成人和儿童猪急性容量超负荷模型

摘要

这里的方案显示了如何将晶体液连续施用到等容量猪/仔猪的中央静脉中，从而可以适当地研究急性容量超负荷的生理效应。

摘要

该方案描述了成年约克夏猪和仔猪的急性容量超负荷猪模型。两个年龄的猪都接受全身麻醉、气管插管和机械通气。中心静脉导管和动脉导管通过手术切开分别放置在颈外静脉和颈动脉中。肺动脉导管通过中心静脉导管的导引鞘放置。然后以 100 mL/min 的速率在成年猪中以 20 mL/kg 的速率在仔猪中以 10 分钟内推注 PlasmaLyte 晶体液。当心输出量减少 15% 或成年猪 5 L 和仔猪 500 mL 时，可发生高血容量。在实验期间监测血流动力学数据，例如心率、呼吸频率、呼气末二氧化碳、氧饱和血红蛋白分数、动脉血压、中心静脉压、肺动脉压、肺毛细血管楔压、部分动脉氧压、乳酸、pH 值、碱过量和氧饱和血红蛋白的肺动脉分数。使用该模型观察到的初步数据表明，成年猪的中枢血流动力学参数和急性容量超负荷之间存在统计学上的显着变化和强线性回归。只有肺毛细血管楔压显示出仔猪急性容量超负荷的线性回归和统计学意义。这些模型可以帮助科学家发现适合年龄的治疗和监测策略，以了解和预防急性容量超负荷。

引言

急性容量超负荷是一种以体液量突然和过度增加为特征的疾病，是一个需要全面研究的关键医学问题¹。它通常与积极和/或不适当的液体复苏、输血以及心力衰竭和肾衰竭等合并症有关。它可能导致严重的发病率和死亡可能性增加 ^1,2,3。尽管具有临床意义，但急性容量超负荷的病理生理学仍然知之甚少 ^3,4。此外，缺乏具体的诊断标准和有效的监测策略进一步强调了进行严格科学调查的必要性。研究急性容量超负荷不仅对改善患者预后至关重要，而且对于促进我们对人体生理学的理解也至关重要。它提供了一个独特的机会来探索身体的液体稳态机制及其对极端压力的反应¹。调查目标导向液体疗法 （GDFT） 以防止自由液体复苏并促进更目标导向复苏方法的研究显示，围手术期和脓毒症的发病率和死亡率有所改善 ^1,3,4。这些研究使用多种设备来监测容量状态，包括中心静脉压测量中心静脉导管、ScVO₂、动脉线乳酸测量、通过经食管多普勒测量的每搏输出量/心输出量、锂稀释心输出量、动脉脉搏轮廓分析、胸部生物阻抗和跨肺热稀释 ^1,3,4,5.用于评估容量状态的多种方法，每种方法在准确性和可用性方面都有局限性，这表明通过加强血管内容量评估，GDFT 还有显着改善的空间 ^3,4。

猪模型已成为人类心血管生理学研究中特别有价值的工具⁶。猪和人类心血管系统之间的解剖学和生理学相似性，例如心脏大小、冠状动脉解剖结构和血流动力学参数，使猪成为转化研究的理想模型⁶。此外，猪对容量超负荷的反应与人类相当，使其成为研究急性容量超负荷的病理生理学和各种治疗干预有效性的优秀模型 ^7,8。猪模型的使用还允许收集高质量、详细的数据点，例如实时血流动力学测量和组织样本，这在人类研究中通常是无法实现的⁷。数据点的这种优越性提供了对急性容量超负荷的更全面理解，这最终可能有助于制定更有效的监测和预防策略。

在研究急性容量超负荷时使用仔猪模型至关重要，特别是考虑到该领域儿科研究的稀缺性。仔猪在生理和发育上与人类婴儿相似，与成年仔猪一样，为了解儿科人群提供了一个宝贵的模型 ^9,10,11。尽管儿科患者容量超负荷情况的发生率很高，例如与先天性心脏病或重症监护干预相关的疾病，但该领域的研究明显有限，尤其是在准确代表人类婴儿的动物模型方面 ^5,12,13。利用仔猪模型可以帮助弥合这一差距，深入了解急性容量超负荷的儿科特异性病理生理学和潜在治疗策略的疗效 ^7,11。

本手稿描述了一种使用晶体液直接连续输注到成年猪和儿童颈外静脉以诱导急性容量超负荷的方法，并研究这种容量变化对容量状态监测中使用的常见外周和中枢数据点的血流动力学影响。这种概述的方法应作为有价值的工具，帮助未来的科学家研究急性容量超负荷的潜在病理生理机制，并评估潜在的优质监测方式和创新。

研究方案

该研究方案得到了范德堡大学机构动物护理和使用委员会（协议 M1800176-00）的批准，并严格遵守美国国立卫生研究院关于实验动物护理和使用指南。本实验使用雄性和雌性约克夏猪和体重约为 40-45 公斤和 4-10 公斤的仔猪。目前的方法不包括对订购猪中先前存在的医疗条件的筛查。承认这种做法可能会影响或掩盖预期的结果，重要的是要注意，根据供应商的信息，这种干扰的可能性很低。该限制被承认并接受为该程序的固有方面。

1. 麻醉和通气

1. 成年猪模型
   1. 通过肌肉注射氯胺酮 （2.2 mg/kg）/甲苯噻嗪 （2.2 mg/kg）/特拉唑 （4.4 mg/kg） 来麻醉猪。诱导后，立即将 18-24G 静脉 （IV） 导管放置在耳廓后侧的中央或边缘耳静脉中。用 1 英寸胶带固定 IV。
   2. 将猪放在手术室的手术台上，仰卧位。请负责监督特定参数的独立动物实验室技术人员评估麻醉深度，这些因素包括生命体征、对刺激的反应性、有无运动、下颌张力松弛、心率波动、呼气末 CO₂ 水平的变化和呼吸频率的变化。这些评估指导调整吸入麻醉剂剂量。
   3. 用 6.5 mm 气管插管，通过直接喉镜对猪进行气管插管，并用 3-5 mL 空气给气管套囊充气。维持猪进行容量控制通气，潮气量为 8 mL/kg，呼吸频率滴定至呼气末 CO₂ 为 35-40 mmHg，呼气末正压为 5 cm H₂O。通过吸入 1% 异氟醚维持麻醉。
   4. 在尿道中放置 Foley 导管以监测母猪的尿量，并通过手术将其放置在继发于通过尿道放置 Foley 的解剖困难的公猪中。
2. 仔猪模型
   1. 将氯胺酮 （2.2 mg/kg）/甲苯噻嗪 （2.2 mg/kg）/特拉唑 （4.4 mg/kg）/右美托咪定 （0.005 mg/kg） 的麻醉溶液注射到一头大约 5 周龄的仔猪（相当于大约 12 个月大的人类）通过肌肉注射 （IM） 注射。然后，立即将 22-24G IV 放置在最佳可用静脉中，可能在耳廓的后侧。
   2. 将仔猪放在手术室的桌子上，仰卧位。
   3. 使用直接喉镜检查，用 4.5-5.5 mm 气管插管对仔猪进行气管插管。使用没有针头的注射器用 3-5 mL 空气给气管插管套囊充气。根据重新给药时评估的麻醉深度，根据需要每 2 小时用 1% 异氟醚维持麻醉，有或没有重新给予右美托咪定 （0.005 - 0.01 mg/kg IV）。
   4. 通过容量控制通气，保持潮气量为 8 mL/kg，呼吸频率滴定至呼气末 CO₂ 为 35-40 mmHg，呼气末正压为 5 cm H₂O。
   5. 在尿道中放置 Foley 导管，以监测母猪的尿量。将 Foley 导管手术放置在继发于通过尿道放置 Foley 的解剖学困难的雄性仔猪中。
      注意:此外，丁丙诺啡/右美托咪定镇痛药给药将在必要时通过推注给药进行。为了保持一致性，将调整机械呼吸机上的呼吸频率，以在整个实验过程中将呼气末 CO₂ 水平保持在 35-40 mmHg 的范围内。

2. 插管和监测装置的放置

1. 成年猪模型
   1. 用 2% 氯己定磨砂溶液消毒整个前颈，然后喷洒 5% 聚维酮碘溶液¹⁴。
   2. 手术暴露左右颈外静脉 （EJ） 和颈内动脉 （CA），双侧垂直切口紧邻气管外侧，并用单极烧灼解剖至脉管系统。
   3. 根据需要使用 Kelly 组织剪刀和 Lahey 牵开器和/或组织镊子解剖带状肌肉和束¹⁴。暴露双侧 EJ 和 CA。
   4. 使用 Seldinger 技术将两个 8.5 French （Fr） 套管放入右侧 EJ^{中 15}。插管后，将 7 Fr 肺动脉导管 （PAC） 穿过右侧 EJ 的导引器。使用这种正确的 EJ 导管和 PAC 进行血流动力学监测。
   5. 用 10 Fr 套管套管左侧 EJ，并将其连接到用 PlasmaLyte 溶液灌注的专用滚轮泵管上。
      注意:颈外静脉的直径往往更大，角度更适合心脏导管插入术。正是由于这些原因，我们选择在猪实验中将 EJ 插管到颈内静脉 （IJ）^{上 1}。
   6. 使用 Seldinger 技术¹⁵ 在右侧 CA 中放置一条 4 Fr 动脉线，以便在整个实验过程中进行侵入性血压监测。
   7. 将所需的监控附加到 pig。
      1. 通过将连接到血压放大器的压力传感器连接到 CA 导管，使用遥测导线监测心率 （HR） 和收缩压 （SBP）、舒张压 （DBP） 和平均动脉压 （MAP）。
      2. 通过将连接到血压放大器的压力传感器连接到适当的 PAC 端口，监测平均肺动脉压 （MPAP）、收缩期肺动脉压 （SPAP）、舒张肺动脉压 （DPAP） 和中心静脉压 （CVP）。
      3. 通过查找 SBP 和 DBP 之间的方差来确定脉压。要计算脉压变异性 （PPV），请计算整个呼吸周期中吸气和呼气期间峰值脉压水平之间的变化。
      4. 使用 LabChart 8 的血压模块并在 PowerLab 系统上运行，计算 PPV 测量值。在此设置中，在 Arterial Line 通道中选择 3 分钟的数据，其中最小峰高设置为 10 mmHg，循环数为 10 个循环的平均值。在软件模块中，可以自动计算和目视确认每个脉冲周期的峰值。然后使用得到的最小脉压和最大脉压来计算 PPV。
      5. 通过使用设备特定的体积/温度校准进行热稀释心输出量 （CO）。通过用 1.5 mL 空气给 PAC 球囊充气并推进导管直到看到 V 波和 A 波（代表右向左血流受限）来获得肺毛细血管楔压 （PCWP）。在到期结束时读取 A 波的值的 PCWP。
   8. 在急性容量超负荷开始之前，以大约 100 mL/min 的速率施用 PlasmaLyte¹⁶ ，以获得 8-10 mmHg（正常血容量）的起始 PCWP。
      注:达到正常血容量所需的总体积因讨论中涵盖的众多变量而异。在范德堡大学医学中心接受该实验方案的猪平均需要大约 500 mL。该模型使用 PlasmaLyte 作为平衡缓冲晶体液。任何其他平衡缓冲晶体液（例如 Normosol-R、乳酸林格氏液）可能会提供类似的结果。在该模型中，应避免使用非缓冲的酸性生理盐水，以避免已知的内皮细胞膜完整性丧失、内皮功能障碍和生理盐水引起的酸中毒¹⁶。
2. 仔猪模型
   1. 与成年猪类似，仔猪一旦麻醉和机械通气，用 2% 氯己定擦洗溶液对整个前颈部进行消毒，然后喷洒 5% 聚维酮碘溶液¹⁴。仅插管仔猪的右 EJ、颈动脉和左股动脉。
   2. 手术暴露右侧 EJ 静脉和内部 CA，右侧垂直切口紧邻气管外侧，并使用单极烧灼解剖至脉管系统。
   3. 根据需要使用 Kelly 组织剪刀和 Lahey 牵开器和/或组织镊子解剖带状肌肉和束¹⁴。露出右侧的 EJ 和 CA。
   4. 用 2% 氯己定磨砂溶液消毒仔猪的下腹部和耻骨区域，然后喷洒 5% 聚维酮碘溶液。使用¹⁷ 中描述的经典纵向技术手术暴露左股动脉 （FA）。
   5. 将 6 Fr 中心静脉导管引入器放入右侧 EJ，然后将 5 Fr PAC 放入肺动脉。
   6. 放置两个 3 Fr 动脉导管:一个在右侧 CA，另一个在左侧 FA。将左侧 FA 导管专用于抽血以进行频繁的动脉血气分析。使用与 PAC 导引器相关的开放端口对 60 mL 注射器进行体积给药。
   7. 使用 60 mL 注射器以稳定的推注速率给予 10 mL/kg 的 PlasmaLyte¹⁶ 次推注，每次推注后停止以获得 PCWP，并在达到 8-10 mmHg（正常血容量）值时停止。
      注:达到正常血容量所需的总体积根据本手稿讨论中涵盖的众多变量而变化。在范德堡大学医学中心接受该实验方案的仔猪平均需要大约 50-100 mL。

3. 卷管理

1. 成年猪模型
   1. 插管完成并达到正常血容量后，以 100 mL/min 的速率以 500 mL 的增量注入温热的 PlasmaLyte 晶体液（图 1）。
   2. 确认血流动力学终点的记录:HR、氧饱和血红蛋白分数 （SpO₂）、呼吸频率 （RR）、呼气末二氧化碳 （ETCO₂）、CVP、SBP、DBP、MAP、PPV、SPAP、DPAP 和 MPAP。
   3. 执行必要的程序，在每 500 mL 体积后获得静态措施（CO 和 PCWP），直到安乐死，安乐死将在 5 L 总体积下进行，或者直到 CO 比上次测量减少 15%，以先发生者为准。
      注:CO 的下降表示 Starling 曲线¹⁸ 下降边的起点。此时，容量超负荷导致心脏扩张超过肌纤维收缩的最佳长度，导致收缩受损和 CO¹⁸ 降低。
   4. 在正常血容量和总容量给药结束时，进行动脉血气分析以获得猪的部分动脉血氧压 （PaO₂）、pH 值、乳酸和碱过量。
   5. 记录每增加 500 mL PlasmaLyte 晶体液后的尿量 （mL）。建议在达到正常血容量后将尿液归零。在总体积为 5 L 或观察到 CO 减少 15% 时对猪实施安乐死，以先发生者为准。
2. 仔猪模型
   1. 成功插管并达到正常血容量后，每 10 分钟通过注射器推注以 20 mL/kg 的增量施用 PlasmaLyte（图 1）。
   2. 确认血流动力学参数（HR、RR、SpO₂、EtCO₂、CVP、SBP、DBP、MPAP、PPV 和 MPAP）的记录。每 10 mL/kg 推注后测量 PCWP。
      注意:由于所需的体积和 5 Fr PAC 的小内径产生的阻力，因此不在仔猪中进行热稀释 CO。相反，采用 Fick 方法 ^19,20 来计算 CO。这涉及从肺动脉血液 （SvO₂） 中获得一部分氧饱和血红蛋白，这与动脉血气分析同时进行。
   3. 每 20 mL/kg 推注体积后进行动脉血气分析，以获得 PaO₂、pH 值、乳酸和碱过量量。
      注意:鉴于常规临床护理中许多这些侵入性数据点的局限性，在仔猪模型中每 20 mL/kg 推注后进行经胸超声心动图 （TTE），以测量主动脉血流峰值收缩速度 （PSV） 和左心室流出道 （LVOT） 直径 - 儿科临床实践中用于估计患者容量状态的两个数据点。
   4. 每 20 mL/kg 推注后执行 TTE 以测量 PSV 和 LVOT 直径数据点。记录每 20 mL/kg 推注后的尿量。在总体积为 500 mL 或观察到 CO 减少 15% 时对仔猪实施安乐死，以先发生者为准。

4. 成年猪和仔猪的安乐死

1. 确认维持 1% 异氟醚。通过静脉注射戊巴比妥钠 （125 mg/kg） 诱导心脏骤停。确认注射后缺乏生命体征以确认死亡。

结果

成年猪模型线性回归分析后的初步代表性试点数据表明，前 8 头猪的容量给药呈线性（图 2）。虽然在本实验期间测量了许多其他数据点和超过 2.5 L 的体积，但这些数据代表了迄今为止的分析。最常用于容量评估的两个生命体征 HR （R²=0.15） 和 MAP （R²=0.79） 在用力高血容量期间均表现出线性关系，但未表现出统计学意义 （p>0.05;

讨论

该协议有两个关键步骤。首先，必须花时间进行适当的插管并确保血流动力学/容量监测的位置。在成猪和仔猪模型中，都需要手术切开以适当地插管所需的血管并引入所需的导管。经皮超声引导下方法已被证明在猪和仔猪的小口径血管周围具有挑战性和创伤性。两种可能带来挑战的导管是 PAC 和 Foley 导尿管。PAC 在猪和仔猪中都很难漂浮到肺动脉中。当球囊尖端用 1.0 - 1.5...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1% Isoflurane	Primal, Boston, MA, USA	26675-46-7	https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/792632?gclid=Cj0KCQjw9fqnBhDSARIsAHl cQYS_W-q6tS2s6LQw2Qn7Roa3TGIpTLPf5 2351vrhgp44foEcRozPqtYaAtvfEAL w_wcB
Arterial Catheter	Merit Medical, South Jordan, UT, USA	MAK401	MAK Mini Access Kit 4F
Arterial Catheter	Cook Medical, Bloomington, IN, USA	C-PMS-300-RA/G01908	Radial Artery Catheter Set 3.0Fr./5cm
Blood Pressure Amp	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	FE117	https://www.adinstruments.com/products/bp-blood-pressure-amp
Central Venous Catheter Introducer	Arrow International Inc, Reading, PA, USA	AK-09800	8.5 Fr. x 4" (10 cm) Arrow-Flex
Central Venous Catheter-Introducer	Arrow International	CP-07611-P	Super Arrow-Flex Percutaneous Sheath Introducer Kit 6Fr./7.5cm
Disposable BP Transducers	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	MLT0670	https://www.adinstruments.com/products/disposable-bp-transducers
Kendall 930 FoamElectrodes	Covidien, Mansfield, MA, USA	22935	https://www.cardinalhealth.com/en/product-solutions/medical/patient-monitoring/electrocardiography/monitoring-ecg-electrodes/radiolucent-electrodes/kendall-930-series-radiolucent-foam-electrodes.html
LabChart 8 software	AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA	N/A	https://www.adinstruments.com/products/labchart
Peripheral IV Catheter Angiocath 18-24 Gauge 1.16 inch	McKesson, Irving, TX, USA	329830	https://mms.mckesson.com/product/329830/Becton-Dickinson-381144
PlamaLyte Crystilloid Solution	Baxter International, Deerfield, IL USA	2B2544X	https://www.ciamedical.com/baxter-2b2544x-each-solution-plasma-lyte-a-inj-ph-7-4-1000ml
PowerLab	ADInstruments, Colorado Springs, CO, USA	N/A	https://www.adinstruments.com/products/powerlab/c?creative=532995768429&keyword= powerlab&matchtype=e&network= g&device=c&gclid=CjwKCAjwysipB hBXEiwApJOcu-ulfO0bfCc-j6B7PpO kOAGur8IZ4SWNkhNZ7mORGstO vKON6plWLxoCigsQAvD_BwE
Pulmonary Artery Catheter	Edwards Life Sciences, Irvine, CA, USA	TS105F5	True Size Thermodilution Catheter 24cm Proximal Port- Swan Ganz
Pulmonary Artery Catheter (7F)	Edwards Life Sciences, Irvine, CA, USA	131F7	Swan Ganz 7F x 110cm
Telazol (Tiletamine HCl and Zolazepam HCl), Injectable Solution, 5 mL	Patterson Veterinary, Loveland, CO 80538	07-801-4969	https://www.pattersonvet.com/ProductItem/078014969?omni=telazol
Terumo Sarns 8000 Roller Pump	Terumo Cardiovascular, Ann Arbor, MI, USA	16402	https://aamedicalstore.com/products/terumo-sarns%E2%84%A2-8000-roller-pump
Xylazine HCl 100 mg/mL, Injectable Solution, 50 mL	Patterson Veterinary, Loveland, CO 80538	07-894-5244	https://www.pattersonvet.com/ProductItem/078945244
Yorkshire Adult Pigs	Oak Hill Genetics, Ewing, IL, USA	N/A	Yorkshire/Landrace 81-100lbs
Yorkshire Piglets	Oak Hill Genetics	N/A	Female "piglet", specify age 5 weeks with a correlating healthy weight range (approximately 10-20lbs.)