Porcine models of organ transplantation provide an important platform to study mechanisms of organ preservation. This article describes a heterotopic porcine renal autotransplantation model, which allows investigating new approaches to improve the outcome of transplantation using marginal kidney grafts.
Kidney transplantation is the treatment of choice for patients suffering from end-stage renal disease. It offers better life expectancy and higher quality of life when compared to dialysis. Although the last few decades have seen major improvements in patient outcomes following kidney transplantation, the increasing shortage of available organs represents a severe problem worldwide. To expand the donor pool, marginal kidney grafts recovered from extended criteria donors (ECD) or donated after circulatory death (DCD) are now accepted for transplantation. To further improve the postoperative outcome of these marginal grafts, research must focus on new therapeutic approaches such as alternative preservation techniques, immunomodulation, gene transfer, and stem cell administration.
Experimental studies in animal models are the final step before newly developed techniques can be translated into clinical practice. Porcine kidney transplantation is an excellent model of human transplantation and allows investigation of novel approaches. The major advantage of the porcine model is its anatomical and physiological similarity to the human body, which facilitates the rapid translation of new findings to clinical trials. This article offers a surgical step-by-step protocol for an autotransplantation model and highlights key factors to ensure experimental success. Adequate pre- and postoperative housing, attentive anesthesia, and consistent surgical techniques result in favorable postoperative outcomes. Resection of the contralateral native kidney provides the opportunity to assess post-transplant graft function. The placement of venous and urinary catheters and the use of metabolic cages allow further detailed evaluation. For long-term follow-up studies and investigation of alternative graft preservation techniques, autotransplantation models are superior to allotransplantation models, as they avoid the confounding bias posed by rejection and immunosuppressive medication.
Kidney transplantation is the treatment of choice for patients with end-stage renal disease, due to associated lower rates of morbidity and mortality when compared to dialysis 1-3. Despite major improvements in patient outcomes following kidney transplantation, graft shortage still poses a severe challenge worldwide. The number of patients waiting for a kidney transplant by far exceeds the number of organs available 4-6. To increase the number of kidneys available for transplantation and to reduce patient waiting times, further sources of kidney grafts are needed.
Commonly, standard criteria donor (SCD) and extended criteria donor (ECD) kidney grafts from donation after brain death (DBD) as well as kidneys recovered from live donors (LDKT) are utilized. Since the 1990s, an increasing number of kidney grafts have been recovered in a donation after circulatory death (DCD) scenario, to further expand the donor pool 7,8. However, DCD and ECD kidney grafts demonstrate acceptable but decreased outcomes after transplantation, depending on different factors, such as donor age, warm and cold ischemia times, and the preservation technique used 9-11. Thus, additional research is required to improve the outcome of patients receiving marginal kidney grafts and to further increase the donor pool.
The porcine model of renal transplantation is well established and provides a clinical important scenario to investigate innovative approaches for the improvement of marginal kidney graft outcomes. In contrast to rodent and canine kidneys, which are unilobular, porcine and human kidneys are multilobular and are anatomically similar, particularly in regard to the arterial, venous, and urinary collecting systems 12,13. In addition, porcine and human kidneys demonstrate similarities in the pathophysiology of ischemia reperfusion injury (IRI), biochemistry, and immunological parameters 14. Thus, porcine renal transplantation is well-suited to investigate new organ preservation methods for marginal kidney grafts 15-17, model human IRI 18, study immunological pathways and allograft tolerance 19, provide surgical training 20-22, test new pharmacological therapies 23, implement new medical devices, and study new immunological mechanisms in xenotransplantation 24-26.
The renal porcine and human transplantation settings are not completely analogous. This article focuses on important technical details that will facilitate successful establishment of a renal autotransplantation model. Species-adapted pre- and postoperative housing, administration of anesthesia with close monitoring, and matched surgical techniques are described in the protocol and demonstrated in the video. Resection of the contralateral native kidney provides the opportunity to assess the function of the transplanted kidney. The placement of venous and urinary catheters and the use of metabolic cages allow more in-depth assessment. For studies aimed at investigating alternative graft preservation methods and mechanisms of IRI, autotransplantation models are superior to allotransplantation models, as they avoid the complications and confounding bias associated with rejection and use of immunosuppressive medications.
O modelo de transplante de rim de porco proporciona uma oportunidade única para promover a área de transplante humano devido a semelhanças em aspectos cirúrgicos, fisiologia, bioquímica e imunologia 14.
Dependendo do objectivo do estudo experimental, o modelo de auto-transplante renal tem várias vantagens em comparação com o modelo de alotransplante. Embora vários grupos apresentam boa função do enxerto renal após o alotransplante 28, imunossupressão em suínos é um desafio, especialmente no transplante renal. Amostra de sangue pré-operatório análises para garantir a compatibilidade para antígeno leucocitário suína (SLA) são viáveis, mas caro e pouco prático 14. No pós-operatório, agentes imunossupressores propostas tais como tacrolimus e ciclosporina (inibidores da calcineurina, CNI) são administrados por via oral ou iv 28. A administração oral é impraticável, como porcos normalmente se recusam a engolir medica por via oralção. Além disso, obstruções intestinais pode evitar a absorção suficiente de medicamentos e manutenção dos níveis de drogas terapêuticas imunossupressoras. A infusão contínua de iv do CNI em animais ativos é tecnicamente exigente. bolus iv leva a altos valores de pico, que causam toxicidade. Assim, para a investigação de novas técnicas de preservação, o modelo de auto-transplante renal tem várias vantagens. Nos resultados representativos do enxerto renal allotransplantated demonstrado acima, um pico atrasada e aumento da creatinina e uréia indicam rejeição, o que foi demonstrado pela avaliação histológica.
O modelo porcino de autotransplante foi previamente usada para investigar novas técnicas de preservação 14,18,29. No entanto, os valores de creatinina e uréia no soro pós-operatória relatados de porcos autotransplantadas em um cenário de coração batendo variam consideravelmente, dependendo do sistema experimental 22,30 </sup>. O protocolo doador-coração batendo apresentamos aqui resulta em um baixo pico de creatinina sérica pós-operatória de 2,8 mg / dl (± 0,7) e BUN pico de 25,3 mg / dl (± 7,4). Estes resultados são comparáveis com os baixos valores de pico apresentados por Hanto e colegas 28 e Snoeijs e colegas 31.
Para garantir um bom resultado após o transplante renal em um modelo de autotransplante suína, nós identificamos vários fatores técnicos importantes que minimizam a taxa de certas complicações. A utilização de uma solução de histidina-triptofano-cetoglutarato (HTK) reduz o risco de vasoespasmo devido ao seu menor teor de potássio, quando em comparação com Universidade de Wisconsin solução (UW). Para diminuir ainda mais o risco de vasoespasmo no ponto de reperfusão, o verapamil pode ser injectada na artéria renal, e papaverina pode ser administrado topicamente e durante a recuperação após a reperfusão. Além disso, um gotejamento contínuo de norepinefrina titulada para mantera pressão arterial sistólica acima de 100 mmHg garante uma reperfusão homogênea. É útil para manter esta pressão sanguínea, pelo menos, até que a porca está posicionado propenso. Além disso, o posicionamento do enxerto transplantado é importante para evitar dobras dos vasos sanguíneos recentemente anastomosados. Portanto, é útil para a ressecção do rim contralateral esquerda antes de costurar as anastomoses do enxerto para evitar extensa manipulação mecânica. Depois de terminar a anastomose do ureter, envolvendo intestino delgado em torno do enxerto transplantado assegura a sua posição após o fecho da parede abdominal. Complicações como obstrução intestinal devido a dobras do intestino raramente são observados, mas pode levar a complicações graves, incluindo íleo, perfuração intestinal e morte. No geral, técnica cirúrgica apurada, a anestesia atenta e cuidadosa monitorização durante o acompanhamento garantir uma boa função de resultado e enxerto clínica.
Arterial e venosa anastomoses pode ser performou usando diferentes técnicas. ortotópico colocação do enxerto permite anastomose extremidade-a-extremidade da artéria e veia renal. No caso de transplante heterotópico, o enxerto pode ser posicionado na fossa rim contralateral para anastomose extremidade-a-extremidade, para os vasos ilíacos, ou a aorta distai directamente. Transplante heterotópico com anastomoses a aorta e a veia directamente na técnica ponta-a-lado são preferidos neste modelo, uma vez que pode reduzir o risco de trombose e vasoespasmo 32. As variações anatômicas com bifurcações venosos muito cedo pode levar à necessidade de costurar duas anastomoses venosas separadas. Se a artéria ou veia é relativamente curto, o enxerto pode ser virado 180 ° para obter o comprimento dos vasos. Ureteral anastomose lado-a-lado pode conseguir bons resultados experimentais sem complicar estenoses ou perda urinária.
Em geral, o modelo suíno de transplante renal oferece vantagens em comparação com outros modelos animais. como described acima, existem certas semelhanças entre a suína e a configuração humano, o que permite a tradução relativamente rápido de novas técnicas para a prática clínica. A técnica do transplante é tecnicamente mais fácil em comparação com modelos de roedores. Além disso, através da colocação de cateteres venosos, amostras de sangue periférico podem ser facilmente recolhidos e processados para uma investigação mais aprofundada. A coleta de urina permite uma avaliação mais aprofundada de lesão renal e função. Para recolher as amostras de urina, de um cateter percutâneo pode ser inserido na bexiga urinária. Para evitar a manipulação por parte do porco, a extremidade distai deve ser encapsulado por via subcutânea na parte de trás do animal. Uma outra opção para a recolha de urina é a utilização de gaiolas metabólicas, o que permite períodos de recolha prolongados para estimar a depuração da creatinina e concentração de biomarcadores adicionais na urina. Ultra-sonografia, tomografia computadorizada, ressonância magnética e imagens são possíveis. Doação após morte protocolos circulatórios pode ser imitada pela aplicação quenteisquemia antes da recuperação. Além disso, os porcos são relativamente fáceis de manusear se castrados para limitar o seu comportamento agressivo.
As desvantagens incluem os altos custos de compra animal, habitação, equipamento médico cirúrgico e outro, e mão de obra. Esses factores significam que não é possível incluir um grande número de animais em cada grupo de estudo. Além disso, em comparação com modelos de roedores, de um número limitado de referências estão disponíveis na literatura para suínos dados biológicos normativos. Como uma alternativa para a avaliação de novas técnicas desenvolvidas, tais como a novos métodos de preservação, outros grupos descreveram a reperfusão normotérmica ex vivo, como uma alternativa ao transplante renal 33,34. Esta técnica é mais fácil de executar e menos caro. No entanto, o transplante de enxerto renal padronizado fornece um modelo mais parecido com a prática clínica e permite longos períodos de seguimento. Portanto, ele serve para avaliar um enxerto mais realistamento.
Em conclusão, o modelo suíno de autotransplante renal heterotópico proporciona um cenário clínico importante investigar novas abordagens inovadoras para a melhoria dos resultados de enxerto renal. Em particular, este protocolo apresenta detalhes técnicos importantes que irão facilitar a criação bem-sucedida de um modelo de autotransplante renal e permite a rápida tradução de novas descobertas para ensaios clínicos.
The authors have nothing to disclose.
We thank the Sorin Group (Milano, Italy), XVIVO Perfusion Inc. (Goteborg, Sweden), and Braun AG (Melsungen, Germany) for their support. We highly appreciate the support of the John David and Signy Eaton Foundation.
Anesthesia Equipment | |||
Anesthesia Machine, Optimax | Moduflex Anesthesia Equipment | SN5180 | |
Infusion Pump 3,000 | SIMS Graseby LTD. | SN300050447 | |
Infusion Pump Line | Smith Medical ASD Inc. | 21-0442-25 | |
Intravenous permanent catheter (9.5 Fr) | Cook Medical Company | G01865 | |
Isoflurane Vapor 19.1 | Draeger Medical Canada Inc. | N/A | |
Mallinckrodt, Tracheal Tube, 6.5 mm | Covidien Canada | 86449 | |
Temperature Therapy Pad | Gaymar Industries Inc | TP26E | |
Ventilator, AV 800 | DRE Medical Equipment | 40800AVV | |
Warm Touch, Patient Warming System | Nellcor/ Covidien Canada | 5015300A | |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
Surgical Equipment | |||
Abdominal Retractor | Medite GmbH | 07-0001-00 | |
Aorta/vein punch 4.0 mm, round | Scanlan International Inc. | 1001-602 | |
De Bakey, Atraumatic Peripheral, Clamp | Aesculap Inc. | FB463R | |
De Bakey-Beck, Atraumatic Vena Cava, Clamp | Aesculap Inc. | FB519R | |
De Bakey, Atraumatic Mini-Bulldog, Straight | Aesculap Inc. | FB422R | |
De Bakey, Atraumatic Mini-Bulldog, Curved | Aesculap Inc. | FB423R | |
De Bakey, Atraumatic Coarctation Clamp, Angled | Aesculap Inc. | FB453R | |
Dissection Blade #11 | Feather Safety Razor Co. | 089165B | |
Connector (1/4") with male luer lock | Sorin Group Inc. | AB1452 | |
Liver Admin Set (flush line) | CardioMed Supplies Inc | 17175 | |
Maxon, 1 | Covidien Canada | 606173 | |
Med-Rx Suction Connecting Tube | Benlan Inc. | 70-8120 | |
Organ Bag | CardioMed Supplies Inc | 2990 | |
Potts – De Martel, Scissors | Aesculap Inc. | BC648R | |
Renal artery cannula, 1.6" | Sorin Group Inc. | VC-11000 | |
Sofsilk, 2-0 | Covidien Canada | S405 | |
Sofsilk, 3-0 | Covidien Canada | S404 | |
Satinsky, Suprahepatic Cava Clamp | Aesculap Inc. | FB605R | |
Suction Tip | Tyco Healthcare Group LP | 8888501023 | |
Surgipro II, 6-0 | Covidien Canada | VP733X | |
Valleylab, Cautery Pencil | Covidien Canada | E2515H | |
Valleylab, Force Tx | Valleylab Inc. | 216151480 | |
Valleylab, Patient Return Electrode | Covidien Canada | E7507 | |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
Medication | |||
Atropine Sulfate 15 mg/30 ml | Rafter 8 Products | 238481 | |
Buprenorphine 0.3 mg/ml | RB Pharmaceuticals LDT | N/A | |
Ceftiofur 3 mg/mL | Pfizer Canada Inc. | 11103 | |
Cefazolin 1 g | Pharmaceutical Partners of Canada Inc. | 2237138 | |
Fentanyl Citrate 0.25 mg/5 ml | Sandoz Canada Inc. | 2240434 | |
Heparin 10,000 iU/10 ml | Sandoz Canada Inc. | 10750 | |
Histidine-tryptophan-ketoglutarate (HTK) solution | Methapharm | CU001LBG | |
Isoflurane 99.9%, 250 ml | Pharmaceutical Partners of Canada Inc. | 2231929 | |
Ketamine Hydrochloride 5000 mg/50 ml | Bimeda-MTC Animal Health Inc. | 612316 | |
Lactated Ringer’s + 5% Dextrose 1 L | Baxter Corporation | JB1064 | |
Lactated Ringer’s 1 L | Baxter Corporation | JB2324 | |
Metronidazole 500 mg/100 ml | Baxter Corporation | 870420 | |
Midazolam 50 mg/10 ml | Pharmaceutical Partners of Canada Inc. | 2242905 | |
Norepinephrine 16 mg/250 mL Dextrose 5% | Baxter Corporation | N/A | |
Pantoprazole 40 mg | Sandoz Canada Inc. | 2306727 | |
Papaverine 65 mg/2 mL | Sandoz Canada Inc. | 9881 | |
Propofol 1000 mg/100 ml | Pharmascience Inc. | 2244379 | |
Saline 0.9%, 1 L | Baxter Corporation | 60208 | |
Solu-Medrol 500 mg | Pfizer Canada Inc. | 2367963 | |
Verapamil | Sandoz Canada Inc. | 2166739 | |
Xylocaine Endotracheal 10 mg/50 ml | AstraZeneca | 2003767 |