home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / anarchy / essays / schoolsucks / biochem.txt < prev    next >
Text File  |  1996-04-27  |  13KB  |  239 lines

  1. Biochemistry
  2.  
  3. Prolonged Preservation of the Heart Prior to Transplantation
  4.  
  5.  
  6.  
  7.         Picture this.  A man is involved in a severe car crash in 
  8. Florida which has left him brain-dead with no hope for any 
  9. kind of recovery.  The majority of his vital organs are 
  10. still functional and the man has designated that his organs 
  11. be donated to a needy person upon his untimely death.  
  12. Meanwhile, upon checking with the donor registry board, it 
  13. is discovered that the best match for receiving the heart of 
  14. the Florida man is a male in Oregon who is in desperate need 
  15. of a heart transplant.  Without the transplant, the man will 
  16. most certainly die within 48 hours.  The second man's 
  17. tissues match up perfectly with the brain-dead man's in 
  18. Florida.  This seems like an excellent opportunity for a 
  19. heart transplant.  However, a transplant is currently not a 
  20. viable option for the Oregon man since he is separated by 
  21. such a vast geographic distance from the organ.  Scientists 
  22. and doctors are currently only able to keep a donor heart 
  23. viable for four hours before the tissues become irreversibly 
  24. damaged.  Because of this preservation restriction, the 
  25. donor heart is ultimately given to someone whose tissues do 
  26. not match up as well, so there is a greatly increased chance 
  27. for rejection of the organ by the recipient.  As far as the 
  28. man in Oregon goes, he will probably not receive a donor 
  29. heart before his own expires.
  30.  
  31.         Currently, when a heart is being prepared for 
  32. transplantation, it is simply submerged in an isotonic 
  33. saline ice bath in an attempt to stop all metabolic activity 
  34. of that heart.  This cold submersion technique is adequate 
  35. for only four hours.  However, if the heart is perfused with 
  36. the proper media, it can remain viable for up to 24 hours.  
  37. The technique of perfusion is based on intrinsically simple 
  38. principles.  What occurs is a physician carefully excises 
  39. the heart from the donor.  He then accurately trims the 
  40. vessels of the heart so they can be easily attached to the 
  41. perfusion apparatus.  After trimming, a cannula is inserted 
  42. into the superior vena cava.  Through this cannula, the 
  43. preservation media can be pumped in.
  44.  
  45.         What if this scenario were different?  What if doctors were 
  46. able to preserve the donor heart and keep it viable outside 
  47. the body for up to 24 hours instead of only four hours?  If 
  48. this were possible, the heart in Florida could have been 
  49. transported across the country to Oregon where the perfect 
  50. recipient waited.  The biochemical composition of the 
  51. preservation media for hearts during the transplant delay is 
  52. drastically important for prolonging the viability of the 
  53. organ.  If a media can be developed that could preserve the 
  54. heart for longer periods of time, many lives could be saved 
  55. as a result.
  56.  
  57.         Another benefit of this increase in time is that it would 
  58. allow doctors the time to better prepare themselves for the 
  59. lengthy operation.  The accidents that render people 
  60. brain-dead often occur at night or in the early morning.  
  61. Presently, as soon as a donor organ becomes available, 
  62. doctors must immediately go to work at transplanting it.  
  63. This extremely intricate and intense operation takes a long 
  64. time to complete.  If the transplanting doctor is exhausted 
  65. from working a long day, the increase in duration would 
  66. allow him enough time to get some much needed rest so he can 
  67. perform the operation under the best possible circumstances.
  68.  
  69.         Experiments have been conducted that studied the effects of 
  70. preserving excised hearts by adding several compounds to the 
  71. media in which the organ is being stored.  The most 
  72. successful of these compounds are pyruvate and a pyruvate 
  73. containing compound known as 
  74. perfluoroperhydrophenanthrene-egg yolk phospholipid 
  75. (APE-LM).  It was determined that adding pyruvate to the 
  76. media improved postpreservation cardiac function while 
  77. adding glucose had little or no effect.  To test the 
  78. function of these two intermediates, rabbit hearts were 
  79. excised and preserved for an average of 24.5 1 0.2 hours on 
  80. a preservation apparatus before they were transplanted back 
  81. into a recipient rabbit.  While attached to the preservation 
  82. apparatus, samples of the media output of the heart were 
  83. taken every 2 hours and were assayed for their content.  If 
  84. the compound in the media showed up in large amounts in the 
  85. assay, it could be concluded that the compound was not 
  86. metabolized by the heart.  If little or none of the compound 
  87. placed in the media appeared in the assay, it could be 
  88. concluded that compound was used up by the heart metabolism.
  89.  
  90.         The hearts that were given pyruvate in their media 
  91. completely consumed the available substrate and were able to 
  92. function at a nearly normal capacity once they were 
  93. transplanted.  Correspondingly, hearts that were preserved 
  94. in a media that lacked pyruvate had a significantly lower 
  95. rate of contractile function once they were transplanted.  
  96. The superior preservation of the hearts with pyruvate most 
  97. likely resulted from the hearts use of pyruvate through the 
  98. citric acid cycle for the production of energy through 
  99. direct ATP synthesis (from the reaction of succinyl-CoA to 
  100. succinate via the enzyme succinyl CoA synthetase) as well 
  101. as through the production of NADH + H+ for use in the 
  102. electron transport chain to produce energy.  
  103.  
  104.                 After providing a preservation media that contained 
  105. pyruvate, a better recovery of the heart tissue occurred.  
  106. Most of the pyruvate consumed during preservation was 
  107. probably oxidized by the myocardium in the citric acid 
  108. cycle.  Only a small amount of excess lactate was detected 
  109. by the assays of the preservation media discharged by the 
  110. heart.  The lactate represented only 15% of the pyruvate 
  111. consumed.  If the major metabolic route taken by pyruvate 
  112. during preservation had been to form lactate dehydrogenase 
  113. for regeneration of NAD+ for continued anaerobic glycolysis, 
  114. rather than by the aerobic citric acid cycle (pyruvate 
  115. oxidation), then a higher ratio of excess lactate produced 
  116. to pyruvate consumed would have been observed.
  117.  
  118.         Hearts given a glucose substrate did not transport or 
  119. consume that substrate, even when it was provided as the 
  120. sole exogenous substrate.  It might be expected that glucose 
  121. would be used up in a manner similar to that of pyruvate.  
  122. This expectation is because glucose is a precursor to 
  123. pyruvate via the glycolytic pathway however, this was not 
  124. the case.  It was theorized this lack of glucose use may 
  125. have been due to the fact that the hormone insulin was not 
  126. present in the media.  Without insulin, one may think the 
  127. tissues of the heart would be unable to adequately take 
  128. glucose into their tissues in any measurable amount, but 
  129. this is not the case either.  It is known that hearts 
  130. working under physiologic conditions do use glucose in the 
  131. absence of insulin, but glucose consumption in that 
  132. situation is directly related to the performance of work by 
  133. the heart, not the presence of insulin.  
  134.  
  135.         To further test the effects of the addition of insulin to 
  136. the glucose media, experiments were done in which the 
  137. hormone was included in the heart preservation media5-7.  
  138. Data from those studies does not provide evidence that the 
  139. hormone is essential to insure glucose use or to maintain 
  140. the metabolic status of the heart or to improve cardiac 
  141. recovery.  In a hypothermic (80C) setting, insulin did not 
  142. exert a noticeable benefit to metabolism beyond that 
  143. provided by oxygen and glucose.  This hypothermic setting is 
  144. analogous to the setting an actual heart would be in during 
  145. transportation before transplant.  
  146.  
  147.         Another study was done to determine whether the compound 
  148. perfluoroperhydrophenanthrene-egg yolk phospholipid, 
  149. (APE-LM) was an effective media for long-term hypothermic 
  150. heart preservation3.  Two main factors make APE-LM an 
  151. effective preservation media.  (1) It contains a lipid 
  152. emulsifier which enables it to solubilize lipids.  From this 
  153. breakdown of lipids, ATP can be produced.  (2) APE-LM 
  154. contains large amounts of pyruvate.  As discussed earlier, 
  155. an abundance of energy is produced via the oxidation of 
  156. pyruvate through the citric acid cycle.  
  157.         
  158.         APE-LM-preserved hearts consumed a significantly higher 
  159. amount of oxygen than hearts preserved with other media.  
  160. The higher oxygen and pyruvate consumption in these hearts 
  161. indicated that the hearts had a greater metabolic oxidative 
  162. activity during preservation than the other hearts.  The 
  163. higher oxidative activity may have been reflective of 
  164. greater tissue perfusion, especially in the coronary beds, 
  165. and thereby perfusion of oxygen to a greater percentage of 
  166. myocardial cells.  Another factor contributing to the 
  167. effectiveness of APE-LM as a transplantation media is its 
  168. biologically compatible lipid emulsifier, which consists 
  169. primarily of phospholipids and cholesterol.  The lipid 
  170. provides a favorable environment for myocardial membranes 
  171. and may prevent perfusion-related depletion of lipids from 
  172. cardiac membranes.  The cholesterol contains a bulky steroid 
  173. nucleus with a hydroxyl group at one end and a flexible 
  174. hydrocarbon tail at the other end.  The hydrocarbon tail of 
  175. the cholesterol is located in the non polar core of the 
  176. membrane bilayer.  The hydroxyl group of cholesterol 
  177. hydrogen-bonds to a carbonyl oxygen atom of a phospholipid 
  178. head group.  Through this structure, cholesterol prevents 
  179. the crystallization of fatty acyl chains by fitting between 
  180. them.  Thus, cholesterol moderates the fluidity of 
  181. membranes.8
  182.  
  183.         The reason there are currently such strict limits on the 
  184. amount of time a heart can remain viable out of the body is 
  185. because there must be a source of energy for the heart 
  186. tissue if it is to stay alive.  Once the supply of energy 
  187. runs out, the tissue suffers irreversible damage and dies.  
  188. Therefore, this tissue cannot be used for transplantation.  
  189. If hypothermic hearts are not given exogenous substrates 
  190. that they can transport and consume, like pyruvate, then 
  191. they must rely on glycogen or lipid stores for energy 
  192. metabolism.  The length of time that the heart can be 
  193. preserved in vitro is thus related to the length of time 
  194. before these stores become too low to maintain the required 
  195. energy production needs of the organ.  It is also possible 
  196. that the tissue stores of ATP and phosphocreatine are 
  197. critical factors.  It is known that the amount of ATP in 
  198. heart muscle tissues is sufficient to sustain contractile 
  199. activity of the muscle for less than one second.  This is 
  200. why phosphocreatine is so important.  Vertebrate muscle 
  201. tissue contains a reservoir of high-potential phosphoryl 
  202. groups in the form of phosphocreatine.  Phosphocreatine can 
  203. transfer its phosphoryl group to ATP according to the 
  204. following reversible reaction:
  205.  
  206.                 phosphocreatine  +  ADP  +  H+   9   ATP  +  creatine
  207.  
  208. Phosphocreatine is able to maintain a high concentration of 
  209. ATP during periods of muscular contraction.  Therefore, if 
  210. no other energy producing processes are available for the 
  211. excised heart, it will only remain viable until its 
  212. phosphocreatine stores run out.
  213.  
  214.  
  215.         A major obstacle that must be overcome in order for heart 
  216. transplants to be successful, is the typically prolonged 
  217. delay involved in getting the organ from donor to recipient.  
  218. The biochemical composition of the preservation media for 
  219. hearts during the transplant and transportation delays are 
  220. extremely important for prolonging the viability of the 
  221. organ.  It has been discovered that adding pyruvate, or 
  222. pyruvate containing compounds like APE-LM, to a preservation 
  223. medium greatly improves post-preservation cardiac function 
  224. of the heart.  As was discussed, the pyruvate is able to 
  225. enter the citric acid cycle and produce sufficient amounts 
  226. of energy to sustain the heart after it has been excised 
  227. until it is transplanted.
  228.         
  229.         Increasing the amount of time a heart can remain alive 
  230. outside of the body prior to transplantation from the 
  231. current four hours to 24 hours has many desirable benefits.  
  232. As discussed earlier, this increase in time would allow 
  233. doctors the ability to better match the tissues of the donor 
  234. with those of the recipient.  Organ rejection by recipients 
  235. occurs frequently because their tissues do not suitably 
  236. match those of the donors.  The increase in viability time 
  237. would also allow plenty of opportunity for the organ to be 
  238. transported to the needy person, even if it must go across 
  239. the country.