Abschätzung der Nierenfunktion unter isolierter Hämoperfusion: Referenzwerte und Bewertungsverfahren für eine Tierversuchsersatzmethode

Abstract

Hintergrund: Die isolierte hämoperfundierte Niere wird als Modell genutzt für Untersuchungen physiologischer und pathophysiologischer Aspekte renalen Verhaltens in experimenteller und klinischer Forschung, etwa in der Transplantationsmedizin und in pharmakologischen und toxikologischen Studien. Da die Schweineniere dem menschlichen Organ in Grösse und Funktion vergleichbarer ist, als die Nieren gebräuchlicher Versuchstiere wie Maus oder Ratte, steht diese Spezies hier seit einigen Jahren im Vordergrund der Forschung. Ein weiterer Vorzug kann sein, dass die Schweineorgane aus Schlachtprozessen verwendet und somit Tierversuche eingespart werden könnten. Die Abkopplung des isolierten Organs von allen nervalen wie humoralen Kontrollmechanismen des Spenderkörpers erzeugt eine Situation, in der physiologische Normalwerte aus in vivo Studien zur Beurteilung der Funktionsgüte des Modells nur begrenzten Wert haben. Spezielle Analyse- und Bewertungsverfahren sind deshalb für dieses Modell neu bereitzustellen. Methoden: (A) Für die Evaluation von Perfusionsqualität und Nierenfunktion wurde ein spezielles graphisches Verfahren entwickelt und hiermit wurden zwei renale Funktionsstufen untersucht: glomeruläre Filtration (Kreatinin- Clearance) und fraktionelle Natrium-Resorption. Zusätzlich wurde der Kopplungsquotient Natrium-Resorption/ O2-Konsum studiert. (B) Eine Optimierung des vorhandenen Modell-Systems wurde unternommen: mit einer speziell entwickelten Konservierungslösung, mit Perfusat-Vergleichsstudien (zellfreie Lösung vs. Vollblut), sowie mit einer Untersuchung der Wirksamkeit des Perfusatzusatzes Albumin. (C) Die Funktionalität des Modells wurde stimulus- response -getestet mittels zweier antagonistisch wirkender nierenspezifischer Pharmaka: Furosemid und ADH (antidiuretisches Hormon). (D) Schliesslich wurden nach diesen Vorstudien Nieren-Perfusionsreihen ausgewertet und verglichen, die mit verschiedenen Versuchsprotokollen durchgeführt wurden. Die isolierten Organe wurden entweder im Operationssaal entnommen (OP) oder im Schlachthaus gewonnen (SLA) und hatten festgelegte Konservierungszeiten (0, 2, 5, 24 Stunden). Die Ergebnisse wurden mit Untersuchungen der Nierenfunktion verglichen, die an lebenden Schweinen durchgeführt wurden (CON). Ergebnisse: Die Verbesserung der Organkonservierung wird für dieses Modell mit einer Studie zum Vergleich der neu entwickelten Lösung mit einer herkömmlichen Lösung demonstriert, desgleichen die Überlegenheit von Vollblut als Perfusat gegenüber zellfreier Lösung. Die Funktionalität des optimierten Perfusionsmodells konnte mit typischen Organ-Reaktionen auf die Test-Pharmaka nachgewiesen werden. Die Untersuchungen bei den verschiedenen Versuchsgruppen ergaben teilweise erhebliche Abweichungen von den in vivo Kontrollwerten. Mit Hilfe der entwickelten Auswerteverfahren werden Funktionsbereiche des Modells vorgeschlagen, die für eine Standardisierung geeignet erscheinen. Schlussfolgerung: Die mit einem optimierten und standardisierten Nieren- Perfusionsmodell demonstrierte Annäherung an vitales Organverhalten eröffnet eine attraktive Möglichkeit zum Studium renaler Homöostase in experimenteller und klinischer Forschung, sogar dann, wenn die Organe in Routine- Schlachtprozessen gewonnen werden, was die Reduktion von Tierversuchen möglich machen kann.

Background: Models of isolated and perfused kidneys are used to study physiological and pathophysiological aspects of renal homeostasis in experimental and clinical research, so in transplantation medicine, toxicology. Since physiological and morphological parameters of small laboratory animal kidneys are difficult to compare to human renal parameters, porcine kidney perfusion models have been developed to simulate closer conditions to the human situation. If the organs could be used out of regular slaughtering processes animal experiments may be avoided. The isolated kidney´s cut-off situation from extra-organic nervous and humoral control mechanisms gives physiological reference values out of in vivo animal studies a limited meaning and therefore comparative values and special evaluation procedures for the isolated kidney function under different organ collection and perfusion conditions have to be established for this model. Methods: To assess isolated kidney perfusion quality, a new nomogram technique for analyzing complex physiological data was developed and 3 renal function parameters studied: creatinine-clearance, sodium reabsorption and the tubular coupling-ratio of Na-reabsorption/O2-consumption. Model optimization was established by use of a special preservation solution, by comparing blood and cellfree perfusates and by studying additives (albumin). The model function was stimulus-response -tested by application of 2 antagonistic renal pharmaca: furosemide and anti-diuretic hormone (ADH). Different perfusion settings in the model of porcine kidney hemoperfusion were finally studied and compared. The organs were collected in the operating theatre (OP) or in a public abattoir (SLA) and the perfusion results compared to the data of in vivo measurements in living animals (CON). The experimental groups had defined preservation periods ( 0, 2, 5, 24 hrs). Results: The successful use of the special solution for organ preservation and the use of blood as perfusate was confirmed in comparative studies. The model validity and the usefulness of the new nomogram technique was demonstrated by typical alterations of renal function parameters after administration of the test pharmaka. Varying perfusion settings in the experimental kidney groups resulted in functional values with partly relevant differences in comparison to the in vivo control values. By help of the new developed evaluation methods characteristic areas for the organ function are to consider for model standardization. Conclusion: In the present study functional values for isolated kidneys with different perfusion settings were determined to assess organ perfusion quality in an optimized and standardized model. It can be summarized that the hemoperfused porcine kidney can serve as a biological model with acceptable approximation to in vivo renal physiology, also if the organs originate from usual slaughtering processes.