sepsis and septic shock. The Lancet. 392 (10141), 75-87 (2018).
- Font, M. D., Thyagarajan, B., Khanna, A. K. Sepsis and septic shock – basics of diagnosis, pathophysiology and clinical decision making. Medical Clinics of North America. 104 (4), 573-585 (2020).
- Singer, M., et al. The Third International Consensus definitions for sepsis and septic shock (Sepsis-3). JAMA. 315 (8), 801 (2016).
- Jerala, R. Structural biology of the LPS recognition. International Journal of Medical Microbiology. 297 (5), 353-363 (2007).
- Copeland, S., Warren, H. S., Lowry, S. F., Calvano, S. E., Remick, D. Inflammation and the host response to injury investigators acute inflammatory response to endotoxin in mice and humans. Clinical and Diagnostic Laboratory Immunology. 12 (1), 60-67 (2005).
- Dickson, K., Lehmann, C. Inflammatory response to different toxins in experimental sepsis models. International Journal of Molecular Sciences. 20 (18), 4341 (2019).
- Bassols, A., Costa, C., Eckersall, P. D., Osada, J., Sabrià, J., Tibau, J. The pig as an animal model for human pathologies: A proteomics perspective. PROTEOMICS – Clinical Applications. 8 (9-10), 715-731 (2014).
- Meurens, F., Summerfield, A., Nauwynck, H., Saif, L., Gerdts, V. The pig: a model for human infectious diseases. Trends in Microbiology. 20 (1), 50-57 (2012).
- Ali, J., Cody, J., Maldonado, Y., Ramakrishna, H. Near-infrared spectroscopy (NIRS) for cerebral and tissue oximetry: analysis of evolving applications. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 36, 2758-2766 (2022).
- . Getinge Deutschland GmbH PiCCO Technologie Erweitertes hämodynamisches Monitoring auf höchstem Niveau Available from: https://www.getinge.com/dam/hospital/documents/german/picco_haemodynamisches_monitoring_broschuere-de-non_us.pdf (2023)
- Breslow, M. J., Miller, C. F., Parker, S. D., Walman, A. T., Traystman, R. J. Effect of vasopressors on organ blood flow during endotoxin shock in pigs. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 252 (2), H291-H300 (1987).
- Fink, M. P., et al. Systemic and mesenteric O2 metabolism in endotoxic pigs: effect of ibuprofen and meclofenamate. Journal of Applied Physiology. 67 (5), 1950-1957 (1989).
- Lado-Abeal, J., et al. Lipopolysaccharide (LPS)-induced septic shock causes profound changes in myocardial energy metabolites in pigs. Metabolomics. 14 (10), 131 (2018).
- Park, I., et al. Characterization of fecal peritonitis-induced sepsis in a porcine model. The Journal of Surgical Research. 244, 492-501 (2019).
- Jarkovska, D., et al. Heart rate variability in porcine progressive peritonitis-induced sepsis. Frontiers in Physiology. 6, 412 (2015).
- Kohoutova, M., et al. Vagus nerve stimulation attenuates multiple organ dysfunction in resuscitated porcine progressive sepsis. Critical Care Medicine. 47 (6), e461-e469 (2019).
- Vintrych, P., et al. Modeling sepsis, with a special focus on large animal models of porcine peritonitis and bacteremia. Frontiers in Physiology. 13, 1094199 (2022).
- Stengl, M., et al. Reduced L-type calcium current in ventricular myocytes from pigs with hyperdynamic septic shock. Critical Care Medicine. 38 (2), 579-587 (2010).
