JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يصف البروتوكول الحالي طريقة تدريجية لتحليل ميكانيكا الجهاز التنفسي لنموذج الفئران خارج الجسم الحي باستخدام تقنية التذبذب القسري (FOT).

Abstract

تعد ميكانيكا الجهاز التنفسي مجالا رئيسيا للدراسة في تحديد وعلاج أمراض الرئة من خلال تقييم سعة الرئة الوظيفية. يمكن تقييم ميكانيكا الرئة من خلال مناورات الرئة المختلفة التي تتضمن أشكال موجية تذبذبذبية مختلفة. عند تطبيقها على الرئتين ، تقيس هذه المناورات متغيرات متعددة ، مثل الضغط والحجم والتدفق ، بناء على الاستجابة لأشكال الموجة. ثم يتم حساب هذه الإشارات وتحليلها لتحديد معلمات مثل التعقيم والمقاومة والامتثال وتخميد الأنسجة ومرونة الأنسجة ، مما يوفر تقييما مفصلا لوظيفة الرئة الإجمالية. يعد تحليل ميكانيكا الجهاز التنفسي مهما بشكل خاص في تقييم رئتي المتبرعين لزراعة الرئة. البروتوكول الحالي هو الأول من نوعه ، حيث يقدم طريقة تدريجية شاملة وقابلة للتكرار لتقييم ميكانيكا الجهاز التنفسي باستخدام نموذج الفئران خارج الجسم الحي . ويتضمن تفاصيل عن النموذج الحيواني المختار ، واستعادة الرئة ، والتخزين والحفظ ، والتجريب باستخدام نظام قائم على تقنية التذبذب القسري. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يحدد تحليل البيانات والأهمية السريرية وتطبيقات تقنية التذبذب القسري في دراسة نموذج خارج الجسم الحي .

Introduction

تمثل زراعة الرئة العلاج الدائم الوحيد لأمراض الرئة في المرحلة النهائية. يتلقى ما يقرب من 4,600 شخص عمليات زرع الرئة كل عام في جميع أنحاء العالم ، لكن ما يقرب من 600 مريض يموتون في قائمة الانتظار الثانوية لنقص رئتي المتبرعين المناسبين 1,2. في الجهود المبذولة لزيادة مجموعة الرئتين المتاحة ، يتم تعديل أنظمة تخصيص المتبرعين باستمرار ، مما أدى إلى سفر الجراحين لمسافات أبعد لتأمين أعضاءالمتبرعين 3. تزيد المسافات المتزايدة دائما من الوقت الإقفاري البارد ، مما يمثل حاجة إلى طرق إضافية للحفاظ على الأعضاء.

المعيار الحالي للحفاظ على الأعضاء المانحة لزراعة الرئة هو الحفاظ على الكهرباء الساكنة على البارد عند 4 درجات مئوية ، مما يحد من وقت الحفظ إلى 6-8 ساعات - نافذة صغيرة من الجدوى للزرع4. ومع ذلك ، مع مسافات السفر الأطول وما ينتج عنها من زيادة الأوقات الإقفارية ، فإن تقييم وظائف الرئة قبل الزرع مهمللغاية 4. مع تطور السياسات لزراعة الرئة ، تم إجراء أبحاث جديدة لتلبية هذه الحاجة. في الآونة الأخيرة ، أشارت الدراسات إلى أن الحفاظ على الكهرباء الساكنة الباردة عند 10 درجات مئوية هو درجة حرارة تخزين مثالية للحفاظ على الرئة مع تحسن ناتج في وظائف الرئة ، ومقاومة الإصابة ، ومعدلات مماثلة من الخلل الوظيفي في الكسب غير المشروع الأولي عند زرعها4،5،6،7،8. علاوة على ذلك ، أظهرت الأبحاث التي تركز على تروية الرئة خارج الجسم الحي (EVLP) تحسنا كبيرا في استخدام رئة المتبرعين وزرعها دون الإضرار بالمتلقين9. في حين أن استخدام EVLP لتوسيع مجموعة المتبرعين لزراعة الرئة وإطالة وقت الحفظ موثق جيدا ، فإن هذه التقنية باهظة الثمن وتستغرق وقتا طويلا وتتطلب تدريبا متخصصا لأداء10. على هذا النحو ، هناك حاجة إلى طرق إضافية لدراسة وظائف الرئة خارج الجسم الحي تكون شاملة وغير مكلفة وقابلة للتكرار.

يمكن تحديد المقاييس التقليدية لميكانيكا الرئة ، على سبيل المثال ، الامتثال ، والمقاومة ، والمرونة ، ومنحنيات حجم الضغط ، بشكل موثوق باستخدام تخطيط تحجم الجسم أو باستخدام تقنيات التنفس الصناعي باستخدام نموذج أحادي المقصورة. يمكن الحصول على ميكانيكا أكثر تفصيلا باستخدام نموذج التذبذب القسري ليناسب نموذج الطور الثابت ، والذي يمكنه تقسيم ميكانيكا مجرى الهواء إلى مقصورات مركزية وطرفية (المقاومة النيوتونية ، تخميد الأنسجة / المرونة ، التباطؤ) 11. في حين أن تطبيق هذه التقنيات قابل للتكرار وشامل ، إلا أن أحد القيود حتى الآن كان شرط تنفيذ مثل هذه التدابير في نموذج في الجسم الحي ، على الأرجح لأن الرئة المنبعثة تفقد البنية عند حلقة المدخل السنخية12. استخدمت هذه الدراسة جهاز تنفس صناعي صغير قائم على تقنية التذبذب القسري المتاح تجاريا بهدف تطوير نموذج خارج الجسم الحي لتوصيف ميكانيكا الرئة بشكل أفضل لتطبيقات زرع الرئة.

Protocol

تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل لجنة البحوث الحيوانية وفقا لدليل المعاهد الوطنية للصحة لرعاية واستخدام المختبر. تم استخدام C57Bl / 6 فئران من النوع البري ، تتراوح أعمارهم بين 6-8 أسابيع ووزنها بين 18-28 جراما. يتم توفير تفاصيل الكواشف والمعدات في جدول المواد.

1. التحضير

  1. استخدم مجهر تشغيلي بتكبير يصل إلى 20 ضعفا لجميع العمليات الجراحية.
  2. تنظيف وتعقيم جميع الأدوات الجراحية قبل بدء العملية. أدوات الأوتوكلاف أو استخدام محلول تعقيم مناسب للحفاظ على الظروف المعقمة.

2. استخراج رئتي المتبرعين

  1. قم بإجراء جميع العمليات في ظل ظروف معقمة.
    ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة في مساحة جراحية مخصصة وفي ظل ظروف معقمة.
  2. ضع الفأر في غرفة تحريض التخدير وقم بالتخدير بنسبة 5٪ من الأيزوفلوران في الأكسجين وحافظ على التخدير بنسبة 3.5٪ من الأيزوفلوران في الأكسجين طوال العملية (باتباع البروتوكولات المعتمدة مؤسسيا).
  3. سجل وزن الماوس قبل الشق الأول.
  4. قم بتثبيت الماوس على طاولة العمليات وتأكد من عمق التخدير المناسب عن طريق الضغط على إصبع القدم. إذا انسحب الفأر من الألم ، فقم بزيادة التخدير حسب الحاجة.
  5. إزالة الرئتين من المتبرع باتباع الإجراء القياسي13.
    ملاحظة: تم استخراج الرئتين والقلب في كتلة لاختراق الرئتين خارج الجسم الحي ، وتمت إزالة جزء من القصبة الهوائية للتنبيب لاحقا.

3. تخزين الرئة والحفاظ عليها

  1. بمجرد إزالة الرئتين من المتبرع ، قم بتنبيب القصبة الهوائية بقسطرة وعائية وريدية 18 جم عن طريق دفع القسطرة بعناية ، مما يضمن عدم ثقب القصبة الهوائية.
  2. قم بتثبيت القصبة الهوائية فوق القنية باستخدام خياطة حريرية 3-0 ، مما يضمن إحكام إحكام. تقدم القسطرة الوعائية الوريدية 18 جم حتى تصبح داخل مجرى التدفق البطيني الأيمن (RVOT) ، بعد الصمام الرئوي مباشرة.
  3. سجل وقت إزالة الرئتين من الجسم.
  4. قم بتخزين الرئتين في أنبوب مخروطي سعة 50 مل يحتوي على محلول الحفظ المتاح تجاريا عند 4 درجات مئوية أو 10 درجات مئوية طوال الليل.

4. الإعداد والمعايرة

  1. ابدأ بتشغيل النظام و / أو البرنامج.
  2. ابدأ البرنامج ، وانقر فوق الزر إنشاء دراسة جديدة ، واتبع التعليمات التي تظهر على الشاشة لتحديد البروتوكول وتعيين الموضوعات.
  3. انقر فوق جلسة التجريب وقم بتسجيل الدخول باستخدام الأحرف الأولى والأخيرة من اسمي المستخدم.
  4. ابدأ في تصنيف الموضوعات من خلال اصطلاح تسمية متسق.
  5. أدخل معلومات الجنس وتاريخ الميلاد والوزن لكل موضوع.
  6. حدد الأهداف وقم بتعيينها لموقع القياس وتأكيد الأوزان.
  7. استمر في إعداد البرنامج ومعايرته باتباع المطالبات التي تظهر على الشاشة.
    ملاحظة: أثناء معايرة الأنبوب ، تم إرفاق نفس النوع من القنية المستخدمة في تنبيب رئتي المتبرع بالأنبوب Y للنظام لضمان الاتساق.
  8. كرر المعايرة إذا كانت قيم المعايرة تقع خارج النطاقات المقبولة.
  9. إلغاء المطالبات لبدء التهوية حتى تصبح جاهزة. يمكن بدء الجلسات التجريبية مع التهوية وتسجيل البيانات لاحقا.

5. تهوية الرئة والحصول على البيانات

  1. إزالة الرئتين من الأنبوب المخروطي سعة 50 مل. اغسل قناة التدفق البطيني الأيمن (RVOT) باستخدام قسطرة وعائية وريدية 18 جم موضوعة مسبقا مع محلول حفظ إضافي بجرعة 60 مل / كجم لطرد الشعيرات الدموية الرئوية.
    ملاحظة: يجب توخي الحذر الشديد لتجنب جفاف رئتي المتبرع لأن هذا مربك معروف في دراسة ميكانيكا الرئة.
  2. تأمين رئتي المتبرع بجهاز التنفس الصناعي وبدء التجربة.
  3. انقر فوق بدء التهوية ، وعندما تصبح جاهزا ، اضغط على بدء التسجيل لبدء الجلسة التجريبية.
    ملاحظة: تم تعيين جهاز التنفس الصناعي المستخدم في هذه الدراسة ليكون له معدل تنفس يبلغ 150 نفسا / دقيقة ، وحجم المد والجزر 10 مل / كجم ، ونقطة زقزقة 3.
  4. قم بتشغيل كل مهمة بالنقر المزدوج على المهمة لتقييمات ميكانيكا الرئة من قائمة المهام على الجانب الأيمن من الصفحة.
  5. قم بتشغيل مهمة التضخم العميق الموجودة في قائمة المهام لضمان تجنيد مناطق الالتهاب الحلقي وتوحيد أحجام الرئة. لمعرفة التفاصيل، راجع قسم النتائج.
  6. تابع تسلسل المهام.
    ملاحظة: يمكن تقييم وظائف الرئة من خلال مهام متعددة لتقييم الخواص الميكانيكية. يعمل التضخم العميق على توحيد حجم الرئة ، بينما يعمل Prime-8 على استقرار ميكانيكا الرئة. يقيس PV-P و PV-V الامتثال الثابت والديناميكي ومقاومة مجرى الهواء والتوصيل. يوفر Snapshot 150 تقييما سريعا للمقاومة والامتثال والمرونة ، بينما يقوم QuickPrime بتقييم مقاومة مجرى الهواء والأنسجة جنبا إلى جنب مع مرونة لزوجة الرئة. تضمن هذه المهام بشكل جماعي تحليلا شاملا لوظائف الرئة. في هذه المقالة، يتم توفير بيانات المهام التي تم تنفيذها في Deep Inflation و Snapshot 150 و QuickPrime (باستخدام المعدات المتوفرة تجاريا) كنتائج تمثيلية. تم توحيد أحجام الرئة بين الاضطرابات باستخدام مهمة التضخم العميق من أجل تقليل المتغيرات المربكة عند تفسير البيانات.
  7. قم بتشغيل تسلسل المهام المختار بثلاث نسخ.
  8. انقر فوق إيقاف التسجيل ثم إيقاف التهوية.
  9. قم بتصدير البيانات بشكل فردي أو تابع إلى الموضوع التالي وكرر الخطوات 5.1-5.9.
    ملاحظة: بالنسبة للبيانات المشتقة من اضطرابات Snapshot 150 و QuickPrime ، يلزم وجود COD >0.95 لتحليل موثوق.

النتائج

يتم توفير تصوير رسومي للتصميم التجريبي لنموذج الماوس (الشكل 1). تم تضخيم الرئتين باستخدام نظام التنفس الصناعي الصغير القائم على تقنية التذبذب القسري المتاح تجاريا لتقييم ميكانيكا الجهاز التنفسي للأنسجة المانحة في ظل ظروف مختلفة (الشكل 2)....

Discussion

الأهمية والتطبيقات المحتملة
تستخدم ميكانيكا الجهاز التنفسي بشكل روتيني في تطبيقات مختلفة لدراسة أمراض الرئة وإصابة الرئة. تم وصف دراسة ميكانيكا الجهاز التنفسي عدة مرات لتطور الأمراض مثل متلازمة الضائقة التنفسية الحادة وفي حالات التهوية المساعدة ولكن تم وص?...

Disclosures

وأعلن المؤلفون أن البحث أجري دون أي علاقات تجارية أو مالية يمكن أن يساء تفسيرها على أنها تضارب في المصالح.

Acknowledgements

يود المؤلفون أن يشكروا صوفي باكزينزي على استخدام نظام التنفس الصناعي ، وكولين ويلش على مساعدته. تم إنشاء الشكل 1 باستخدام biorender.com. تم دعم هذا البحث بمنحة من معهد ساوث كارولينا السريري والتحويلي (المعاهد الوطنية للصحة / المركز الوطني لتطوير العلوم الانتقالية) تحت رقم الجائزة UL1-TR001450.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
18 G angio-catheterB. Braun4251687-02Straight hub
24 G angio-catheterB. Braun4251601-02Straight hub
3 mL syringeFisher Scientific14-823-41
3-0 silk sutureMedexETH-A304H
50 mL conical tubesThermo Fisher339652
70% EtOHFisher ScientificBP82031GAL
Anesthesia induction chamberHarvard Apparatus75-2030Air-tight induction chamber for rats
Anesthesia machineHarvard Apparatus75-0238Mobile anesthesia system with passive scavenging
Anesthesia maskHarvard Apparatus59-8255Rat anesthesia mask
Blunt micro forcepsWorld Precision Instruments501217Dressing forceps, 12.5 cm, straight, serrated
C57Bl/6 miceCharles RiverStrain Code 027 Wild type, 6-8 weeks, 18-28g
Digital weight scaleFisher ScientificS72422
FlexiVent systemScireqNC2926059forced oscillation technique-based small rodent ventilator 
Insulin syringe, 1 mLFisher Scientific14-841-33
Isoflurane, USPPiramal Critical CareNDC 66794-017-25
Operating microscope or surgical loupesAmScopeSM-3BZ-80S3.5x - 90x Stereo Microscope
Perfadex solutionXvivo19811, 19850
Petri dishesFisher ScientificFB0875714
Sterile cotton swabsPuritan25-806 1WC
Sterile gauze spongesFisher Scientific22-037-902
Surgical scissorsWorld Precision Instruments1962CMetzenbaum scissors

References

  1. Erdman, J., et al. Lung transplant outcomes in adults in the United States: Retrospective cohort study using real-world evidence from the SRTR. Transplantation. 106 (6), 1233-1242 (2022).
  2. . OPTN/SRTR 2022 Annual Data Report: Lung Available from: https://srtr.transplant.hrsa.gov/annual_reports/2022/Lung.aspx (2022)
  3. Benvenuto, L., Arcasoy, S. The new allocation era and policy. J Thorac Dis. 13 (11), 6504-6513 (2021).
  4. Ali, A., et al. Static lung storage at 10 °C maintains mitochondrial health and preserves donor organ function. Sci Transl Med. 13 (611), eabf7601 (2021).
  5. Wang, L., et al. The effect of ischemic time and temperature on lung preservation in a simple ex vivo rabbit model used for functional assessment. J Thorac Cardiovasc Surg. 98 (3), 333-342 (1989).
  6. Date, H., et al. In a canine model, lung preservation at 10 °C is superior to that at 4 °C: A comparison of two preservation temperatures on lung function and on adenosine triphosphate level measured by phosphorus 31-nuclear magnetic resonance. J Thorac Cardiovasc Surg. 103 (4), 773-780 (1992).
  7. Hoetzenecker, K., et al. The advent of semi-elective lung transplantation-prolonged static cold storage at 10 °C. Transpl Int. 37 (1), 12310 (2024).
  8. Abdelnour-Berchtold, E., et al. Evaluation of 10 °C as the optimal storage temperature for aspiration-injured donor lungs in a large animal transplant model. J Heart Lung Transplant. 41 (12), 1679-1688 (2022).
  9. Moreno Garijo, J., Roscoe, A. Ex vivo lung perfusion. Curr Opin Anaesthesiol. 33 (1), 50-54 (2020).
  10. Rajab, T., Keshavjee, S. Ex vivo lung perfusion. Artif Organs. 44 (1), 12-15 (2020).
  11. Oostveen, E., et al. The forced oscillation technique in clinical practice: Methodology, recommendations, and future developments. Eur Respir J. 22 (6), 1026-1041 (2003).
  12. Gibney, B., et al. Structural and functional evidence for the scaffolding effect of alveolar blood vessels. Exp Lung Res. 43 (9-10), 337-346 (2017).
  13. Rajab, T. Techniques for lung transplantation in the rat. Exp Lung Res. 45 (9-10), 267-274 (2019).
  14. Hill, M., et al. Evaluation of ventilation at 10 °C as the optimal storage condition for donor lungs in a murine transplant model. , (2024).
  15. Hess, D. Respiratory mechanics in mechanically ventilated patients. Respir Care. 59 (11), 1773-1794 (2014).
  16. Henderson, W., et al. Fifty years of research in ARDS: Respiratory mechanics in acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med. 196 (7), 822-833 (2017).
  17. Mauri, T., et al. Respiratory mechanics to understand ARDS and guide mechanical ventilation. Physiol Meas. 38 (12), R280-R303 (2017).
  18. Bersten, A., et al. Respiratory mechanics and surfactant in the acute respiratory distress syndrome. Clin Exp Pharmacol Physiol. 25 (11), 955-963 (1998).
  19. Grinnan, D., Truwit, J. Clinical review: Respiratory mechanics in spontaneous and assisted ventilation. Crit Care. 9 (5), 472-484 (2005).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

219

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved