Muismodel van door oliezuur geïnduceerd acuut respiratoir distress-syndroom
Summary
Het huidige protocol beschrijft een longletselmodel bij muizen die oliezuur gebruiken om acuut respiratoir distress syndroom (ARDS) na te bootsen. Dit model verhoogt de ontstekingsmediatoren op oedeem en vermindert de longcompliantie. Oliezuur wordt gebruikt in de zoutvorm (oleaat) omdat deze fysiologische vorm het risico op embolie vermijdt.
Abstract
Acute respiratory distress syndrome (ARDS) is een aanzienlijke bedreiging voor ernstig zieke patiënten met een hoog sterftecijfer. Blootstelling aan verontreinigende stoffen, sigarettenrook, infectieuze agentia en vetzuren kunnen ARDS veroorzaken. Diermodellen kunnen het complexe pathomechanisme van de ARDS nabootsen. Elk van hen heeft echter beperkingen. Met name oliezuur (OA) is verhoogd bij ernstig zieke patiënten met schadelijke effecten op de longen. Artrose kan longbeschadiging veroorzaken door embolie, waardoor weefsel wordt verstoord, de pH verandert en de oedeemklaring wordt aangetast. Het door artrose geïnduceerde longletselmodel lijkt op verschillende kenmerken van ARDS met endotheelletsel, verhoogde alveolaire permeabiliteit, ontsteking, membraanhyaliene vorming en celdood. Hierin wordt inductie van longletsel beschreven door artrose (in zoutvorm) rechtstreeks in de long en intraveneus in een muis te injecteren, aangezien dit de fysiologische vorm van artrose is bij pH 7. De injectie van artrose in de zoutvorm is dus een nuttig diermodel om longletsel/ARDS te bestuderen zonder embolieën te veroorzaken of de pH te veranderen, waardoor het dicht in de buurt komt van wat er gebeurt bij ernstig zieke patiënten.
Introduction
Ashbaugh et al.1 beschreven in 1967 voor het eerst het acute respiratory distress syndrome (ARDS) en hebben sindsdien meerdere herzieningen ondergaan. Volgens de Berlijnse definitie is ARDS een longontsteking die leidt tot acuut respiratoir falen en hypoxemie (PaO 2/FiO 2 > 300 mm Hg) als gevolg van onbalans in de verhouding tussen ventilatie en perfusie, diffuse bilaterale alveolaire schade (DAD) en infiltraat, verhoogd longgewicht en oedeem 2,3. Het pulmonale parenchym is een complexe cellulaire omgeving die wordt verergerd door epitheel-, endotheel- en andere cellen. Deze cellen vormen barrières en structuren die verantwoordelijk zijn voor gasuitwisseling en homeostase in de longblaasjes3. De meest voorkomende cellen binnen de epitheliale barrière zijn alveolaire type I-cellen (AT1) met een groter oppervlak voor gasuitwisseling en vloeistofbeheer via Na/K-ATPase. Ook produceren de alveolaire type II-cellen (AT2) oppervlakteactieve stof, waardoor de oppervlaktespanning in de longblaasjeswordt verlaagd 4. Daaronder vormen endotheelcellen een semipermeabele barrière die de longcirculatie scheidt van het interstitium. De functies omvatten het detecteren van stimuli, het coördineren van ontstekingsreacties en cellulaire transmigratie5. De endotheelcellen reguleren ook de gasuitwisseling, vasculaire tonus en coagulatie5. Daarom kunnen stoornissen in de endotheel- en epitheelfunctie een pro-inflammatoir fenotype verergeren, waardoor longschade ontstaat die leidt tot ARDS5.
De ontwikkeling van ARDS is risicogebonden aan bacteriële en virale pneumonie of indirecte factoren zoals niet-pulmonale sepsis, trauma, bloedtransfusies en pancreatitis. Deze omstandigheden veroorzaken het vrijkomen van pathogenen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP’s) en schade-geassocieerde moleculaire patronen (DAMP’s), waardoor pro-inflammatoire cytokines en chemokinen zoals TNF-α, IL-1β, IL-6 en IL-85 worden geïnduceerd. TNF-α is gekoppeld aan vasculair-endotheliale cadherine (VE-cadherine) afbraak bij verstoring van de endotheliale barrière en leukocyteninfiltratie in het longparenchym. Neutrofielen zijn de eerste cellen die migreren, aangetrokken door IL-8 en LTB4 5,7,8. Neutrofielen verhogen verder de vorming van pro-inflammatoire cytokines, reactieve zuurstofsoorten (ROS)9 en neutrofiele extracellulaire vallen (NET’s), waardoor extra endotheel- en epitheelschade wordtgegenereerd10. Epitheliale schade veroorzaakt ontsteking en activering van Toll-achtige receptoren in AT2-cellen en residente macrofagen, waardoor chemokines vrijkomen die ontstekingscellen naar de longen trekken4. Ook veroorzaakt de productie van cytokinen zoals interferon-β (INFβ) TNF-gerelateerde apoptose-inducerende receptoren (TRAIL), waardoor ATII-cellen tot apoptose leiden, waardoor vloeistof en ionenclarentie worden aangetast4. De verstoring van de endotheel- en epitheliale barrièrestructuur maakt de instroom van vloeistof, eiwitten, rode bloedcellen en leukocyten in de alveolaire ruimte mogelijk, waardoor oedeem ontstaat. Nu oedeem is vastgesteld, wordt de longinspanning om de ademhaling en gasuitwisseling op peil te houden veranderd11. Hypercapnie en hypoxemie induceren celdood en verstoring van het natriumtransport, waardoor alveolair oedeem verergert als gevolg van een slechte klaringscapaciteit10. ARDS heeft ook verhoogde niveaus van IL-17A, geassocieerd met orgaandisfunctie, verhoogd percentage alveolaire neutrofielen en alveolaire permeabiliteit9.
Er is de afgelopen jaren voortdurende vooruitgang geboekt in het onderzoek naar de pathofysiologie, epidemiologie en behandeling van ARDS12,13. ARDS is echter een heterogeen syndroom, ondanks de vooruitgang in therapeutisch onderzoek dat resulteert in mechanische beademing en optimalisatie van vloeistoftherapie. Er is dus nog steeds een effectievere directe farmacologische behandeling nodig10, en dierstudies kunnen helpen bij het onthullen van ARDS-mechanismen en doelen voor interventie.
De huidige ARDS-modellen zijn niet in staat om de pathologie volledig na te bootsen. Daarom kiezen onderzoekers vaak het model dat beter bij hun interesses past. Het lipopolysacharide (LPS)-inductiemodel induceert bijvoorbeeld ARDS door endotoxische shock die voornamelijk wordt veroorzaakt door TLR414. HCl-inductie bootst zuuraspiratie na en de schade is neutrofiel-afhankelijk14. Aan de andere kant induceert het huidige natriumoleaatmodel endotheelschade die de vasculaire permeabiliteit en oedeem verhoogt. Bovendien voorkomt het gebruik van natriumoleaat in plaats van oliezuur in vloeibare vorm het risico op embolie en verandering in de pH van het bloed15.
Diermodellen voor ARDS
Preklinische studies in diermodellen helpen de pathologie te begrijpen en zijn essentieel voor nieuw onderzoek naar ARDS-behandelingen. Het ideale diermodel moet kenmerken hebben die lijken op de klinische situatie en een goede reproduceerbaarheid van ziektemechanismen met relevante pathofysiologische kenmerken van elk ziektestadium, elke evolutie en elk herstel14. Verschillende diermodellen worden gebruikt om acuut longletsel bij ARDS preklinisch te beoordelen. Omdat alle modellen echter beperkingen hebben, reproduceren ze de menselijke pathologie niet volledig 6,14,16. Het door oliezuur geïnduceerde ARDS wordt gebruikt bij verschillende diersoorten17. Varkens18, schapen19 en honden20 die een artrose-injectie ondergingen, vertonen tal van klinische kenmerken van de ziekte met alveolaire-capillaire membraandisfunctie en verhoogde permeabiliteit met eiwit- en celinfiltratie.
Zo blokkeerde artrose bij 1,25 μM intraveneus geïnjecteerd transepitheliaal transport, wat leidde tot alveolair oedeem15. In het in-vitromodel met A549-cellen veranderde artrose in een concentratie van 10 μM het epitheliale natriumkanaal (eNAC) of de expressie van Na/K-ATPase niet. OA lijkt zich echter met beide kanalen te associëren, waardoor hun activiteit direct wordt geremd21. OA intraveneuze injectie van 0,1 ml/kg veroorzaakte congestie en zwelling van het longweefsel, verminderde alveolaire ruimtes met verdikte alveolaire septa en verhoogde inflammatoire en rode bloedcellen22. Ook induceerde artrose apoptose en necrose in endotheel- en epitheelcellen in delongen 15. De injectie van een tris-oleaatoplossing, intratracheaal bij muizen, verbeterde neutrofieleninfiltratie en oedeem al 6 uur na stimulatie23. OA-injectie na 24 uur verhoogde pro-inflammatoire cytokinespiegels (d.w.z. TNF-α, IL-6 en IL-1β)23. Bovendien remt intraveneuze (orbitale plexus) injectie van 10 μM van een tris-oleaat de pulmonale Na/K-ATPase-activiteit, vergelijkbaar met ouabain bij 10-3 μM, een selectieve enzymremmer. Ook induceert artrose ontstekingen met celinfiltratie, vorming van lipidelichamen en productie van leukotrieen B4 (LTB4) en prostaglandine E2 (PGE2)22,24. Daarom genereert oliezuurgeïnduceerde ARDS oedeem, bloeding, neutrofieleninfiltratie, verhoogde myeloperoxidase (MPO)-activiteit en ROS24. Daarom is de toediening van artrose een goed ingeburgerd model voor longletsel22,25. Alle resultaten die in dit artikel worden gepresenteerd en die OA bevatten, vertegenwoordigen de zoutvorm, natriumoleaat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het selecteren van het juiste ARDS-model is essentieel om de preklinische studies uit te voeren, en de beoordelaar moet rekening houden met alle mogelijke variabelen, zoals leeftijd, geslacht, toedieningsmethoden en andere6. Het gekozen model moet de ziekte reproduceren op basis van risicofactoren zoals sepsis, lipide-embolie, ischemie-reperfusie van het longvaatstelsel en andere klinische risico’s14. Geen enkel diermodel dat voor ARDS wordt gebruikt, kan echter alle kenmer…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gefinancierd door het Instituto Oswaldo Cruz, Fundação Oswaldo Cruz (FIOCRUZ), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Grant 001, Programa de Biotecnologia da Universidade Federal Fluminense (UFF), Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro (UNIRIO), Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ), en de Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Figuur 1 en Figuur 2 zijn gemaakt met BioRender.com.
Materials
| Anesthetic vaporizer | SurgiVet | model 100 | |
| Braided slik thread with needle number 5 | Shalon medical | N/A | |
| Cabinet vivarium | Insight | Model EB273 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5430/5430R | |
| Cytofunnel | ThermoFisher | 11-025-48 | |
| Drontal puppy | Bayer | N/A | |
| Hank's balanced Salts | Sigma-Aldrich | H4981 | |
| Heatpad | tkreprodução | TK-500 | |
| Hydrocloric Acid | Sigma-Aldrich | 30721 | |
| Insulin syringe Ultrafine | BD | 328322 | |
| Isoforine 1mL/mL | Cristália | N/A | |
| Ketamine | Syntec | N/A | |
| May-Grunwald-Giemsa | Sigma-Aldrich | 205435 | |
| Micro BCA Protein Assay Kit | ThermoFisher | 23235 | |
| Microscope PrimoStar | Carl Zeiss | ||
| Mouse IL-1 beta duoSet ELISA | R&D system | DY401 | |
| Mouse IL-6 duoSet ELISA | R&D system | DY406 | |
| Mouse TNF-alpha duoSet ELISA | R&D system | DY410 | |
| Neubauer chamber improved bright-line | Global optics | ||
| Oleic Acid (99%) | Sigma-Aldrich | O1008 | |
| Osmium tetroxide solution (4%) | Sigma-Aldrich | 75632 | |
| Peripheral Intravenous Catherter 20 G | BD Angiocath | 388333 | |
| Prism 8 (graphic and statistic software) | Graphpad | N/A | |
| Prostaglandin E2 ELISA Kit -Monoclonal | Cayman Chemical | 514010 | |
| Shandon Cytospin 3 | ThermoFisher | N/A | |
| Sodium hydroxide | Merck | 1,06,49,81,000 | |
| Spectrophotometer | Molecular Devices | SpectraMax ABS plus | |
| Swiss webster mice | ICTB/FIOCRUZ | N/A | |
| Syringe 1 mL | BD | 990189 | |
| Tris-base | Bio Rad | 161-0719 | Electrophoresis purity reagent |
| Türk's solution | Sigma-Aldrich | 93770 | |
| Xilazine | Syntec | N/A |
References
- Ashbaugh, D. G., Bigelow, D. B., Petty, T. L., Levine, B. E. Acute respiratory distress in adults. Lancet. 2 (7511), 319-323 (1967).
- The ARDS Definition Task Force. Acute respiratory distress syndrome: The Berlin definition. JAMA. 307 (23), 2526-2533 (2012).
- Hewitt, R. J., Lloyd, C. M. Regulation of immune responses by the airway epithelial cell landscape. Nature Reviews Immunology. 21 (6), 347-362 (2021).
- Zepp, J. A., Morrisey, E. E. Cellular crosstalk in the development and regeneration of the respiratory system. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 20 (9), 551-566 (2019).
- Millar, F. R., Summers, C., Griffiths, M. J., Toshner, M. R., Proudfoot, A. G. The pulmonary endothelium in acute respiratory distress syndrome: insights and therapeutic opportunities. Thorax. 71 (5), 462 (2016).
- D’Alessio, F. R. Mouse models of acute lung injury and ARDS. Methods in Molecular Biology. 1809, 341-350 (2018).
- Corada, M., et al. Vascular endothelial-cadherin is an important determinant of microvascular integrity in vivo. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (17), 9815-9820 (1999).
- Bozza, P. T., et al. Leukocyte lipid body formation and eicosanoid generation: cyclooxygenase-independent inhibition by aspirin. PNAS. 93 (20), 11091-11096 (1996).
- Mikacenic, C., et al. Interleukin-17A is associated with alveolar inflammation and poor outcomes in acute respiratory distress syndrome. Critical Care Medicine. 44 (3), 496-502 (2016).
- Matthay, M. A., et al. Acute respiratory distress syndrome. Nature Reviews Disease Primers. 5 (1), 18 (2019).
- Huppert, L. A., Matthay, M. A., Ware, L. B. Pathogenesis of acute respiratory distress syndrome. Seminars in Respiratory and Critical Care Medicine. 40 (1), 31-39 (2019).
- Matthay, M. A., McAuley, D. F., Ware, L. B. Clinical trials in acute respiratory distress syndrome: challenges and opportunities. The Lancet Respiratory Medicine. 5 (6), 524-534 (2017).
- Fan, E., Brodie, D., Slutsky, A. S. Acute respiratory distress syndrome: advances in diagnosis and treatment. JAMA. 319 (7), 698-710 (2018).
- Matute-Bello, G., Frevert, C. W., Martin, T. R. Animal models of acute lung injury. The American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology. 295 (3), 379-399 (2008).
- Gonçalves-de-Albuquerque, C. F., et al. Oleic acid inhibits lung Na/K-ATPase in mice and induces injury with lipid body formation in leukocytes and eicosanoid production. Journal of Inflammation. 10 (1), 34 (2013).
- Matthay, M. A., Ware, L. B., Zimmerman, G. A. The acute respiratory distress syndrome). Journal of Clinical Investigation. 122 (8), 2731-2740 (2012).
- Wang, H. M., Bodenstein, M., Markstaller, K. Overview of the pathology of three widely used animal models of acute lung injury. European Surgical Research. 40 (4), 305-316 (2008).
- Moriuchi, H., Zaha, M., Fukumoto, T., Yuizono, T. Activation of polymorphonuclear leukocytes in oleic acid-induced lung injury. Intensive Care Medicine. 24 (7), 709-715 (1998).
- Julien, M., Hoeffel, J. M., Flick, M. R. Oleic acid lung injury in sheep. Journal of Applied Physiology. 60 (2), 433-440 (1986).
- Hofman, W. F., Ehrhart, I. C. Permeability edema in dog lung depleted of blood components. Journal of Applied Physiology. 57 (1), 147-153 (1984).
- Vadász, I., et al. Oleic acid inhibits alveolar fluid reabsorption: a role in acute respiratory distress syndrome. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 171 (5), 469-479 (2005).
- Tenghao, S., et al. Keratinocyte growth factor-2 reduces inflammatory response to acute lung injury induced by oleic acid in rats by regulating key proteins of the wnt/β-catenin signaling pathway. Evidence-Based Complementary and Alternative. 2020, 8350579 (2020).
- Gonçalves-de-Albuquerque, C. F., et al. Oleic acid induces lung injury in mice through activation of the ERK pathway. Mediators of Inflammation. 2012, 956509 (2012).
- Huang, H., et al. Dipyrithione attenuates oleic acid-induced acute lung injury. Pulmonary Pharmacology & Therapeutics. 24 (1), 74-80 (2011).
- Goncalves-de-Albuquerque, C. F., Silva, A. R., Burth, P., Castro-Faria, M. V., Castro-Faria-Neto, H. C. acute respiratory distress syndrome: role of oleic acid-triggered lung injury and inflammation. Mediators of Inflammation. 2015, 260465 (2015).
- McHugh, M. L. Multiple comparison analysis testing in ANOVA. Biochemia Medica (Zagreb). 21 (3), 203-209 (2011).
- Swarts, H. G. P., Schuurmans Stekhoven, F. M. A. H., De Pont, J. J. H. H. M. Binding of unsaturated fatty acids to Na+,K+-ATPase leading to inhibition and inactivation. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 1024 (1), 32-40 (1990).
- Swenson, K. E., Swenson, E. R. Pathophysiology of acute respiratory distress syndrome and COVID-19 lung injury. Critical Care Clinics. 37 (4), 749-776 (2021).
- Bozza, P. T., Magalhães, K. G., Weller, P. F. Leukocyte lipid bodies – Biogenesis and functions in inflammation. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Molecular and Cell Biology of Lipids. 1791 (6), 540-551 (2009).
- Chen, H., Bai, C., Wang, X. The value of the lipopolysaccharide-induced acute lung injury model in respiratory medicine. Expert Review of Respiratory Medicine. 4 (6), 773-783 (2010).
- Martin, T. R., Matute-Bello, G. Experimental models and emerging hypotheses for acute lung injury. Critical Care Clinics. 27 (3), 735-752 (2011).
- Schuster, D. P. ARDS: clinical lessons from the oleic acid model of acute lung injury. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 149 (1), 245-260 (1994).
- Martins, C. A., et al. The relationship of oleic acid/albumin molar ratio and clinical outcomes in leptospirosis. Heliyon. 7 (3), 06420 (2021).
- Yu, M. -. y. a. l., et al. Hypoalbuminemia at admission predicts the development of acute kidney injury in hospitalized patients: A retrospective cohort study. PLOS ONE. 12 (7), 0180750 (2017).
