Optimierung porciner Modelle für die ex vivo Lungenperfusion (EVLP)

Ziel der vorliegenden Dissertation war die Optimierung porciner Forschungsmodelle für die ex vivo Lungenperfusion. Zu diesem Zweck wurden zwei Projekte durchgeführt. Zum einen sollte ein erfolgreich einsetzbares und standardisiertes alternatives Tiermodell, zur Nutzung von Schlachthoforganen für die Ex vivo Lungenperfusion (EVLP) Forschung etabliert werden, zum anderen ging es darum, im Bereich der Perfusatforschung, zur Etablierung einer neuartigen kostengünstigen alternativen Perfusionslösung beizutragen.
Die ex vivo Lungenperfusion ist ein klinisch anerkanntes System, das bereits vielerorts eingesetzt wird. Dennoch besteht aktuell keine einheitliche Übereinkunft über das optimale Verfahren zur Durchführung der EVLP, sodass vor allem im technischen Bereich ein großer Forschungsbedarf besteht.
In einer ersten Studie wurde zur Erweiterung des Angebots an alternativen Tiermodellen und somit zum Erreichen einer effektiven Reduzierung von Tierversuchen in der EVLP Forschung ein alternatives EVLP Modell, bei dem Schlachthoforgane genutzt werden, entwickelt und untersucht. Im Rahmen dieses Studienteils wurden 16 Schweine der Deutschen Landrasse verwendet, welche in zwei Gruppen aufgeteilt wurden. Die Schweine der Standardgruppe wurden analog zu vorangehenden EVLP Versuchen unter kontrollierten Bedingungen im zentralen Tierlabor euthanasiert und die Lungen anschließend im Rahmen einer

Organentnahme für den Versuch entnommen. Die zweite Gruppe, bestehend jeweils aus Geschwistertieren der Standardgruppe, wurde markiert und bis zur üblichen Schlachtreife gemästet. Anschließend wurden die Tiere regulär dem Schlachtprozess zugeführt und deren Lungen aus der Schlachtlinie entnommen. Die Lungen beider Gruppen wurden 4 Stunden in Perfadex® kaltgelagert und dann anschließend für bis zu 4 Stunden ex vivo evaluiert.
Die Gruppen zeigten keinen signifikanten Unterschied in der Oxygenierungskapazität. Die LDH Konzentration war in der Schlachthofgruppe signifikant höher. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass trotz einer enormen Gewebebelastung der Schlachthoflungen im Schlachtungsprozess, die Lungen dennoch für die ex vivo Lungenperfusion geeignet sind und keine signifikanten funktionellen Nachteile im Rahmen einer vierstündigen ex vivo Perfusion aufweisen. Somit kann durch die Nutzung von Schlachthoflungen, als Alternative zur Nutzung von Labortieren, die Tierzahl im Bereich der EVLP Forschung erfolgreich, im Sinne des 3R Konzepts, reduziert werden.
Anknüpfend an vorangegangene Untersuchungen zu alternativen Perfusionslösungen unserer Arbeitsgruppe (Olbertz et al., 2020) haben wir in einem zweiten Projekt die Perfusionslösung Custodiol-MP zur Anwendung in der EVLP getestet.
Custodiol-MP ist eine für die Maschinenperfusion optimierte Perfusionslösung, die auf der bereits erfolgreich zur Lungen- und Nierenkonservierung angewendeten Custodiol-N Lösung basiert (Minor et al., 2015; Olbertz et al., 2020).
Im Rahmen dieses Projekts wurden die Lungen von 16 Schweinen der Deutschen Landrasse in einer Organentnahme im Standardverfahren entnommen, für 4 Stunden in Perfadex Plus® Lösung kaltgelagert und anschließend, aufgeteilt in zwei Gruppen, für 4 Stunden im EVLP Modell hinsichtlich der Lungenfunktion und dem Auftreten von Zellschädigung evaluiert. Verglichen wurden hier die neue Perfusionslösung Custodiol-MP mit der Standard EVLP Lösung Steen SolutionTM. Die Ergebnisse zeigen einen statistisch signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen im zeitlichen Verlauf der Oxygenierungskapazität. Außerdem waren alle Zellschädigungsparameter kontinuierlich niedriger in Custodiol-MP perfundierten Lungen, wobei die LDH- sowie Laktatkonzentration statistisch signifikant niedriger in Custodiol-MP perfundierten Lungen waren. Außerdem war der pulmonal vaskuläre Widerstand signifikant niedriger in der Custodiol-MP Gruppe.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Nutzung von Custodiol-MP als Perfusionslösung in einem 4-stündigen EVLP Modell durchführbar ist und keine signifikanten Nachteile im Vergleich zur Steen Solution™ hat. Die Nutzung von Custodiol-MP zeigte darüber hinaus signifikant bessere Ergebnisse im Bereich der Laktatproduktion, der LDH-Aktivität, dem pulmonalen Gefäßwiderstand, sowie der Oxygenierungskapazität. The aim of the present dissertation was to optimize porcine research models for ex vivo lung perfusion. Two projects were carried out for this purpose. On the one hand, a successfully feasible and standardized alternative animal model for the use of slaughterhouse organs for ex vivo lung perfusion (EVLP) research should be established. On the other hand, we wanted to contribute to the establishment of a new, inexpensive alternative perfusion solution in the area of perfusate research. Ex vivo lung perfusion is a clinically recognized system that is already used in transplantation center’s around the world. Nevertheless, there is currently no uniform agreement on the optimal procedure for carrying out the EVLP, so that there is a great need for research, especially in the technical area.
In a first study, an alternative EVLP model, in which slaughterhouse organs are used, was developed and examined in order to expand the range of alternative animal models and thus to achieve an effective reduction in animal experiments in EVLP research. In this study, 16 German landrace pigs were used, which were divided into two groups. The pigs of the standard group were euthanized under controlled conditions in the central animal laboratory, analogous to previous EVLP experiments and the lungs were then harvested for the experiments as part of an organ procurement. The second group, each consisting of siblings from the standard group, was marked with spray paint and regularly fattened in groups until they were ready for slaughter. The animals then went through standard slaughtering procedure and their lungs were removed from the slaughtering line. The lungs of both groups were stored cold in Perfadex® solution for 4 hours and then evaluated ex vivo for up to 4 hours. The groups showed no significant difference in oxygenation capacity, but the LDH concentration was significantly higher in the slaughterhouse group. These results indicate that, despite the initial tissue damage to the lung tissue during the slaughtering process, the lungs are still suitable for ex vivo lung perfusion and do not show any significant functional disadvantages in the context of a four-hour ex vivo perfusion. Thus, by using slaughterhouses as an alternative to using laboratory animals, the number of animals in EVLP research can be successfully reduced in the sense of the 3R concept.
Taking up on previous studies on alternative perfusion solutions by our working group (Olbertz et al., 2020), we aimed to investigate the perfusion solution Custodiol-MP for the use in EVLP in a second project. Custodiol-MP is a perfusion solution optimized for machine perfusion that is based on the Custodiol-N solution, which has already been used successfully for preserving lungs and kidneys (Minor et al., 2015; Olbertz et al., 2020). As part of this project, the lungs of 16 German Landrace pigs were removed, as part of organ procurement, using the standard organharvesting procedure, subsequently stored cold for 4 hours in Perfadex Plus® Solution. Then they were divided into two groups and evaluated for lung function and the occurrence of

cell damage for 4 hours in the EVLP system either using the new perfusion solution Custodiol- MP or the standard EVLP solution Steen Solution™ for perfusion. The results show a statistically significant difference between the two groups regarding the oxygenation capacity over the time course of the experiment. Furthermore, all cell damage parameters were continuously lower in Custodiol-MP perfused lungs, whereas the LDH and lactate concentrations were statistically significantly lower in Custodiol- MP perfused lungs. Additionally, the pulmonary vascular resistance was significantly lower in the Custodiol- MP group.
These results indicate that the use of Custodiol-MP as a perfusion solution is feasible in a 4-hour EVLP model and has no significant disadvantages compared to the use of Steen Solution™. In fact, the use of Custodiol-MP showed significantly better results in terms of lactate production, LDH activity, PVR and oxygenation capacity.