该协议介绍了化学活检方法的利用,然后对用于移植的肾移植进行质量评估的综合代谢和唇部分析。
肾移植是全世界大量肾功能障碍患者的生命治疗。与传统透析相比,该手术与存活率的提高和患者生活质量的提高有关。令人遗憾的是,移植学缺乏可靠的器官质量评估方法。标准诊断技术仅限于宏观外观检查或侵入性组织活检,这些活检不能提供有关移植物的全面信息。拟议的方案旨在引入固相微萃取(SPME)作为综合代谢组学和脂肪分析的理想分析方法,用于对肾脏中所有用于移植的低分子化合物进行分析。SPME 探针体积小,可实现化学活检,无需任何组织收集即可直接从器官中提取代谢物。该方法的最小侵入性允许随着时间的推移执行多种分析:直接在器官采集后、保存过程中以及在接受者体内重新血管化之后。假设这种新颖的采样方法与高分辨率质谱仪相结合,将允许对一组特性化合物进行识别,这些化合物可以作为移植质量的生物标志物,并指示器官功能障碍可能发展。
根据美国器官采购和移植网络,2019年美国有94,756名患者在等待肾脏移植;而在2018年,在欧洲,这个数字是10,791。每10分钟,有人被添加到国家移植等待名单在美国,估计每天有20人死亡等待移植1,2。,2肾移植是一种挽救生命的治疗,为世界各地大量的患有末期肾功能障碍的人。与传统透析相比,该手术与存活率提高和生活质量提高有关。
然而,移植面临着许多严重的问题,如器官短缺或缺乏有效的器官质量评估工具。标准方案仅限于宏观外观检查或侵入性组织活检,它们不能提供有关移植物质量的全面信息。虽然视觉评估允许识别眼睛可见的肿瘤、解剖异常或对移植物的广泛损伤,但这种方法是非常主观的,根据观察者的经验,其有效性各不相同。另一方面,活检可以提供关于预先存在的肾脏疾病的宝贵信息,因此被认为是一种客观和有证据的方法,在确定移植结果。然而,活检程序并非没有缺陷;有潜在的并发症的风险,如出血和额外的4-5小时的样品制备需要,这显著延长了冷缺血时间。因此,特别是在欧洲,直接组织分析的使用仅限于扩大标准捐赠者(ECD)和供者循环死亡后(DCD)3,4。3,4
代谢组学和唇部学最近被认为是有希望的方法,以更好地了解在器官保存过程中发生的生化途径的变化。代谢和唇膜分析能够监测系统对与器官切除有关的突然环境变化的即时反应,随后产生后果:缺血、氧化应激或炎症反应5、6、7、8。,7,85,肾脏是一个器官,在很大程度上与代谢过程有关,因此代谢物和脂质浓度的测量可能允许识别潜在的器官质量生物标志物,并更好地预测移植结果。
鉴于上述并发症和与当前器官质量评估方法相关的限制,需要一种侵入性较小的诊断解决方案,用于快速和复杂的器官质量评估。固相微萃取 (SPME) 符合这些要求,作为微创分析方法,能够覆盖广泛的代谢物和脂质。该技术基于将薄(±200μm),生物相容,钛镍合金探针覆盖选择性提取阶段覆盖到检查器官很短的时间。应该强调的是,SPME可以防止蛋白质提取,因此使得代谢抑制已经在样品采集阶段,这是一个显著的优势比替代方法。此外,该装置的小型化允许对器官,9、10、11,的少数结构进行重复和同时分析。
对医生来说,对器官质量的评估仍然是一个很大的挑战,他们必须就一个器官是否可行或是否必须被丢弃作出快速知情的决定。多种因素,如供体年龄、缺血持续时间、感染和炎症过程,可影响长期移植结果。虽然已经开发出多种方法来诊断肾同位功能,组织病理学检查仍然是金本位标准,在物质3,4,12。,4,12虽然活检程序可以产生关于预先存在的供体疾病和血管变化的大量信息,但它并非没有缺陷。与观察员间变异性有关的取样错误和缺乏关于器官功能的全面信息的 glomeruli 采样仍然是这方面的典型关切。此外,标本制备也带来了一些问题,如冷冻截面的嫁接评估不完整,石蜡剖面的手术时间延长。然而,出血风险的增加,可能严重显示为显微或严重血尿,是与活检程序相关的主要危及生命的并发症。因此,允许的活检数量在移植手术中受到严格限制,这一因素妨碍了通过这种方法12、13、14,13,捕捉动态变化和时间序列分析。组织学分析的好处必须与与该方法相关的风险进行权衡。组织学发现的价值是无可争辩的,但它们不能解释畸变的分子机制。
代谢组学和唇部学是”-组学”科学家族中最年轻的领域。在代谢网络内连接的一套完整的低分子(<1,200 Da)人类代谢物和脂质被定义为人类代谢物。基因组在其整个生命周期中保持相对恒定,由于突变很少发生而导致的轻微修饰。代谢物是基因表达的产物,它对于所有生物过程和环境因素的变化都高度敏感。代谢物和脂质的动态性质使它们成为当前器官状况7、8、15、16,8,15,的完美指标。上述协议中提出的SPME方法能够检测器官保存过程中发生的变化,从器官从捐赠者体内切除到接受者的再血管化。探头的小直径(±200 μm)提供微创性,并允许从同一器官进行多次采样,而不会对组织造成任何损害。使用肾脏作为最常见的移植器官进行研究,可以更好地了解和进一步描述导致移植物质量和功能下降的代谢途径。与活检等常规侵入性方法相比,随着时间的推移监测修改的可能性无疑是该技术的一个重要优势。目前提出的分析发现,各种脂质和代谢物组,特别是必需氨基酸、紫菜、紫菜核苷酸和糖磷脂的浓度变化。这些结果与以前的组织,分析报告,,5、6、17、18、19、205,618,19是一致的。17迄今为止,大多数利用代谢组学或唇部学解释移植后诱发并发症或缺血/再灌注损伤(IRI)现象的科学报告仅限于对生物流体21、22、23,22,的分析。
每个临床应用都需要优化采样协议,以确保分析方法的性能符合预期标准。在这方面,利用SPME的好处是有可能调整各种实验设计的条件。各种可访问的萃取阶段提供了具有多种极性的广泛提取代谢物。同时,由于每个吸附剂都提供对特定特征的选择性,并且不提取样品基质中存在的所有化合物,因此,这可能被视为方法的限制。应该注意的是,SPME涂层只通过自由分子提取,根本不与分析剂的绑定部分相互作用。涂料的生物相容性在抑制蛋白质等大分子的提取的同时,不会给组织带来毒性;因此,酶过程在样品采集阶段已经受到抑制,人工制品的存在最小化,这是比替代采样方法的一大优势。涂层的长度会影响萃取效率(即涂层的长度指定表面积和萃取相积);因此,较长的涂层可产生更高的回收率。另一方面,较短的涂层可实现更高的空间分辨率。为了获得可靠的结果,将探针淹没到肾皮层完全相同的深度至关重要。插入太深会导致进入肾内大的风险。提取时间与萃取效率成正比。因此,选择最佳提取时间是SPME方法开发中最关键的步骤之一。时间测量的精度提供了最高的可重复性。在生物应用中,如所讨论的应用,分析协议的敏感性和可重复性与医疗程序的限制之间总是存在一种妥协。虽然平衡提取提供最高的灵敏度,但出于安全原因,平衡前条件通常用于此类应用,因为提取时间不应影响手术的总持续时间。脱吸效率由过程时间和脱吸溶剂的组成决定,,该溶剂应与用于色谱分离9、10、11,10的移动相相兼容。
用于手术内评估的诊断仪器的主要要求之一是分析时间。目前正在尝试开发一种快速工具,用于体内SPME提取,通过微流体开放接口(MOI)24 或涂层刀片喷雾(CBS)25直接耦合到质谱仪。这种办法将允许以实际或接近实时方式披露分析结果。使用这种方法对代谢和唇部特征进行干预前分析,可以加强移植手术期间的决策过程,从而在器官衰竭时能够获得最佳的个性化方法和快速反应。
作为摘要,假设拟议的方案将实现肾移植物的完全代谢和唇部特征,从而提供对器官质量的全面评估,并描述负责缺血-再灌注损伤的过程。该项目的新颖性包括利用固相微extraction(SPME),提供低侵入性采样的生活系统,结合可用于代谢组学和唇部学分析(例如,Orbitrap高分辨率质谱仪)的最创新技术之一。SPME 将代谢物的样品采集、提取和淬火一步地结合在一起,因此成为快速分析的完美工具。预计该协议将有助于回答有关肾脏移植前条件导致器官功能延迟或移植后功能障碍的问题,以及移植保存协议如何影响器官的生物化学。这种知识不仅对预防可能与移植有关的并发症产生重大影响,而且可能有助于改进目前的移植保存方案,最大限度地减少可行的移植组织的损失和生命损失。拟议的解决方案将为这一领域的进一步研究打开大门,包括验证特定的潜在生物标志物和改善移植学的治疗结果。
The authors have nothing to disclose.
这项研究得到了国家科学中心授予Opus UMO-2017/27/B/NZ5/01013的支持。作者要感谢德国达姆施塔特默克KGaA公司提供SPME设备的美利波雷西格玛。默克的生命科学业务在美国和加拿大以米利波雷西格玛为经营范围。此外,作者要感谢赛默费舍尔科学访问Q-精确聚焦轨道rap质谱仪。作者要感谢阿列克桑德拉·沃德斯卡-贾希斯卡博士和比德戈什茨移植学和普通外科部人员对该项目的提供。BB要感谢JanuszPawliszyn教授在多伦多总医院期间在多伦多总医院收集样品的机会。
Acetic acid | Merck | 5330010050 | Mobile phase additive |
Acetonitrile | Alchem | 696-34967-4X2.5L | HPLC solvent |
Ammonium acetate | Merck | 5330040050 | Mobile phase additive |
BENCHMIXER XL MULTI-TUBE VORTEXER | Benchmark Scientific | BV1010 | Vortex mixer |
Caps | Perlan Technologies | 5183-2076 | Blue scrw tp, pre-slit PTFE/Si spta, 100PK |
Chloroform | Merck | 1024441000 | |
Discovery HS F5 Supelguard Cartridge, 3 μm, L × I.D. 2 cm × 2.1 mm | Merck | 567570-U | HPLC guard column |
Discovery HS F5, 2.1 mm x 100 mm, 3 μm | Merck | 567502-U | HPLC column |
Formic acid | Alchem | 497-94318-50ML | Mobile phase additive |
Glass vials | Perlan Technologies | 5182-0714 | |
HILIC Luna 3 μm, 200A, 100 x 2.0 mm | Shim-Pol | PHX-00D-4449-B0 | HPLC column |
HILIC SecurityGuard Cartridge, 3 μm, 4 x 2.0 mm | Shim-Pol | PHX-AJ0-8328 | HPLC guard column |
Isopropanol | Alchem | 231-AL03262500 | HPLC solvent |
Methanol | Alchem | 696-34966-4X2.5L | HPLC solvent |
Nano-pure water | Merck | 1037281002 | HPLC solvent |
Q Exactive Focus hybrid quadrupole-Orbitrap MS | Thermo Scientific | Q Exactive Focus | Mass Spectrometer |
SeQuant ZIC-cHILIC 3µm,100Å 100 x 2.1 mm | Merck | 1506570001 | HPLC column |
SeQuant ZIC-HILIC Guard Kit 20 x 2.1 mm | Merck | 1504360001 | HPLC guard column |
SPME LC fiber probes, mixed mode | Supelco | prototype fibers | |
UltiMate 3000 HPLC systems | Thermo Scientific | UltiMate 3000 | HPLC system |
Vial inserts (deactivated) | Perlan Technologies | 5181-8872 | |
XSelect CSH C18 3.5μm 2.1x75mm | Waters | 186005644 | HPLC column |
XSelect CSH C18 VanGuard Cartridge 3.5μm, 2.1x5mm | Waters | 186007811 | HPLC guard column |