TEIL Ⅰ: Metabolische Bedürfnisse des Nierentransplantats, das einer normothermischen Maschinenperfusion unterzogen wird
Mar 21, 2022
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TEIL Ⅰ: Stoffwechselbedarf des Nierentransplantats, das einer normothermischen Maschinenperfusion unterzogen wird
Asel S. Arykbaeva, Dorottya K. de Vries & et al.
Die größte Herausforderung bei der Organtransplantation ist die globaleMangel an Spenderorganen. Aufgrund der dringenden Nachfrage nehmen die meisten Transplantationszentren nach und nach Organe von älteren Spendern und Spendern mit höherem Risiko an. Gleichzeitig werden viele Transplantate aufgrund des wahrgenommenen Risikos verworfen, dass diese Organe nach der Transplantation nicht oder nicht optimal funktionieren.' Eine Strategie zur Erhöhung des Transplantatnutzens und zur Verbesserung der Transplantationsergebnisse ist die Implementierung objektiverer Qualitätsbewertungsinstrumente durch Ex-situ-Perfusion von Spenderorganen, wodurch ein Fenster für Funktionstests und die Verbesserung der Lebensfähigkeit des perfundierten Transplantats geschaffen wird, 4Rs: Wiederbelebung, Reparatur ,' Verjüngung und Regeneration. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die hypothermische Ex-situ-Maschinenperfusion für Nierentransplantate durchführbar und sicher ist und die klinischen Ergebnisse verbessert. Ein naheliegender nächster Schritt war die Einführung der (sub)normothermischen Maschinenperfusion (NMP). Obwohl die Durchführbarkeit von NMP in mehreren Studien nachgewiesen wurde, spiegeln die aktuellen NMP-Protokolle für Nieren bahnbrechende Proof-of-Concept-Studien wider, Studien, die sich hauptsächlich mit kurzen Perioden von NMP befassen. Die spezifischen metabolischen Voraussetzungen können teilweise mit den spezifischen Zielen der Perfusion variieren; die 4 R. Eine kürzere Perfusion, die auf Wiederbelebung, Verjüngung und Funktionsbewertung abzielt, sollte die Metaboliten liefern, die die metabolische Flexibilität optimal aufrechterhalten. Längere Perfusionen, die auf Reparatur und Verjüngung abzielen, gehen mit dem zusätzlichen Bedarf an anabolen Faktoren wie essentiellen Aminosäuren und Vitaminen einher. Aktuelle Protokolle basieren alle auf einer kontinuierlichen Perfusion mit roten Blutkörperchen oder einem alternativen Sauerstoffträger, einer isotonischen und/oder kolloidalen Lösung wie Albumin sowie Glukose und Aminosäuren2-5,10-1 als Energiequelle .4 Eine detaillierte Übersicht der veröffentlichten Protokolle (einschließlich der Perfusatzusammensetzung) ist in Tabelle 1.33,9,10 enthalten
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Basierend auf der Beobachtung, dass alle NMP-Studien an menschlichen 5,12,13 Nieren bis jetzt anfallende Laktat-Perfusat-Spiegel berichten, könnte argumentiert werden, dass ein physiologischer Stoffwechselzustand unter den gegenwärtigen NMP-Bedingungen nicht hergestellt wird.5“ Obwohl sich dieses Phänomen widerspiegeln mag Verwendung verworfener Nieren wird auch bei der NMP von zur Transplantation angenommenen Nieren eine Laktatakkumulation beobachtet, so dass die aktuellen NMP-Perfusionsprotokolle noch nicht die optimalen Voraussetzungen zur Induktion einer physiologischen Stoffwechsellage in lebensfähigen Transplantaten bieten, geschweige denn die Protokolle ahmen die optimalen Bedingungen für Lebensfähigkeitstests oder verlängerte Perfusionen nach, die für die Wiederbelebung und/oder Reparatur von sogenannten "marginalen" Nierentransplantaten erforderlich sind.
Die Niere ist ein stoffwechseltechnisch hochaktives Organ mit einem dem Herz ähnlichen Energiebedarf pro Masse und hat spezifische Substratpräferenzen und Stoffwechselfunktionen. Die letztgenannten Aspekte werden durch die nierenspezifischen Muster der Metabolitenaufnahme und -freisetzung, die durch organspezifische arteriovenöse Konzentrationsunterschiede gezeigt werden, und durch seine entscheidende Rolle bei der Laktatabfuhr im Körper deutlich.5. Darüber hinaus führt die funktionelle Vielfalt der Niere zu heterogenen Stoffwechselprofilen mit unterschiedlichen Substratpräferenzen für jede seiner spezialisierten funktionellen Untereinheiten. Folglich sollte ein optimales NMP-Protokoll die metabolischen Anforderungen der Niere berücksichtigen und das Fehlen des homöostatischen Systems des Körpers kompensieren, das normalerweise Nährstoffe auffüllen und Abfallprodukte entsorgen würde.
NMP für Viabilitätstests oder die Gewinnung sogenannter "marginaler" Nierentransplantate können mit noch anspruchsvolleren Anforderungen verbunden sein. Diese "marginalen" Nierentransplantate stellen eine heterogene Gruppe dar, die Transplantate von älteren Spendern, Transplantate von Spendern mit vermeintlich höherem Risiko und/oder Transplantate, die erheblichem Beschaffungsstress ausgesetzt waren (z. B. Prong-Ischämie), umfasst. Diese Zustände sind alle mit einer beeinträchtigten Belastbarkeit verbunden, da solche „marginalen“ Nierentransplantate eine beeinträchtigte metabolische Plastizität aufweisen können.1 Folglich kann die Nichterfüllung der metabolischen Anforderungen dieser beeinträchtigten Organe zu ungerechtfertigten Schlussfolgerungen in Bezug auf ihre Lebensfähigkeit führen. Besser zugeschnittene Perfusionsprotokolle sind wahrscheinlich erforderlich, um einen anabolen Zustand zu unterstützen und die metabolischen Voraussetzungen für eine verlängerte NMP zu erfüllen, die auf eine Ex-situ-Transplantatregeneration abzielt.
Der Schwerpunkt dieser Übersicht liegt auf der Bereitstellung eines theoretischen Rahmens für die metabolischen Aspekte der renalen NMP (dh wie eine optimale metabolische Unterstützung während der Transplantatperfusion bereitgestellt werden kann). Schlussfolgerungen aus der Überprüfung können (teilweise) auf andere Organe übertragen werden, jedoch bestehen tiefgreifende organspezifische Unterschiede in Bezug auf die Substratpräferenz. Eine Bewertung organspezifischer Unterschiede (z. B. langkettige Fettsäuren als bevorzugtes Stoffwechselsubstrat des Myokards) ging über den Rahmen des Reviews hinaus. Ebenso wurden Aspekte der Sauerstoffzufuhr über den Rahmen der Überprüfung hinaus berücksichtigt. Diese Übersicht ist nach den 3 wichtigsten metabolischen Stauben strukturiert: Kohlenhydrate, Fettsäuren und Aminosäuren, gefolgt von Überlegungen zur Bereitstellung von Mikronährstoffen. Abschließend wird ein praktischer Überblick über die Möglichkeiten zur Überwachung der metabolischen Homöostase im Kontext von NMP gegeben. Referenzdaten bezüglich Aspekten der metabolischen Physiologie der Niere stützen sich weitgehend auf Studien an Menschen (Lebendspender) und Schweinen, die eine arteriovenöse Blutentnahme über die Niere anwendeten.
Kohlenhydrate
Im Allgemeinen und insbesondere für die Niere verlassen sich aktuelle NMP-Protokolle hauptsächlich auf Glukose als metabolisches Substrat für das perfundierte Transplantat. Die fehlende Aufnahme oder Freisetzung von Glukose aus der Niere, wie durch arteriovenöse Messungen in der menschlichen Niere bestimmt, könnte jedoch auf einen minimalen renalen Glukosekatabolismus hindeuten (Abbildung 1'). Diese grobe Beobachtung ignoriert die besonders komplexe und räumlich vielfältige Organisation des renalen Kohlenhydratstoffwechsels, wobei einige Bereiche auf der Glykolyse beruhen und andere aktiv an der Glukose-
22 Diese Diversität folgt der funktionellen Hetneogenese.15, Heterogenität der Niere mit breiten regionalen Variationen der zellulären Stoffwechselraten und tiefgreifenden Unterschieden in der lokalen Sauerstoffspannung. Kortikale Glomeruli stellen gut mit Sauerstoff versorgte Gefäßstrukturen dar, die hauptsächlich als "passive" Filter fungieren. Die Marktubuli hingegen stellen eine Reihe von hochaktiven, metabolisch anspruchsvollen Pumpen dar27,2 Als unvermeidliche Folge des gegenläufigen Konzentrationsmechanismus der Henle-Schleifen sind jedoch Teile des tieferen Marks einer starken Hypoxie ausgesetzt. Daher sind Zellen in diesem Bereich obligatorisch glykolytisch (Acetat produzierend) und werden als relativ resistent gegenüber Anoxie beschrieben (Abbildung 2-).
Fehlende Laktatfreisetzung oder sogar Netto-Laktataufnahme aus dem Kreislauf unter physiologischen Bedingungen5,16,18 impliziert, dass das in der tieferen Medulla gebildete Laktat effizient innerhalb des Organs ausgeschieden wird. Jüngste Studien identifizierten die proximalen Tubuli als den primären Ort der Laktatabgabe.
Obwohl die renale Glukoneogenesekapazität Glukoseunabhängigkeit implizieren kann, ist es wichtig darauf hinzuweisen, dass die Glukoneogenese ein anaboler Prozess ist und somit eine vermeidbare Energiebelastung für das Transplantat auferlegt. Außerdem kann eine unzureichende Verfügbarkeit von Glucose die metabolische Plastizität des Transplantats (dh die physiologische Fähigkeit, zwischen verschiedenen metabolischen Substraten umzuschalten, um die metabolische Kompetenz aufrechtzuerhalten) stark beeinträchtigen. Folglich ist die Bereitstellung einer angemessenen Glukoseversorgung eine entscheidende Voraussetzung für NMP. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu berücksichtigen, dass supraphysiologische Glukosekonzentrationen eine vermeidbare metabolische Belastung der proximalen gewundenen Tubuli (lokale Belastung) innerhalb einer perfundierten Niere darstellen, da Blut(perfusat)-Glukose in das glomeruläre Ultrafiltrat filtriert und anschließend aktiv reabsorbiert wird proximalen Konvolut. Dieser Prozess der Glukose-Reabsorption gehört zu den primären energieaufwendigen Prozessen in der Niere. Folglich sollte im Hinblick auf die Minimierung des Energiebedarfs während der NMP eine perfusierte physiologische Glukosekonzentration von 3,5 bis 5,5 mmol/L aufrechterhalten werden. Es könnte spekuliert werden, dass eine pharmazeutische Beeinflussung der aktiven Glucosetransporter, wie z. B. des Natrium-Glucose-Cotransporter-2-Inhibitors, ad sein könnte. im Zusammenhang mit NMP vorteilhaft, da es den Energiebedarf/die Energiebelastung minimiert, die mit der Glucosereabsorption durch die distalen Tubuli verbunden ist. 5,36
Eine noch ungeklärte Frage ist, ob während der NMP auch Insulin verabreicht werden sollte. Der Glukoseeintrag wird durch die Familie der Glukosetransporter (GLUTs) kontrolliert, von denen die meisten insulinunabhängig sind. Eine Ausnahme bildet das insulinabhängige GLUT4, das die postprandiale Glukoseverwertung steuert. Da GLUT4 auch in der Niere exprimiert wird, sollte eine Insulinergänzung während NMP in Betracht gezogen werden.
Tabelle 1|Überblick über die Hardware (Perfusionssteuerungsmodus, Druck und Gasversorgung), die Perfusatzusammensetzung und die während der NMP der Niere bereitgestellten Ergänzungen für die verschiedenen Protokolle
Neben der Laktataufnahme zeigen die arteriovenösen Konzentrationsunterschiede, dass die Niere auch organische Säuren wie Citrat und Malat aus dem Kreislauf reinigt. Beide sind direkte Zwischenprodukte im Zitronensäurezyklus. Für Citrat wurde spekuliert, dass diese Clearance einen Urinausscheidungsmechanismus als Teil eines Citrat-Entsorgungssystems widerspiegelt. Tracer-Studien an Mäusen und die anhaltende Citrat-Clearance bei vorübergehend anurischen verstorbenen Spendertransplantaten in der Phase unmittelbar nach der Transplantation deuten jedoch darauf hin, dass Citrat zumindest teilweise von der Niere metabolisiert und nicht nur in den Urin ausgeschieden wird. "Folglich könnte Citrat in Betracht gezogen werden eine Kohlenstoffquelle im Zusammenhang mit renalem NMP.
Abbildung 1|Arteriovenöse Messungen von Glukose- und Kreatininkonzentrationen in prärenalen (arteriell [A]; rot) und postrenalen (venös [V]; blau) Blutproben von (gesunden) lebenden Nierenspendern (n [5]) in Proben, die nach Lindeman et al ., 16, gemessen in einer Standardweise durch das Clinical Chemistry Laboratory.(a) Die niedrigeren venösen Kreatininspiegel veranschaulichen die renale Kreatinin-Clearance. (b) Die unterschiedliche Glukoseaufnahme unter den verschiedenen Spendern spiegelt einen heterogenen Kohlenhydratumsatz wider. Adaptiert von Lindeman JH, Wijermars LG, Kostidis S, et al. Die Ergebnisse einer explorativen klinischen Bewertung deuten darauf hin, dass eine unmittelbare und anhaltende metabolische Lähmung nach der Reperfusion zu Nierenischämie-Reperfusionsschäden führt. K
Die obigen Beobachtungen implizieren eine zentrale Rolle für die Niere bei der physiologischen Kontrolle der Homöostase von Kohlenhydraten und organischen Säuren. Tatsächlich zeigen klinische Studien, dass eine akute Nierenschädigung mit tiefgreifenden Störungen des Kohlenhydratstoffwechsels verbunden ist, zu denen auch eine tiefgreifend beeinträchtigte Laktatclearance gehört. In ähnlicher Weise unterscheiden Unterschiede in der Laktatdynamik nach der Reperfusion (arteriovenöse Konzentrationsunterschiede) zwischen den unterschiedlichen Niveaus der metabolischen Kompetenz nach der Reperfusion nach einer Nierentransplantation (Abbildung 3'). Dementsprechend könnte man spekulieren, dass der Laktatstoffwechsel als Messwert für die metabolische Kompetenz von Transplantaten verwendet werden kann. In dieser Hinsicht wurde in NMP-Experimenten mit verworfenen menschlichen Nierentransplantaten eine fortschreitende perfusierte Laktatakkumulation beobachtet51.15 stellt die Wiederherstellung der physiologischen metabolischen Homöostase unter den gegenwärtigen NMP-Bedingungen in Frage.
Obwohl die Laktatakkumulation während der NMP die Entsorgung von durch rote Blutkörperchen produziertem Laktat widerspiegeln könnte (entweder durch direkte Laktatoxidation und/oder alternativ Laktatumwandlung in Glukose [Cori cyde]), ist es wahrscheinlich, dass die Laktatakkumulation größtenteils mit anhaltendem Nierenlaktat zusammenhängt Produktion als Ergebnis einer beeinträchtigten oxidativen Phosphorylierung unter den aktuellen NMP-Bedingungen. Ansteigende perfusierte Laktatspiegel führen zu einer metabolischen Azidose. Obwohl diese Azidose wirksam durch Titration von Bicarbonat zum Perfusat korrigiert werden kann, kann eine Laktatakkumulation zu einer Produkthemmung der Laktatdehydrogenaseaktivität der Nieren und Erythrozyten und als Folge davon zu einer beeinträchtigten Reduktion des gebildeten Pyruvats zu Laktat führen. Dieser letzte Schritt im Glykolyseweg ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Oxidations-Reduktions-Neutralität durch Regenerierung von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Positiv (NAD plus ) aus dem während der Glykolyse gebildeten reduzierten NAD. Infolgedessen kann die Hemmung des Laktatdehydrogenaseprodukts, die sich aus den anfallenden Laktatspiegeln ergibt, zu zellulärem Oxidations-Reduktions-Stress führen.
Abbildung 2|Schematische Übersicht der Stoffwechselsubstrate, die von der Niere in ihren vereinfachten Wegen verwendet werden.Unter normalen Bedingungen wird Laktat für die Gluconeogenese verwendet, und Glucose, Fettsäuren, Glutamin (Aminosäuren) und möglicherweise Citrat werden verwendet, um die oxidative Phosphorylierung voranzutreiben. Unter hypoxischen Bedingungen oder unter Bedingungen mit hohem Energiebedarf wird die Glykolyse aktiviert, was zu einer Nettofreisetzung von Laktat aus der Niere führt. NAD, Nicotinamidadenindinukleotid; NADH, reduziertes Nicotinamidadenindinukleotid; NH3, Ammoniak.
Die Niere teilt nicht nur diese Fähigkeit zur Glukoneogenese mit der Leber, sondern sie hat auch die Fähigkeit, Glykogen zu speichern, wenn auch im Vergleich zur Leber weniger mit einem glykogenolytischen System ausgestattet. Infolgedessen wird berichtet, dass die Rolle der renalen Glykogenolyse bei der Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels während des intermittierenden Fastens begrenzt ist.24 Da jedoch umgekehrte Zusammenhänge zwischen den Glykogenspeichern der Nieren und dem Ausmaß der ischämischen Nierenschädigung gefunden werden, können die Glykogenspeicher als endogen dienen Energiepuffer unter extremen Bedingungen, wie Transplantatbeschaffung und Transplantation. Folglich könnte spekuliert werden, dass die Erhaltung oder sogar Wiederherstellung der renalen Glykogenspeicher durch NMP von Vorteil ist.
Abbildung 3|Laktatdynamik zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Niveaus der Nierenstoffwechselkompetenz nach Nierentransplantation.Die Kurven geben die relativen renalen arteriellen (rot) und venösen (blau) Laktatspiegel wieder. Anfängliches Auswaschen des während der Lagerung angesammelten Laktats (angezeigt durch den grauen Balken) und sofortige (lebender Spender) oder verzögerte (verstorbene Spendertransplantation ohne verzögerte Transplantatfunktion [DGF]) Unterdrückung der Glykolyse (angezeigt durch den grünen Balken). Vorübergehende anhaltende normoxische Glykolyse bei Transplantaten verstorbener Spender ohne und mit DGF (angezeigt durch den roten Balken). Adaptiert von Lindeman JH, Wijermars LG, Kostidis S, et al. Die Ergebnisse einer explorativen klinischen Bewertung deuten darauf hin, dass eine unmittelbare und anhaltende metabolische Lähmung nach der Reperfusion zu Nierenischämie-Reperfusionsschäden führt
Fettsäuren
Obwohl die derzeitigen Perfusionsprotokolle im Wesentlichen auf Glukose ausgerichtet sind, zeigen Studien, dass die Niere wie das Herz auf Fettsäuren als primäre Energiequelle angewiesen ist )-Fettsäuren versorgt die Niere im Wesentlichen mittelkettige Fettsäuren (MCFAs) (Abbildung 46 und Ergänzungstabelle S2).
Abbildung 4|Arteriovenöse (AV) Konzentrationsunterschiede in (gesunden) lebenden Spendernieren für mittelkettige Fettsäuren (MCFAs) und langkettige Fettsäuren (LCFAs), die die Präferenz der Niere für MCFAs veranschaulichen.
Die Nierenpräferenz für MCFAs hat mehrere Vorteile gegenüber langkettigen Fettsäuren, da sie nicht auf spezifische Transmembrantransporter angewiesen sind, um die Plasma- und Mitochondrienmembranen durch spezifische Transporter und Carnitin-Shuttle zu durchqueren. MCFAs können also einfach durch die innere Mitochondrienmembran diffundieren, wo die Oxidation der Fettsäuren stattfindet. Mit dem Ziel, die Stoffwechselphysiologie der Niere während der NMP optimal nachzuahmen, sollte die Bereitstellung von MCFAs während der NMP berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang basieren die meisten parenteralen Lipidemulsionsformulierungen im Wesentlichen auf langkettigen Fettsäuren und sind daher für renales NMP nicht optimal geeignet. Es sind jedoch mit MCFA angereicherte Formeln erhältlich: Lipofundin (MCFA 10 Prozent) und Smoflipid (MCFA 6 Prozent). Angesichts der offensichtlich minimalen Oxidation von langkettigen Fettsäuren durch die Niere könnte eine weitere Anreicherung von MCFAs zu diesen Lösungen vorzuziehen sein.
Die Lipidabgabe während NMP ist mit mehreren Herausforderungen verbunden. Die überwiegende Mehrheit der Plasmafettsäuren wird von Albumin transportiert, wobei ungebundene Fettsäuren nur einen geringen Anteil ausmachen (<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="">
Abbildung 5|Stoffwechselstatus messen. Schematische Übersicht zur Veranschaulichung eines Clusters flüssiger Biomarker, die zur Überwachung des Stoffwechselstatus während der renalen normothermischen Maschinenperfusion eingesetzt werden können.ATP, Adenosintriphosphat; GTP, Guanosintriphosphat.
Abgesehen von ihrer Rolle als Energiequelle sollte die Bereitstellung anderer Lipidklassen, die für die Zellfunktion entscheidend sind, wie essentielle ungesättigte Fettsäuren und Cholesterin, während längerer NMP in Betracht gezogen werden, insbesondere in Protokollen, die auf die Organregeneration abzielen. Die Einbeziehung ungesättigter Fettsäuren in die NMP-Protokolle birgt jedoch spezifische Risiken. Ungesättigte Fettsäuren können oxidativen Stress und Lipidperoxidation fördern, insbesondere in Gegenwart von überschüssigem freiem Hämoglobin/Häm, das als Folge der Hämolyse7 während der Perfusion freigesetzt wird, oder bei Verwendung von Häm-basierten Sauerstoffträgern