探讨应用激光扫描共聚焦显微镜技术(LSCM)及肝脏生化指标检查实时评估大鼠冷缺血损伤肝脏质量的价值。
采用SD大鼠构建肝脏冷缺血模型,依据冷缺血时间(CIT)的不同将大鼠分为4组,分别为CIT1 h组、CIT6 h组、CIT12 h组及CIT24 h组。采集各组大鼠肝脏的保存液及灌洗液检测肝功能相关指标丙氨酸转氨酶(ALT)、天冬氨酸转氨酶(AST)及乳酸脱氢酶(LDH)。
LSCM检查和肝组织病理切片检查结果均显示,随着冷缺血时间的延长,肝脏质量显著下降。在肝脏的保存液及灌洗液中的临床指标检测的结果显示,只有LDH的差异具有统计学意义(P<0.001)。
LSCM能够在离体肝脏中观察到与病理组织切片相似的结果,操作简单及时效性是激光扫描共聚焦显微镜的一个显著的优点。LDH指标比ALT及AST具有更好的预测性作用。
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随着扩大标准供者(Expanded criteria donors,ECD)捐献器官的推广应用,供肝的数量明显增加,但是肝移植术后早期移植物功能障碍(EAD)的发生率也随之增加。EAD往往提示肝移植受者术后预后不良。国外研究显示,伴随着ECD的推广,EAD的发生率提升到了23.7%[1,2,3]。有研究显示,EAD的发生主要与供肝的冷缺血时间(CIT)[4]、供者原发性疾病(如有无脂肪肝及脂肪肝的严重程度[5,6])以及供者年龄[7]等因素相关。如何在移植之前对供肝进行准确的质量评估,识别出ECD供肝,减少ECD供肝的应用,对预防肝移植术后EAD的发生有极其重要的意义。因此,供肝质量评估关系着肝移植的成败,供肝质量评估的需求日益紧迫。因此,本实验中我们主要针对激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)在评估供肝质量中的应用进行探索。
包括单人双目显微镜、显微手术器械、无菌10 cm细胞培养皿、林格氏液、质量分数1%的戊巴比妥、肝素钠(12500 IU/支)、荧光素钠注射液(质量分数10%的荧光素钠,5 ml/瓶)、4',6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)、Leica SP8激光扫描共聚焦显微镜及图像采集系统、Leica光学显微镜及图像采集系统。
雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠20只,鼠龄8~10周,体重220~250 g,无固定病原体级(SPF级),购自上海西普尔-必凯实验动物有限公司,饲养于上海市第一人民医院松江南院实验动物中心。所有大鼠均饲养于独立通气笼具系统中,人工控制昼夜(12 h/12 h)节律。所有大鼠均遵照标准化饮食,食用饲料与饮用水均经过实验动物中心工作人员高温高压消毒。术前12 h禁食但不禁水。所有和实验动物有关的操作均按照上海交通大学动物管理委员会制定的要求进行。
根据大鼠肝脏获取后在保存液中冷保存时间(冷缺血时间)的不同,将大鼠分为四组,分别为CIT 1 h组、6 h组、12 h组及24 h组,每组5只大鼠。
取SD大鼠,腹腔注射1%戊巴比妥(0.6 ml/100 g)麻醉后,腹部正中开口进入腹腔。用湿纱布将肠管包裹,充分暴露肝门。游离门静脉至肝门处1 cm左右,用4 ℃林格氏液灌注。等肝脏呈均匀一致的黄色时停止灌注,将头皮针留置于门静脉处备用。之后将肝脏取下(离断肝上、下腔静脉时注意保留适量膈肌以备后续提拉)。用4 ℃林格氏液冲洗肝脏表面,洗去表面血渍后置于预冷的盛放足量4 ℃林格氏液的无菌培养皿中,之后将其存放在4 ℃的冰箱中保存。
依据实验设计,分别在肝脏冷保存(冷缺血)的1 h末、6 h末、12 h末和24 h末采集1 h组、6 h组、12 h组及24 h组肝脏的保存液5 ml;然后将肝脏轻柔的提至干燥无菌容器内,从固定的头皮针处灌注4 ℃的林格氏液5 ml,收集流出的林格氏液(灌洗液),待测。
从固定的头皮针处注入荧光素混合液(0.1%荧光素钠+ DAPI 1 mmol)5 ml,10 min后进行激光扫描共聚焦显微镜观察。LSCM图像均在1024×1024分辨率下采集。
荧光素混合液灌注后,截取部分肝组织进行HE染色,观察肝组织病理学改变。
采用SPSS(19.0版)软件进行统计处理,采用Graph Pad Prism version 5.0软件进行相关的统计示意图的制作。计量资料用均数±标准差(Mean±SD)来表示。丙氨酸转氨酶(ALT)、天冬氨酸转氨酶(AST)及乳酸脱氢酶(LDH)的比较采用单因素方差分析,三者之间的比较采用多因素方差分析。P<0.05为差异有统计学意义。
经1 h冷缺血后,大鼠肝脏LSCM观察结果与肝组织病理检查结果均理想,组织结构均清晰可见,并且LSCM观察结果与肝组织病理检查结果有很好的对应性:10倍镜下肝小叶结构,20倍镜下中央静脉,40倍镜下肝细胞膜及细胞核等均有很好的对应性(图1)。
经6 h冷缺血后,大鼠肝脏LSCM观察结果与肝组织病理检查结果均较为理想,组织结构仍可辨识,并且LSCM观察结果与肝组织病理检查结果仍有很好的对应性:20倍镜下肝脏小血窦结构,40倍镜下肝细胞膜及细胞核等均有很好的对应性(图2)。与CIT1h图像相比,CIT6 h组的LSCM图像明显粗糙许多,组织结构也不如CIT1 h组的LSCM图像整齐,稍显紊乱。
经12 h冷缺血后,大鼠肝脏LSCM观察结果与肝组织病理检查结果均不甚理想。LSCM观察结果显示,10倍镜下肝脏显微结构无法清晰辨识,这与肝组织病理检查结果一致。肝组织病理检查结果显示,在10倍镜下,肝小叶结构也无法清晰辨识。20倍镜下LSCM未能观察到肝小叶等典型结构,只能观察一些较粗的血管结构;而在40倍镜下,LSCM观察显示:在DAPI染色下,绝大多数肝细胞核染色较CIT1h组和CIT6h组明显变浅,甚至有部分细胞核发生染色缺失,异形染色质数量明显增多;在荧光素钠染色下,可以发现部分细胞的细胞膜消失,细胞间隔消失后细胞连成一片。与LSCM结果相比,肝组织病理检查也有类似结果,大部分细胞核染色变浅甚至缺失,异形细胞核数量明显增多,细胞膜破裂,细胞间质相连成片(图3)。
因LSCM未观察到明显的有意义的显微图像,故对CIT24 h组不作比较。
CIT1 h组、CIT6 h组细胞核染色明显,形态规则,异形细胞核数量少,且细胞核沿着肝血窦的形状分布(图4A、图4B、图4D、图4E);CIT12 h组细胞核染色不均,着色浅,细胞核内有部分染色质缺失,异形细胞核数量明显增多且细胞核排列紊乱(图4C、图4F)。DAPI染色结果与HE染色结果相一致(图4)。
随着肝脏冷缺血时间的延长,保存液和灌洗液中各个指标的浓度均显著上升。在保存液中,CIT24 h组ALT和AST的浓度与CIT1 h、CIT6 h和CIT12 h的结果相比,均存在显著差异(P<0.05);在灌洗液中,CIT24 h ALT和AST的浓度与CIT1 h、CIT6 h和CIT12 h的结果相比,均存在显著差异(P<0.05)。而在保存液中,CIT24h的LDH浓度分别与CIT1h、CIT6h和CIT12的浓度存在显著差异(P<0.05),但是在灌洗液中,CIT24h的LDH浓度只与CIT1h的浓度存在显著差异(P<0.05)。将ALT、AST及LDH三者联合分析后发现,无论在保存液还是灌洗液,都只有LDH在CIT1h和CIT24h时的差异有统计学意义,AST和ALT的差异无显著意义(表1、表2)。
组别 | 例数 | ALT(U/L) | AST(U/L) | LDH(U/L) |
---|---|---|---|---|
CIT1 h组 | 5 | 4.20±1.70 | 1.85+0.21 | 34.5+20.50 |
CIT6 h组 | 5 | 17.40±0.99a | 7.65±3.75a | 84.5±51.62a |
CIT12 h组 | 5 | 43.25±1.34ab | 24.00±7.50ab | 219.0±98.99ab |
CIT24 h组 | 5 | 137.85±71.49abc | 98.00±78.35abc | 77.5±601.35abc |
注:与CIT1 h组比较,aP<0.05;与CIT6 h组比较,bP<0.05;与CIT12 h组比较,cP<0.05
组别 | 例数 | ALT(U/L) | AST(U/L) | LDH(U/L) |
---|---|---|---|---|
CIT1 h组 | 5 | 35.76±18.49 | 7.96±4.65 | 176.8±56.57 |
CIT6 h组 | 5 | 235.56±152.94a | 169.58±122.25a | 1464.0±696.93a |
CIT12h组 | 5 | 343.14±221.25ab | 297.84±217.86ab | 1606.2±568.45ab |
CIT24h组 | 5 | 773.22±369.45abc | 656.88±278.14abc | 3435.0±2980.55abc |
注:与CIT1 h组比较,aP<0.05;与CIT6 h组比较,bP<0.05;与CIT12 h组比较,cP<0.05
肝移植是治疗终末期肝病及急性肝功能衰竭最有效的手段[8,9]。随着近年来扩展供者标准的推广,患者术后早期移植物功能障碍的发生率升至23.7%[1,2,3]。供肝的质量关系着移植的成败。早期移植物功能障碍主要与供肝的长时间冷缺血[10]有关,如何进行有效、准确评估供肝因长时间的冷缺血而产生的损伤显得尤为重要。因此亟需一种简便快捷的技术来准确的评估供肝的质量。
供肝的质量主要与以下几个因素有关,分别是:供者原发性疾病(尤其是有无脂肪肝及脂肪肝的严重程度)、供者年龄及供肝的冷缺血时间[4,5,6,7]。有研究表明,在经历长时间的冷缺血保存后,供者肝脏的代谢已经发生了变化,在对供者肝脏的代谢组学研究后,研究者发现,乳酸浓度(lactate content)是唯一可以独立预测EAD的指标[11]。在我们的研究中,随着冷缺血的时间的不断延长,LDH与供肝质量的相关性比ALT和AST更高,能更好的指示肝脏质量。而葡萄糖可在LDH的催化下产生乳酸[12],乳酸浓度的升高也伴随着LDH的表达和活性的增加[13]。同时,也有研究显示,长时间的缺氧可对细胞和组织造成损伤,并且这种损伤是以LDH的释放作为标志[14]。随着冷缺血时间的延长,组织缺氧状态逐渐加重。此时可出现少量细胞损伤甚至死亡,部分LDH释放入保存液中。但是若再进一步延长冷缺血时间,组织细胞缺氧状况越发严重,细胞膜广泛破裂,存在于细胞浆中的LDH大量释放,保存液和灌洗液中LDH的含量显著上升。因此在本实验中,无论在保存液组还是灌洗液组,CIT2 4h组的LDH的含量都显著升高且CIT24 h组和CIT1 h组相比,其差异具有显著的统计学意义。但是,LDH广泛分布于各种组织细胞中,所以LDH的特异性不如ALT和AST高。
其次,激光共聚焦显微镜在2007年的时候首次证明了体内肝脏表面的实时成像是可行的[15]。此后,关于LSCM在体肝脏观察的应用越来越多,但是还少有在离体肝脏上的应用。本实验将LSCM技术应用在离体肝脏上的观察,并且随着冷缺血时间的延长,LSCM的观察结果也随之改变。保存时间较短(CIT1 h和CIT6 h),肝脏损伤较小,LSCM能观察到清晰的组织微观结构;保存时间较长(CIT12 h和CIT24 h),肝脏损伤较大,LSCM对肝脏显微结构的观察结果不甚理想甚至无法观察,无法清晰的辨别肝脏组织的微观结构。LSCM的观察结果和肝组织病理结果有着很好的对应性。但是LSCM在离体肝脏上的应用也是有很多缺陷与不足的,如离体肝脏缺少可做参照的红细胞[15],因此组织的辨识度与成像效果要弱于在体肝脏的观察,而且组织微观结构的辨识不如肝组织病理检查结果那样清晰、全面,有很多组织结构比如小胆管结构等无法很好的观察。
因此,将LSCM技术应用在离体肝脏组织的评估上是完全可行的,并且出色的时效性和简单易操作将会成为LSCM技术的一个尤为重要的优势与特点。肝功能的相关检查指标分析后显示,LDH相比AST与ALT而言,能更好的预示肝脏的质量。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突