このプロトコルは、化学生検アプローチの利用を示し、移植のために割り当てられた腎臓移植片の品質評価のための包括的なメタボロミックおよびリピドミック分析を行う。
腎臓移植は、世界中の末期腎機能障害を持つ多数の人々にとって救命処置です。この手順は、従来の透析と比較して、生存率の増加と患者の寿命の質の向上に関連付けられている。残念ながら、移植学は臓器の質評価のための信頼できる方法の欠如に苦しんでいます。標準的な診断技術は、移植片に関する包括的な情報を提供しない巨視的外観検査または侵襲的組織生検に限定される。提案されたプロトコルは、移植のために割り当てられた腎臓に存在するすべての低分子化合物の包括的なメタボロミクスおよびリピソミクス分析のための理想的な分析方法として固相微小抽出(SPME)を導入することを目的としている。SPMEプローブの小さなサイズは、任意の組織の収集なしで臓器から直接代謝産物の抽出を可能にする化学生検の性能を可能にする。この方法の最小侵襲性は、臓器収穫直後、保存中、およびレシピエントの身体での血管新生直後の、時間の経過とともに複数の分析を実行することを可能にする。この新しいサンプリング法と高解像度の質量分析計の組み合わせにより、移植片の品質の生物学的マーカーや臓器機能障害の発症の可能性を示す指標となる一連の特徴的な化合物の識別が可能になると仮定されています。
米国の臓器調達・移植ネットワークによると、2019年に米国で腎臓移植を待っている患者は94,756人でした。2018年のヨーロッパでは、その数は10,791でした。10分ごとに、米国の全国移植待ちリストに誰かが加え、1,22の移植を待って毎日20人が死亡すると推定されています。腎臓移植は、世界中で末期腎機能障害に苦しむ多くの人々にとって救命処置です。この手順は、従来の透析と比較して生存率の増加と生活の質の向上に関連付けられている。
しかし、移植は臓器不足や臓器の質評価のための効果的なツールの欠如など、多くの深刻な問題に直面しています。標準的なプロトコルは、移植片の品質に関する包括的な情報を提供しない巨視的外観検査または侵襲的組織生検に限定されています。視覚的評価は、眼に見える腫瘍、解剖学的異常、または移植片への広範な損傷を同定することを可能にするが、このアプローチは非常に主観的であり、観察者の経験に応じて有効性が異なる。一方、生検は、既存の腎障害に関する貴重な情報を提供することができ、したがって、移植片の結果を決定する際に客観的かつ証明された価値の方法であると考えられる。しかし、生検の手順には欠陥がありません。出血などの潜在的な合併症のリスクがあり、さらに4〜5時間のサンプル調製が必要であり、寒い虚血時間を大幅に延長します。したがって、特に欧州では、直接組織分析の使用は、循環死後のドナー(ECD)およびドナー(DCD)3,4の拡張基準に3,4限定される。
メタボロミクスとリピドミクスは、臓器保存中に生化学的経路の変化をよりよく理解するための有望なアプローチとして最近認識されています。メタボロミックおよびリピドミックプロファイリングは、その後の結果、臓器除去に関連する突然の環境変化に対するシステムの即時応答のモニタリングを可能にする:虚血、酸化ストレス、または炎症反応55、6、7、8。6,7,8腎臓は、代謝プロセスに大きく関連する器官であり、したがって、代謝産物および脂質濃度の測定は、潜在的な臓器質バイオマーカーの同定を可能にし、移植片の結果のより良い予測を可能にするかもしれない。
現在の臓器の質評価方法に関連する上記の合併症と制限を考えると、迅速かつ複雑な臓器質評価のためには、より侵襲性の低い診断ソリューションが必要です。固相微小抽出(SPME)は、代謝産物および脂質の広いスペクトルの範囲を可能にする低侵襲分析方法として、これらの要件に準拠しています。この技術は、短時間の間、検査された器官に選択的な抽出段階で覆われた、薄い(〜200 μm)、生体適合性のチタンニッケル合金プローブの挿入に基づいています。SPMEはタンパク質の抽出を妨げ、サンプル採取の段階で既に代謝抑制を可能にし、代替方法よりも大きな利点であることを強調すべきである。さらに、装置の小型化は器官99、10、1110,11の少数の構造の反復および同時分析の実行を可能にする。
臓器の質の評価は、特定の臓器が移植に実行可能であるかどうか、またはそれを廃棄しなければならないかどうかについて迅速な情報に基づいた意思決定を行わなければならない医師にとって依然として大きな課題です。ドナーの年齢、虚血の持続時間、感染症および炎症過程などの複数の要因が、長期的な移植片の結果に影響を与える可能性があります。腎臓同種移植機能を診断するためにこれまでにさまざまな方法が開発されてきたが、組織病理学的検査はその問題33、4、124,のゴールドスタンダードであり続けている。生検の手順は、既存のドナー病および血管変化に関する重要な情報を得ることができるが、欠陥がない。臓器機能に関する包括的な情報に対する不十分な糸球体の不十分な観察者間変動およびサンプリングに関連するサンプリング誤差は、この点で典型的な懸念事項のままである。さらに、検体調製は、凍結切片の場合の移植片の不完全な評価、およびパラフィン切片の手順時間の延長などのいくつかの問題をもたらす。しかし、微視的または総血尿として急性に現れる出血のリスクの増加は、生検手順に関連する主要な生命を脅かす合併症である。このため、許容生検の数は移植手順において厳密に制限されており、この方法12、13、14,13,14を介して動的変化および時系列解析のキャプチャを妨げる要因である。組織学的分析の利点は、方法論に関連するリスクと比較検討する必要があります。組織学的知見の価値は論じられませんが、収差の分子メカニズムを説明していません。
メタボロミクスとリピドミクスは、科学ファミリーの最も若い領域です。代謝ネットワーク内で結合された低分子(<1,200 Da)のヒト代謝産物および脂質の完全なセットは、ヒトメタボロームとして定義されます。ゲノムは生涯を通じて比較的一定であり、突然変異によって引き起こされるわずかな改変はまれである。メタボロムは、すべての生物学的プロセスの変化と環境要因に非常に敏感な遺伝子発現の産物です。代謝物と脂質の動的性質は、現在の臓器状態77、8、15、168,15,16の完璧な指標になります。上記のプロトコルで提案されたSPME法は、ドナーの体内からの臓器除去からレシピエントの再血管化まで、その保存中に臓器内で起こる変化の検出を可能にする。プローブの小径(約200μm)は、侵襲性を最小限に抑え、組織に損傷を与えることなく、同じ臓器から数回のサンプリングを可能にします。最も頻繁に移植される臓器として腎臓を用いた研究を行うことで、移植片の質と機能を低下させる代謝経路をよりよく理解し、さらなる特徴付けが可能になる。時間の経過に関する変更を監視する可能性は、バイオプシーなどの従来の侵襲的方法と比較して、この技術の重要な利点です。現在発表されている分析では、脂質および代謝産物の様々なグループ、特に必須アミノ酸、プリン、ヌクレオシド、グリセロリン脂質の変化した濃度を同定した。これらの結果は、以前の組織分析レポート5,6,17,,18,19,20と一致しています。現在までに、メタボロミクスまたはリピドミクスを利用して、移植後の合併症を誘発する過程を説明する科学的報告の大半、または虚血/再灌流傷害(IRI)現象は、生体流体21、22、2322,23の解析に限定されてきた。21
各臨床アプリケーションは、分析方法の性能が期待される基準を満たしていることを確認するために、サンプリングプロトコルの最適化を必要とします。この点に関して、SPMEを利用する利点は、様々な実験計画の条件を調整する可能性である。さまざまなアクセス可能な抽出段階は、多様な極性を有する抽出された代謝産物の広いスペクトルを提供する。同時に、これは、各吸着剤が特定の特徴に対して選択性を提供し、サンプルマトリックスに存在するすべての化合物を抽出しないことにより、方法の制限と考えられる可能性があります。SPMEコーティングは、遊離分子を介してのみ抽出し、単に検体の結合された分画と相互作用しないことに留意すべきである。コーティングの生体適合性は、タンパク質などの大きな分子の抽出を抑制しながら、組織に毒性を導入しません。その結果、酵素プロセスはサンプル収集の段階で既に阻害され、アーティファクトの存在は最小限に抑え、代替サンプリング方法よりも大きな利点です。コーティングの長さは、抽出の効率に影響を与えます(すなわち、コーティングの長さは、表面積と抽出相体積を指定します)。したがって、長いコーティングはより高い回収をもたらす。一方、短いコーティングは、より高い空間分解能を可能にします。信頼性の高い結果を得るためには、プローブを腎臓皮質の全く同じ深さに沈下することが重要です。挿入が深すぎると、腎臓髄質に入るリスクが生じます。抽出の時間も抽出効率に比例する。したがって、最適な抽出時間の選択は、SPME法開発における最も重要なステップの1つです。時間測定の正確さは最も高い反復性を提供する。議論されたような生物学的用途では、分析プロトコルの感度と再現性と医療処置の制限との間には常に妥協点がある。平衡抽出は最高の感度を提供するが、安全上の理由から、抽出時間が手術の全期間に影響を及ぼさないはずなため、平衡状態が多くそのような用途で使用される。脱着の効率は、脱離溶媒のプロセスと組成の時間とによって決定され、クロマトグラフィー分離99、10、1110,に使用される移動相と互換性があるはずである。11
手術内評価に使用される診断機器の主要な要件の1つは、分析の時間です。現在、マイクロ流体開放界面(MOI)24またはコーティングされたブレードスプレー(CBS)25を介して質量分析計に直接結合したin vivo SPME抽出のための迅速なツールを開発25する試みがなされている。このようなアプローチは、分析結果を実際のリアルタイムまたはリアルタイムに近づけて開示することを可能にします。このような代謝およびリピドミックプロファイルの介入前分析のための方法の使用は、移植手順中の意思決定プロセスを強化し、臓器不全の場合に可能な限り最良のパーソナライズされたアプローチと迅速な応答を可能にする可能性がある。
要約すると、提案されたプロトコルは、腎臓移植片の完全な代謝および脂質学的プロファイルの達成を可能にし、その結果、虚血再灌流傷害を引き起こすプロセスの臓器の質と特徴付けの包括的な評価を提供すると仮定される。このプロジェクトの新しい技術には、メタボロミクスおよびリピドミクス分析に利用できる最も革新的な技術(例えば、Orbitrap高解像度質量分析計)と組み合わせて、低侵襲的な生体サンプリングを提供する固相微小抽出(SPME)の利用が含まれます。SPMEは、サンプルの収集、抽出、および代謝物の焼入れを一歩で組み合わせることで、迅速な分析に最適なツールです。このプロトコルは、腎臓の移植前の状態が移植後の臓器機能の遅延やその機能不全の原因であるもの、ならびに移植片保存プロトコルが臓器の生化学にどのような影響を与えるかに関する質問に答えるのに役立つと予想される。このような知識は、移植に関連する合併症の予防に大きな影響を与えるだけでなく、現在の移植片保存プロトコルを改善するのに役立ち、実行可能な移植組織の喪失と生命の喪失を最小限に抑える可能性があります。提案された解決策は、特定の潜在的なバイオマーカーの検証および移植学における治療結果の改善を含む、この分野におけるさらなる調査への扉を開く。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、国立科学センターからの助成金Opus UMO-2017/27/B/NZ5/01013によって支えられた。著者らは、SPMEデバイスを提供するためのメルクKGaA、ダルムシュタット、ドイツのビジネスであるMilliporeSigmaを認めたいと考えています。メルクのライフサイエンス事業は、米国とカナダでミリポアシグマとして事業を展開しています。また、著者らは、Q-Exactive Focus軌道質量分析計へのアクセスに対するサーモフィッシャーサイエンティフィックに感謝したいと考えている。著者らは、アレクサンドラ・ウォデルスカ・ヤシンスカ博士とビドゴシュチの移植・一般外科の職員に対し、このプロジェクトにおける彼らの親切な支援に感謝したいと考えています。BBは、ウォータールー大学滞在中にトロント総合病院でサンプルコレクションを行った機会を得たヤヌシュ・パウリシン教授に感謝したいと考えています。
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 |