프로토콜은 이식에 할당된 신장 이식의 질 평가를 위한 포괄적인 metabolomic 및 lipidomic 분석 뒤에 화학 생검 접근의 이용을 제시합니다.
신장 이식은 전 세계적으로 말기 신장 기능 장애를 가진 사람들의 다수를 위한 생명을 구하는 처리입니다. 절차는 전통적인 투석에 비교될 때 증가한 생존율 및 환자의 생활의 더 중대한 질과 연관됩니다. 유감스럽게도 이식학은 장기 품질 평가를 위한 신뢰할 수 있는 방법의 부족으로 고통받고 있습니다. 표준 진단 기술은 접목에 대한 포괄적인 정보를 제공하지 않는 거시적 외관 검사 또는 침습성 조직 생검으로 제한됩니다. 제안된 프로토콜은 이식을 위해 할당된 신장에 존재하는 모든 저분자 화합물의 포괄적인 메타볼로믹스 및 리피도믹 분석을 위한 이상적인 분석 방법으로 고체 위상 미세 추출(SPME)을 도입하는 것을 목표로 합니다. SPME 프로브의 작은 크기는 화학 생검의 성능을 가능하게하며, 이는 조직 수집없이 기관에서 직접 대사 산물을 추출 할 수 있습니다. 이 방법의 최소 침습성은 시간이 지남에 따라 여러 분석의 실행을 허용합니다 : 기관 수확 직후, 보존 중, 그리고 수령인의 신체에서 재구성 직후. 고해상도 질량 분광계와 이 새로운 샘플링 방법의 조합이 이식 품질의 생물학적 마커로 작용할 수 있는 특성 화합물 세트의 차별과 장기 기능 장애의 가능한 개발 지표의 차별을 허용한다는 가설이 있습니다.
미국의 장기 조달 및 이식 네트워크에 따르면, 2019년에 미국에 있는 신장 이식을 기다리는 94,756명의 환자가 있었습니다; 2018년 유럽에 있는 동안, 그 수는 10,791명이었습니다. 10분마다, 누군가는 미국에 있는 국가 이식 대기자 명단에 추가되고, 20명의 사람들이 이식1,,2를기다리는 매일 정지하는 것으로 추정됩니다. 신장 이식은 전 세계적으로 말기 신장 기능 장애로 고통받는 많은 사람들을위한 생명을 구하는 치료법입니다. 절차는 전통적인 투석에 비교될 때 증가한 생존율 및 더 중대한 삶의 질과 연관됩니다.
그러나 이식은 장기 부족이나 장기 품질 평가를 위한 효과적인 도구 부족과 같은 많은 심각한 문제에 직면해 있습니다. 표준 프로토콜은 접목의 질에 관한 포괄적인 정보를 제공하지 않는 거시적인 외관 검사 또는 침습적인 조직 생검으로 제한됩니다. 시각적 평가는 눈에 보이는 종양의 식별을 허용, 해부학 적 이상, 또는 접목에 광범위한 손상, 이 접근 방식은 관찰자의 경험에 따라 그 효과에 따라 매우 주관적이다. 반면생염은 기존의 신장 질환에 관한 귀중한 정보를 제공할 수 있으며, 따라서 이식 결과를 결정할 때 객관적이고 입증된 가치의 방법으로 간주됩니다. 그러나 생검 절차는 결함이 없습니다. 출혈과 같은 잠재적 인 합병증의 위험이 있으며 추가4-5 시간의 샘플 준비가 필요하며 감기 허혈 시간을 크게 연장합니다. 따라서, 특히 유럽에서, 직접 조직 분석의 사용은 순환사멸 후 확대기준 기증자(ECD) 및 기증자(DCD)3,,4로제한된다.
Metabolomics와 lipidomics는 최근에 기관 보존 도중 생기는 생화확적인 통로에 있는 변경의 더 나은 이해를 달성하기 위하여 유망한 접근으로 인식되었습니다. 메타볼로믹 및 지질 성 프로파일링은 후속 결과와 기관 제거와 관련된 갑작스런 환경 변화에 시스템의 즉각적인 반응을 모니터링 할 수 있습니다 : 허혈, 산화 스트레스, 또는 염증 반응5,,6,,7,,8. 신장은 신진 대사 과정과 크게 관련 된 기관, 따라서 대사 산물 및 지질 농도의 측정 잠재적인 장기 품질의 바이오 마커의 식별을 허용 하 고 접목 결과의 더 나은 예측을 가능.
현재 기관 품질 평가 방법과 관련된 위의 합병증 및 한계를 감안할 때, 신속하고 복잡한 장기 품질 평가를 위해 덜 침습적 인 진단 솔루션이 필요합니다. 고체 상 미세 추출(SPME)은 광범위한 대사 산물 및 지질스펙트럼의 적용을 가능하게 하는 최소침습적 분석 방법으로 이러한 요구 사항을 준수합니다. 이 기술은 얇은 (~200 μm), 생체 적합성, 티타늄-니켈 합금 프로브의 삽입을 단시간 검사 된 기관으로 선별적으로 추출하는 것을 기반으로합니다. SPME는 단백질 추출을 방지하고, 따라서 대체 방법에 비해 중요한 이점인 샘플 수집 단계에서 이미 신진 대사 억제를 가능하게 한다는 것을 강조해야 합니다. 더욱이, 장치의 소형화는 장기9,,10,,11의몇 가지 구조의 반복적이고 동시 분석의 실행을 허용한다.
장기 품질의 평가는 주어진 기관이 이식을 위해 실행 가능한지 또는 버려야 하는지 여부에 관하여 신속한 통보된 결정을 내려야 하는 의사를 위한 큰 도전남아 있습니다. 기증자 나이, 허혈의 기간 및 감염 및 선동적인 프로세스와 같은 다중 요인은, 장기 이식 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 신장 동종 이식 기능을 진단하기 위해 현재까지 다양한 방법이 개발되었지만, 조직 병리학 검사는 그 물질3,,4,,12에서금 본위제로 남아 있다. 생검 절차는 기존의 기증자 질병과 혈관 변화에 관한 중요한 정보를 얻을 수 있지만, 그것은 결함의 무료아니다. 기관 기능에 관한 포괄적인 정보에 대한 관측자 간 가변성 및 샘플링과 관련된 샘플링 오류는 이점에서 전형적인 관심사로 남아 있습니다. 더욱이, 표본 제제는 냉동 구간의 경우 이식편에 대한 불완전한 평가, 파라핀 단면화시 절차 시간 연장 등의 몇 가지 문제점을 가져온다. 그러나, 현미경 또는 총 혈뇨로 급격하게 나타날 수 있는 출혈의 증가한 리스크는, 생검 절차와 관련되었던 중요한 생명을 위협하는 합병증입니다. 이러한 이유로, 허용생검의 수는 이식 절차에서 엄격하게 제한되어 있으며, 이 방법을 통해 동적 변화 및 타임시리즈 분석의캡처를방해하는요인(12,13,,14). 조직학 분석의 이점은 방법론과 관련된 위험에 대해 무게를 두어야 합니다. 조직학적 발견의 가치는 논란의 여지가 없지만 수차의 분자 메커니즘을 설명하지는 않습니다.
메타볼로믹스와 리피도믹스는 “오믹스” 과학 가족의 가장 어린 영역입니다. 대사 네트워크 내에서 연결된 저분자(&1,200 Da) 인간 대사산물 및 지질의 전체 세트는 인간 메타볼로메로 정의된다. 게놈은 돌연변이에 기인한 경미한 수정과 함께 그것의 일생 내내 상대적으로 일정하게 남아 있습니다. metabolome는 모든 생물학적 과정뿐만 아니라 환경 요인의 변화에 매우 민감한 유전자 발현의 산물입니다. 대사 산물과 지질의 동적 특성은 현재 장기 상태,7,8,15,,16의완벽한 지표를 만든다., 상기 프로토콜에 제안된 SPME 방법은 기증자의 바디에서 기관 제거에서 시작하여 수령인의 에 재보정까지 그것의 보존 도중 기관에서 생기는 변경의 검출을 가능하게 합니다. 프로브의 작은 직경 (~200 μm)은 최소한의 침습성을 제공하며 조직에 손상을 주지 않고 동일한 기관에서 여러 번 샘플링할 수 있습니다. 신장을 이용한 연구를 수행, 가장 자주 이식 기관으로, 더 나은 이해와 이식의 품질과 기능을 감소에 대한 책임 대사 경로의 추가 특성을 허용. 시간이 지남에 따라 수정을 모니터링할 가능성은 생검과 같은 기존의 침습적 방법에 비해 기술의 중요한 이점입니다. 현재 제시된 분석은 지질과 대사산물의 각종 단의 변경된 농도를, 특히 필수 아미노산, 청신, 퓨린 뉴클레오시드 및 글리세로포스포지질의 확인했습니다. 이들 결과는 이전 조직 분석 보고서5,6,,17,18,,,,19,,20과일치한다. 현재까지, 대부분의 과학적 보고는 이식 또는 허혈/재관주입 손상(IRI) 현상 후 합병증을 유도하는 과정을 설명하기 위해 메타볼로믹스 또는 리피도믹스를 이용한 과학적 보고의 대다수가 생물유체21,,22,,23의분석에 국한되어 왔다.
각 임상 응용 프로그램은 분석 방법의 성능이 예상 기준을 충족하는지 확인하기 위해 샘플링 프로토콜의 최적화가 필요합니다. 이와 관련하여 SPME를 활용하는 이점은 다양한 실험 설계에 대한 조건을 조정할 수 있다는 점입니다. 접근 가능한 추출 단계의 다양성은 다양한 극성을 가진 추출된 대사 산물의 넓은 스펙트럼을 제공합니다. 동시에, 이것은 각 sorbent가 특정 기능에 대한 선택성을 제공하고 샘플 매트릭스에 존재하는 모든 화합물을 추출하지 않는다는 사실로 인해 방법의 제한으로 간주 될 수 있습니다. SPME 코팅은 자유 분자를 통해서만 추출되며, 단순히 아닐리바이트의 바운드 분수와 상호 작용하지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 코팅의 생체 적합성은 단백질과 같은 큰 분자의 추출을 억제하면서 조직에 독성을 도입하지 않습니다. 결과적으로 효소 공정은 이미 샘플 수집 단계에서 억제되고 유물의 존재가 최소화되어 대체 샘플링 방법에 비해 큰 이점이 있습니다. 코팅의 길이는 추출의 효율성에 영향을 미칩니다(즉, 코팅의 길이는 표면적 및 추출 상 부피를 지정합니다); 따라서 코팅이 길수록 더 높은 회수가 가능합니다. 반면에 코팅이 짧을수록 공간 해상도가 높아지다. 신뢰할 수 있는 결과를 위해 프로브를 신장 피질의 정확한 동일한 깊이로 잠수하는 것이 중요합니다. 삽입이 너무 깊게 삽입하면 신장 수질에 들어갈 위험이 있습니다. 추출 시간도 추출 효율에 비례합니다. 따라서 최적의 추출 시간을 선택하는 것은 SPME 방법 개발에서 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 시간 측정의 정확도는 가장 높은 반복성을 제공합니다. 논의된 것과 같은 생물학적 응용 분야에서는 분석 프로토콜의 민감도와 반복성 및 의료 절차의 제한 사이에는 항상 타협이 있습니다. 평형 추출은 안전상의 이유로 가장 높은 감도를 제공하지만 추출 시간은 수술의 총 지속 기간에 영향을 미치지 않아야하므로 사전 평형 조건은 종종 이러한 응용 분야에서 사용됩니다. 탈취의 효율은 크로마토그래피 분리9,,10,,11에사용되는 이동 상상과 호환되어야 하는 탈착 용매의 공정 및 조성물에 의해 결정된다.
외과 간 평가에 사용되는 진단 계측에 대한 주요 요구 사항 중 하나는 분석 시간입니다. 현재는 미세유체 개방 인터페이스(MOI) 24 또는 코팅 블레이드 스프레이(CBS)(CBS) (CBS) 25를통해 질량 분광계에 직접 결합된 생체 내 SPME 추출을 위한 신속한 도구를 개발하기 위한 시도가 이루어지고 있다.24 이러한 접근 방식은 분석 결과를 실제 또는 실시간으로 공개할 수 있게 해 줄 것입니다. 신진 대사와 lipidomic 프로필의 사전 개입 분석을위한 이러한 방법의 사용은 이식 절차 동안 의사 결정 과정을 향상시킬 수, 장기 실패의 경우 최상의 개인화 된 접근 방식과 빠른 응답을 가능하게.
요약하자면, 제안된 프로토콜이 신장 이식의 완전한 신진 대사 및 지질 학적 프로파일의 달성을 가능하게 할 것이라는 가설이 있으며, 이는 차례로 허혈 재퍼퓨전 손상에 대한 책임있는 과정의 장기 품질 및 특성화에 대한 포괄적 인 평가를 제공 할 것입니다. 이 프로젝트의 참신함에는 고체 상 미세 추출(SPME)의 활용을 포함하며, 살아있는 시스템의 낮은 침습적 샘플링을 제공하는 것이 포함되며, 메타볼로믹스 및 리피도믹스 분석(예: Orbitrap 고해상도 질량 분광계)에 사용할 수 있는 가장 혁신적인 기술 중 하나와 함께 합니다. SPME는 한 단계에서 대사 산물의 샘플 수집, 추출 및 담금질을 결합하여 신속한 분석을 위한 완벽한 도구입니다. 이 프로토콜은 신장의 사전 이식 조건이 지연된 기관 기능 또는 이식 후에 그것의 역기능에 책임 있는 무슨에 관련있는 질문에 대답하는 것을 도울 것이라는 점을, 뿐만 아니라 접목 보존 프로토콜이 기관의 생화학에 어떻게 영향을 미치는지에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 이러한 지식은 이식과 관련된 가능한 합병증의 예방에 상당한 영향을 미칠 뿐만 아니라 현재 이식 보존 프로토콜을 개선하는 데 도움이 될 수 있으며, 생존 가능한 이식 조직의 손실과 생명 의 손실을 최소화할 수 있습니다. 제안된 해결책은 이식학에 있는 특정 잠재적인 biomarkers의 검증 및 치료 결과의 개선을 포함하여 이 필드에 있는 추가 조사에 문을 열 것입니다.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 국립 과학 센터에서 Opus UMO-2017/27/B/NZ5/01013에 의해 지원되었습니다. 저자는 SPME 장치를 제공하는 머크 KGaA, 다름슈타트의 사업인 밀리포레시그마(MilliporeSigma)를 인정하고 싶습니다. 머크의 생명 과학 사업은 미국과 캐나다의 밀리포레시그마로 운영되고 있습니다. 또한 저자는 Q-Exactive Focus orbitrap 질량 분광계에 대한 액세스에 대한 Thermo Fisher Scientific에게 감사를 표하고 싶습니다. 저자는 알렉산드라 Woderska-Jasiinska 박사와 프로젝트에 그들의 친절한 지원에 대한 Bydgoszcz에서 이식 및 일반 수술의 부서의 직원에게 감사드립니다. BB는 워털루 대학에 머무는 동안 토론토 종합 병원에서 샘플 수집의 기회를 준 야누스 파울리진 교수에게 감사를 표하고 싶습니다.
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 |