DEL Ⅰ: Metaboliske behov for nyretransplantatet, der gennemgår normotermisk maskinperfusion
Mar 21, 2022
ali.ma@wecistanche.com
DEL Ⅰ: Metaboliske behov for nyretransplantatet, der gennemgår normotermisk maskinperfusion
Asel S. Arykbaeva, Dorottya K. de Vries & et al.
Den vigtigste udfordring i organtransplantation er den globalemangel på donororganer. På grund af de presserende krav omfavner de fleste transplantationscentre gradvist organer fra ældre donorer og donorer med højere risiko. Samtidig kasseres mange transplantater på grund af en opfattet risiko for, at disse organer muligvis ikke fungerer, eller fungerer suboptimalt efter transplantation.' En strategi til at øge transplantatanvendeligheden og forbedre transplantationsresultaterne er implementeringen af mere objektive kvalitetsvurderingsværktøjer ved ex-situ perfusion af donororganer, og derved skabe et vindue for funktionel testning og levedygtighedsforbedring af det perfunderede transplantat, 4Rs: genoplivning, reparation ,' foryngelse og regenerering. Flere forsøg har vist, at ex-situ hypotermisk maskinperfusion til nyretransplantater er mulig og sikker og forbedrer de kliniske resultater. Et oplagt næste skridt var introduktionen af (sub)normothermic machine perfusion (NMP). Selvom gennemførligheden af NMP er blevet bevist i flere forsøg, afspejler de nuværende nyre-NMP-protokoller banebrydende proof-of-concept undersøgelser, undersøgelser, der primært vedrørte korte perioder med NMP. De specifikke metaboliske forudsætninger kan til en vis grad variere med de specifikke formål med perfusionen; de 4 Rs. Kortere perfusion, der sigter mod genoplivning, foryngelse og funktionel vurdering, bør give de metabolitter, der optimalt opretholder metabolisk fleksibilitet. Længere perfusioner, der sigter mod reparation og foryngelse, kommer med det yderligere behov for anabolske faktorer, såsom essentielle aminosyrer og vitaminer. Nuværende protokoller er alle baseret på kontinuerlig perfusion med røde blodlegemer eller en alternativ oxygenbærer, en isotonisk eller/og kolloid opløsning, såsom albumin, og glukose og aminosyrer2-5,10-1 som energikilde .4 En detaljeret oversigt over de offentliggjorte protokoller (inklusive perfusatsammensætningen) findes i tabel 1.33,9,10
Klik for at få adgang til nyre
Baseret på den observation, at alle NMP-undersøgelser af humane 5,12,13-nyrer hidtil rapporterer påløbende lactatperfusat-niveauer, kan det hævdes, at en fysiologisk metabolisk tilstand ikke er etableret under de nuværende NMP-betingelser.5" Selvom dette fænomen kan afspejle brugen af kasserede nyrer, laktatakkumulering observeres også under NMP af nyrer, der blev accepteret til transplantation. Derfor medfører de nuværende NMP-perfusionsprotokoller endnu ikke de optimale betingelser, der kræves for induktion af en fysiologisk metabolisk tilstand i levedygtige transplantater, endsige at protokollerne efterligner de optimale betingelser for levedygtighedstestning eller langvarige perfusioner, der kræves til genoplivning og/eller reparation af såkaldte "marginale" nyretransplantater.
Nyren er et metabolisk meget aktivt organ med et energibehov pr. masse, der ligner hjertet og har specifikke substratpræferencer og metaboliske funktioner. Sidstnævnte aspekter er tydeligt illustreret af de nyrespecifikke mønstre for metabolitoptagelse og frigivelse, vist ved organspecifikke arteriovenøse koncentrationsforskelle, og af dens afgørende rolle i bortskaffelse af kropslaktat. med distinkte substratpræferencer for hver af dens specialiserede funktionelle underenheder. Som en konsekvens heraf bør en optimal NMP-protokol adressere nyrernes metaboliske behov og kompensere for fraværet af kroppens homøostatiske system, som normalt ville genopbygge næringsstoffer og bortskaffe affaldsprodukter.
NMP til levedygtighedstestning eller gendannelse af såkaldte "marginale" nyretransplantater kan komme med endnu mere krævende krav. Disse "marginale" nyretransplantater udgør en heterogen gruppe, der indbefatter transplantater fra ældre donorer, transplantater fra donorer med højere risiko og/eller transplantater, der har været udsat for betydelig fremskaffelsesstress (såsom spids iskæmi). Disse tilstande er alle associeret med en svækket modstandsdygtighed," da sådanne "marginale" nyretransplantater kan vise sig med nedsat metabolisk plasticitet.1 Følgelig kan manglende opfyldelse af de metaboliske krav fra disse kompromitterede organer føre til uberettigede konklusioner med hensyn til deres levedygtighed. bedre skræddersyede perfusionsprotokoller er sandsynligvis nødvendige for at understøtte en anabolsk tilstand og for at opfylde de metaboliske forudsætninger for forlænget NMP rettet mod ex-situ graft-regenerering.
Fokus for denne gennemgang er at give en teoretisk ramme for de metaboliske aspekter af renal NMP (dvs. hvordan man giver optimal metabolisk støtte under transplantatperfusion). Konklusioner fra gennemgangen kan (delvis) oversættes til andre organer. Alligevel eksisterer der dybe organspecifikke forskelle med hensyn til substratpræference. En evaluering af organspecifikke forskelle (såsom langkædede fedtsyrer som det foretrukne metaboliske substrat for myokardiet) blev anset uden for undersøgelsens omfang. Tilsvarende blev aspekter af ilttilførsel overvejet uden for undersøgelsens omfang. Denne anmeldelse er struktureret sammen med de 3 vigtigste stofskiftestoffer: kulhydrater, fedtsyrer og aminosyrer efterfulgt af overvejelser vedrørende tilførsel af mikronæringsstoffer. Til sidst gives en praktisk oversigt over mulighederne for overvågning af metabolisk homeostase i forbindelse med NMP. Referencedata med hensyn til aspekter af nyrernes metaboliske fysiologi er i vid udstrækning afhængig af undersøgelser af mennesker (levende donorer) og svin, der anvendte arteriovenøs blodprøvetagning over nyren.
Kulhydrater
Generelt og især for nyrerne er de nuværende NMP-protokoller hovedsageligt afhængige af glucose som et metabolisk substrat for det perfunderede transplantat. Fraværende optagelse eller frigivelse af glucose fra nyren, som bestemt ved arteriovenøse målinger i den humane nyre, kunne imidlertid indebære minimal renal glucosekatabolisme (figur 1'). Denne grove observation ignorerer den særlige komplekse og rumligt mangfoldige organisation af renal kulhydratmetabolisme, hvor nogle områder er afhængige af glykolyse og andre aktivt involveret i glukose-
22 Denne diversitet følger den funktionelle hetneogenese.15, nyrernes heterogenitet med brede regionale variationer i cellulære metaboliske hastigheder og dybe forskelle i lokal iltspænding. Kortikale glomeruli repræsenterer veliltede vaskulære strukturer, der hovedsageligt fungerer som "passive" filtre. Medullærtubulierne repræsenterer derimod en række meget aktive, metabolisk krævende pumper27,2 Men som en uundgåelig konsekvens af modstrømskoncentrationsmekanismen i Henles løkker, udsættes aspekter af den dybere medulla for dyb hypoxi. Derfor er celler i dette område obligatoriske glykolytiske (acetatproducerende) og rapporteret som relativt resistente over for anoxi (figur 2-).
Manglende laktatfrigivelse eller endda netto laktatoptagelse fra kredsløbet under fysiologiske forhold5,16,18 indebærer, at laktatet dannet i den dybere medulla effektivt fjernes i organet. Nylige undersøgelser identificerede de proksimale tubuli som det primære sted for bortskaffelse af laktat.
Selvom den renale glukoneogenetiske kapacitet kan indebære glucose-uafhængighed, er det vigtigt at påpege, at gluconeogenese er en anabolsk proces, og dermed pålægger transplantatet en undgåelig energibyrde. Derudover kan utilstrækkelig tilgængelighed af glucose dybt interferere med transplantatets metaboliske plasticitet (dvs. den fysiologiske evne til at skifte mellem forskellige metaboliske substrater for at opretholde metabolisk kompetence). Som følge heraf er tilvejebringelsen af en tilstrækkelig glucoseforsyning en kritisk forudsætning for NMP. I denne sammenhæng er det vigtigt at overveje, at suprafysiologiske glukosekoncentrationer vil pålægge en undgåelig metabolisk belastning på proksimale sammenviklede tubuli (lokal belastning) i en perfunderet nyre, fordi blod(perfusat)glukose filtreres ind i det glomerulære ultrafiltrat og efterfølgende aktivt reabsorberes i proksimale snoede tubuli. Denne proces med glukosereabsorption er blandt de primære energikrævende processer i nyren. Ud fra et perspektiv om at minimere energibehovet under NMP bør perfusatets fysiologiske glucosekoncentration på 3,5 til 5,5 mmol/L opretholdes. Det kunne spekuleres i, at farmaceutisk interferens med de aktive glucosetransportører, såsom natrium-glucose cotransporter 2-hæmmer, kunne være ad. fordelagtigt i forbindelse med NMP, da det minimerer den nødvendige energi/byrde forbundet med glucose reabsorption af de distale tubuli. 5,36
Et endnu uløst spørgsmål er, om insulin også skal gives under NMP. Glukoseindtrængen styres af familien af glucosetransportører (GLUT'er), hvoraf de fleste er insulin-uafhængige. En undtagelse er den insulinafhængige GLUT4, som kontrollerer bortskaffelse af glukose efter måltid. Da GLUT4 også udtrykkes i nyrerne, bør insulintilskud under NMP overvejes.
Tabel 1|Oversigt over hardwaren (perfusionskontroltilstand, tryk og gasforsyning), perfusatsammensætningen og tilskud tilvejebragt under NMP af nyren til de forskellige protokoller
Udover laktatoptagelsen viser de arteriovenøse koncentrationsforskelle, at nyren også fjerner organiske syrer, såsom citrat og malat, fra kredsløbet. Begge er direkte mellemprodukter i citronsyrecyklussen. For citrat er det blevet spekuleret i, at denne clearance afspejler en urinudskillelsesmekanisme som en del af et citratbortskaffelsessystem. Alligevel indebærer sporstofundersøgelser i mus og vedvarende citrat-clearance af forbigående anuriske afdøde donortransplantater i fasen umiddelbart efter transplantationen, at citrat i det mindste delvist metaboliseres af nyren snarere end blot udskilles i urinen." Citrat kan derfor overvejes. en kulstofkilde i forbindelse med renal NMP.
Figur 1|Arteriovenøse målinger af glukose- og kreatininkoncentrationer i prærenale (arteriel [A]; rød) og postrenale (venøs [V]; blå) blodprøver fra (raske) levende nyredonorer (n [5) i prøver indsamlet som beskrevet af Lindeman et al. ., 16 målt på en standard måde af Clinical Chemistry Laboratory.(a) De lavere venøse kreatininniveauer illustrerer renal kreatininclearance. (b) Varierende glukoseoptagelse blandt de forskellige donorer afspejler en heterogen kulhydratomsætning. Bearbejdet fra Lindeman JH, Wijermars LG, Kostidis S, et al. Resultater af en eksplorativ klinisk evaluering tyder på, at øjeblikkelig og vedvarende post-reperfusion metabolisk lammelse driver nyreiskæmi-reperfusionsskade. K
Ovenstående observationer antyder en central rolle for nyrerne i den fysiologiske kontrol af kulhydrat- og organisk syre-homeostase. Faktisk viser kliniske undersøgelser, at akut nyreskade er forbundet med dybe forstyrrelser i kulhydratmetabolismen, som omfatter en dybt forringet laktatclearance. På samme måde skelner forskelle i postreperfusionslactatdynamik (arteriovenøse koncentrationsforskelle) mellem de forskellige niveauer af postreperfusions metabolisk kompetence efter nyretransplantation (figur 3'). I overensstemmelse hermed kunne man spekulere i, at lactatmetabolisme kan bruges som en aflæsning af transplantatmetaboliske kompetence. I denne henseende blev progressiv perfusat lactatakkumulering observeret i NMP-eksperimenter ved anvendelse af humane kasserede nyretransplantater51.15 udfordrer genindsættelsen af fysiologisk metabolisk homeostase under de nuværende NMP-betingelser.
Selvom laktatakkumuleringen under NMP kunne afspejle bortskaffelsen af røde blodlegemer-produceret laktat (enten gennem direkte laktatoxidation og/eller alternativt laktatomdannelse til glucose [Cori cyde]), er det sandsynligt, at laktatakkumuleringen i høj grad relaterer sig til igangværende renal laktat produktion som følge af forringet oxidativ phosphorylering under de nuværende NMP-forhold. Påløbende perfusatlaktatniveauer vil resultere i metabolisk acidose. Selvom denne acidose effektivt kan korrigeres ved at titrere bicarbonat til perfusatet, kan laktatakkumulering resultere i produkthæmning af nyre- og erythrocytlactat-dehydrogenaseaktivitet og som følge heraf en forringet reduktion af dannet pyruvat til laktat. Dette sidste trin i den glykolytiske vej er kritisk for at opretholde oxidations-reduktionsneutralitet ved at regenerere nikotinamidadenindinukleotidpositiv (NAD plus ) fra den reducerede NAD dannet under glykolysen. Som en konsekvens heraf kan inhibering af lactatdehydrogenaseprodukt som følge af de tiltagende lactatniveauer resultere i cellulær oxidationsreduktionsstress.
Figur 2|Skematisk oversigt over de metaboliske substrater, der anvendes af nyren i deres forenklede veje.Under normale forhold bruges laktat til glukoneogenese, og glucose, fedtsyrer, glutamin (aminosyrer) og muligvis citrat bruges til at fremme oxidativ fosforylering. Under hypoxiske forhold eller under forhold med høj energibehov aktiveres glykolyse, hvilket resulterer i en nettofrigivelse af laktat fra nyren. NAD, nikotinamid-adenindinukleotid; NADH, reduceret nikotinamid-adenindinukleotid; NH3, ammoniak.
Nyren deler ikke kun denne glukoneogeneseevne med leveren, men den har også kapaciteten til at lagre glykogen, omend mindre udstyret med et glykogenolytisk system sammenlignet med leverens. Som en konsekvens rapporteres det, at den rolle, som nyrernes glykogenolyse spiller med hensyn til at opretholde blodsukkerniveauer under intermitterende faste, er begrænset.24 Alligevel, fordi der findes omvendte sammenhænge mellem nyrernes glykogenlagre og omfanget af iskæmisk nyreskade, kan glykogenlagre fungere som en endogen energibuffer under ekstreme forhold, såsom transplantation og transplantation. Som følge heraf kunne det spekuleres i, at bevarelse eller endog genetablering af renale glykogenlagre med NMP er gavnlig.
Figur 3|Laktatdynamik, der illustrerer de forskellige niveauer af nyremetabolisk kompetence efter nyretransplantation.Kurver afspejler de relative renale arterielle (røde) og venøse (blå) laktatniveauer. Indledende udvaskning af laktat akkumuleret under opbevaring (angivet med den grå bjælke) og øjeblikkelig (levende donor) eller forsinket (afdød donorgraft uden forsinket graftfunktion [DGF]) undertrykkelse af glykolyse (angivet med den grønne bjælke). Forbigående vedvarende normoksisk glykolyse i afdøde donortransplantater uden og med DGF (angivet med den røde søjle). Bearbejdet fra Lindeman JH, Wijermars LG, Kostidis S, et al. Resultater af en eksplorativ klinisk evaluering tyder på, at øjeblikkelig og vedvarende post-reperfusion metabolisk lammelse driver nyreiskæmi-reperfusionsskade
Fedtsyrer
Selvom de nuværende perfusionsprotokoller i det væsentlige er glukosecentrerede, viser undersøgelser, at nyren ligesom hjertet er afhængig af fedtsyrer som en primær brændstofkilde. ) fedtsyrer, brænder nyren i det væsentlige på mellemkædede fedtsyrer (MCFA'er) (figur 46 og supplerende tabel S2).
Figur 4|Arteriovenøse (AV) koncentrationsforskelle i (sunde) levende donornyrer for mellemkædede fedtsyrer (MCFA'er) og langkædede fedtsyrer (LCFA'er), hvilket illustrerer nyrernes præference for MCFA'er.
Nyrepræferencen for MCFA'er har flere fordele i forhold til langkædede fedtsyrer, da de ikke er afhængige af specifikke transmembrane transportører til at krydse plasma- og mitokondriemembranerne ved hjælp af specifikke transportere og carnitin-shuttling. Så MCFA'er kan simpelthen diffundere gennem den indre mitokondrielle membran, hvor oxidationen af fedtsyrerne finder sted. Med det formål at efterligne den renale metaboliske fysiologi optimalt under NMP bør tilførsel af MCFA'er under NMP overvejes. I denne sammenhæng er de fleste parenterale lipidemulsionsformuleringer i det væsentlige langkædede fedtsyrebaserede og er derfor ikke optimalt egnede til renal NMP. Imidlertid er MCFA-berigede formler tilgængelige: Lipofundin (MCFA 10 procent) og Smoflipid (MCFA 6 procent). I betragtning af den tilsyneladende minimale oxidation af langkædede fedtsyrer af nyrerne, kan yderligere berigelse af MCFA'er til disse opløsninger være at foretrække.
Lipidlevering under NMP kommer med flere udfordringer. Langt de fleste plasmafedtsyrer bæres af albumin, hvor ubundne fedtsyrer kun repræsenterer en mindre del(<0.01%)of the="" total.="" more="" important,="" clinical-grade="" albumin,="" most="" often="" used="" in="" the="" nmp="" protocols,="" has="" not="" undergone="" any="" pretreatment="" to="" free="" fatty="" acid="" binding="" sites.="" as="" a="" result,="" binding="" sites="" will="" be="" occupied="" mainly="" by="" the="" naturally="" dominating="" long-chain="" fatty="" acids.="" furthermore,="" nmp="" is="" performed="" in="" an="" isolated,="" closed,="" and="" limited="" volume="" setup.="" as="" a="" consequence,="" the="" system="" has="" a="" limited="" lipid="" buffering="" capacity="" (because="" no="" adipose="" tissue,="" muscle,="" and="" liver="" are="" included),="" which="" imposes="" challenges="" with="" respect="" to="" the="" maintenance="" of="" mcfa="" supply="" and="" potential="" lipotoxicity.="" in="" the="" light="" of="" the="" limited="" free="" fatty="" acid="" carrying="" capacity="" of="" plasma="" or="" its="" derivates,="" it="" could="" be="" argued="" that="" preference="" should="" be="" given="" to="" lauric="" acid(c12:0)enrichment="" because="" this="" mcfa="" has="" the="" highest="" per="" molecule="" energy="">
Figur 5|Måling af metabolisk status. Skematisk oversigt, der illustrerer en klynge af flydende biomarkører, der kan anvendes til at overvåge metabolisk status under renal normotermisk maskinperfusion.ATP, adenosintriphosphat; GTP, guanosintrifosfat.
Ud over deres rolle som energikilde bør tilvejebringelse af andre lipidklasser, der er kritiske for cellulær funktion, såsom essentielle umættede fedtsyrer og kolesterol, overvejes under længerevarende NMP, især i protokoller, der sigter mod organregenerering. Inkluderingen af umættede fedtsyrer i NMP-protokollerne indebærer dog specifikke risici. Umættede fedtsyrer kan fremme oxidativ stress og lipidperoxidation, især ved tilstedeværelse af overskydende fri hæmoglobin/hæm frigivet som følge af hæmolyse7 under perfusionen eller ved brug af hæm-baserede iltbærere