Ein neuartiges Inhalationsmaskensystem zur Abgabe hoher Konzentrationen von Stickoxidgas bei spontan atmenden Probanden

Zusammenfassung

Dieses einfache und hochgradig anpassungsfähige Systemgerät zur Inhalation von hochkonzentriertem Stickstoffmonoxid (NO)-Gas benötigt keine mechanischen Ventilatoren, Überdruck oder hohe Gasströme. Medizinische Standard-Verbrauchsmaterialien und eine eng anliegende Maske werden verwendet, um spontan atmenden Probanden sicher KEIN Gas zu geben.

Zusammenfassung

Stickstoffmonoxid (NO) wird als Gas zur Inhalation verabreicht, um eine selektive pulmonale Vasodilatation zu induzieren. Es ist eine sichere Therapie mit wenigen potenziellen Risiken, selbst wenn sie in hoher Konzentration verabreicht wird. Inhaliertes NO-Gas wird routinemäßig verwendet, um die systemische Sauerstoffversorgung bei verschiedenen Krankheitszuständen zu erhöhen. Die Verabreichung hoher NO-Konzentrationen übt auch in vitro eine viruzide Wirkung aus. Aufgrund seiner günstigen pharmakodynamischen und Sicherheitsprofile, der Vertrautheit bei der Verwendung durch Intensivmediziner und des Potenzials für eine direkte viruzide Wirkung wird NO klinisch bei Patienten mit Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) eingesetzt. Dennoch ist derzeit kein Gerät verfügbar, um inhaliertes NO in Konzentrationen von mehr als 80 PpM (ppm) bei verschiedenen inspirierten Sauerstofffraktionen einfach zu verabreichen, ohne dass eine dedizierte, schwere und kostspielige Ausrüstung erforderlich ist. Die Entwicklung einer zuverlässigen, sicheren, kostengünstigen, leichten und beatmungsfreien Lösung ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere für die frühzeitige Behandlung von nicht intubierten Patienten außerhalb der Intensivstation (ICU) und in einem Szenario mit begrenzten Ressourcen. Um eine solche Barriere zu überwinden, wurde ein einfaches System für die nicht-invasive NO-Gas-Verabreichung bis zu 250 ppm unter Verwendung von Standard-Verbrauchsmaterialien und einer Aufraschkammer entwickelt. Die Methode hat sich als sicher und zuverlässig erwiesen, um eine bestimmte NO-Konzentration zu liefern und gleichzeitig den Stickstoffdioxidgehalt zu begrenzen. Dieses Papier zielt darauf ab, Klinikern und Forschern die notwendigen Informationen darüber zur Verfügung zu stellen, wie ein solches System für Forschungszwecke oder den klinischen Einsatz bei COVID-19 oder anderen Krankheiten, bei denen KEINE Verabreichung von Vorteil sein könnte, zusammenstellen oder anpassen kann.

Einleitung

KEINE Inhalationstherapie wird regelmäßig als lebensrettende Behandlung in mehreren klinischen Umgebungen^{1,2,3 angewendet.} Neben seiner bekannten pulmonalen vasodilatatorischen Wirkung⁴zeigt NO eine breite antimikrobielle Wirkung gegen Bakterien⁵, Viren⁶und Pilze⁷, insbesondere wenn es in hohen Konzentrationen (>100 ppm) verabreicht wird. ⁸ Während des Ausbruchs des schweren akuten respiratorischen Syndroms (SARS) im Jahr 2003 zeigte NO in vitro eine starke antivirale Aktivität und zeigte therapeutische Wirksamkeit bei Patienten, die mit dem SARS-Coronavirus (SARS-CoV) infiziert waren^9,10. Der Stamm von 2003 ähnelt strukturell SARS-Cov-2, dem Erreger, der für die aktuelle Coronavirus-Pandemie 2019 (COVID-19) verantwortlich^{ist 11.} Drei randomisierte kontrollierte klinische Studien bei Patienten mit COVID-19 sind im Gange, um die potenziellen Vorteile der Atmung von hochkonzentriertem NO-Gas zur Verbesserung der Ergebnisse zu bestimmen^12,13,14. In einer vierten laufenden Studie wird die prophylaktische Inhalation hoher NO-Konzentrationen als vorbeugende Maßnahme gegen die Entwicklung von COVID-19 bei Gesundheitsdienstleistern untersucht, die SARS-CoV-2-positiven Patienten ausgesetzt sind¹⁵.

Die Entwicklung einer wirksamen und sicheren Behandlung von COVID-19 ist eine Priorität für das Gesundheitswesen und die Wissenschaft. Um die Verabreichung von NO-Gas in Dosen > 80 ppm bei nicht intubierten Patienten und freiwilligen Mitarbeitern im Gesundheitswesen zu untersuchen, wurde die Notwendigkeit deutlich, ein sicheres und zuverlässiges nicht-invasives System zu entwickeln. Diese Technik zielt darauf ab, spontan atmenden Probanden hohe NO-Konzentrationen bei verschiedenen Fraktionen von inspiriertem Sauerstoff_(FiO2)zu verabreichen. Die hier beschriebene Methodik wird derzeit für Forschungszwecke bei spontan atmenden COVID-19-Patienten am Massachusetts General Hospital (MGH)^{16,17 eingesetzt.} Gemäß den Richtlinien der Ethikkommission für Humanforschung des MGH wird das vorgeschlagene System derzeit verwendet, um eine Reihe von randomisierten kontrollierten Studien durchzuführen, um die folgenden Auswirkungen hoher Konzentrationen von NO-Gas zu untersuchen. Erstens wird die Wirkung von 160 ppm NO-Gas bei nicht intubierten Probanden mit leicht mittelschwerem COVID-19 untersucht, die entweder in der Notaufnahme (IRB Protocol #2020P001036)¹⁴ oder als stationäre Patienten (IRB Protocol #2020P000786)¹⁸zugelassen sind. Zweitens wird die Rolle von hochdosiertem NO untersucht, um eine SARS-CoV-2-Infektion und die Entwicklung von COVID-19-Symptomen bei Gesundheitsdienstleistern zu verhindern, die routinemäßig SARS-CoV-2-positiven Patienten ausgesetzt sind (IRB-Protokoll # 2020P000831)¹⁹.

Dieses einfache Gerät kann mit Standard-Verbrauchsmaterialien zusammengebaut werden, die routinemäßig für die Atemtherapie verwendet werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist so konzipiert, dass sie nicht-invasiv ein Gemisch aus NO-Gas, medizinischer Luft und Sauerstoff_(O2)liefert. Die Inhalation von Stickstoffdioxid (NO₂₎wird minimiert, um das Risiko einer Toxizität der Atemwege zu verringern. Der aktuelle_{NO-2-Sicherheitsgrenzwert,} der von der American Conference of Governmental Industrial Hygienists festgelegt wurde, beträgt 3 ppm über einem zeitgewichteten Durchschnitt von 8 Stunden, und 5 ppm ist der kurzfristige Expositionsgrenzwert. Umgekehrt empfiehlt das Nationale Institut für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz 1 ppm als kurzfristige Expositionsgrenze²⁰. Angesichts des zunehmenden Interesses an einer hochdosierten NO-Gastherapie liefert der vorliegende Bericht die notwendige Beschreibung dieses neuartigen Geräts. Es erklärt, wie seine Komponenten so zusammengesetzt werden, dass sie eine hohe NO-Konzentration für Forschungszwecke liefern.

Protokoll

HINWEIS: In der Materialtabelle finden Sie die Materialien, die für die Montage des Liefersystems benötigt werden. Quellen für medizinische Luft, O₂und NO-Gase sollten ebenfalls vor Ort verfügbar sein. Das Gerät wurde für den Untersuchungseinsatz in Forschungsprotokollen entwickelt, die vom lokalen Institutional Review Board (IRB) streng überprüft wurden. Unter keinen Umständen sollten Anbieter ausschließlich auf der Grundlage der in diesem Manuskript enthaltenen Angaben arbeiten, dieses Gerät zusammenstellen und verwenden, ohne zuvor eine entsprechende behördliche Genehmigung einzuholen. Ausgehend vom proximalen Ende des Geräts montieren Sie die Teile in der folgenden Reihenfolge (Abbildung 1).

1. Aufbau der Patientenschnittstelle

1. Nehmen Sie eine eng anliegende, standardmäßige, nicht-invasive Beatmungsgesichtsmaske in der für das Subjekt geeigneten Größe.
2. Schließen Sie den integrierten Ellenbogenanschluss der Maske über den Außendurchmesser (O.D.) mit einem hocheffizienten Partikelluftfilter (hochhydrophober Bakterien-/Virusfilter, HEPA-Klasse 13) an. /15 mm Innendurchmesser (I.D.) Stecker.
3. (Optional) Um die Bewegung des Probanden zu erleichtern und das Risiko einer Trennung zu verringern, fügen Sie einen flexiblen Patientenanschluss von 15 mm O.D. x 22 mm O.D. / 15 mm I.D. (Länge 5 cm-6,5 cm) für einen Endotracheal- oder Tracheostomieschlauch zwischen der Maskenschnittstelle und dem HEPA-Filter hinzu.
   HINWEIS: Bemühen Sie sich, ein Auslaufen der Maskenschnittstelle zu vermeiden. Das "Patientenende" des Gerätes könnte auch aus einem Mundstück bestehen. In einer solchen Konfiguration muss ein Nasenclip hinzugefügt werden.

2. Aufbau des Y-Stücks und Vorbereitung der_{O2-Versorgung}

1. Nehmen Sie einen 22 mm bis 22 mm und 15 F Y-stückigen Stecker mit 7,6 mm Anschlüssen. Erzeugen Sie die exspiratorischen und inspiratorischen Gliedmaßen des Schaltkreises an den beiden distalen Enden des Y-Stücks durch zwei entgegengesetzte, widerstandsarme 22 mm männliche/ weibliche Einwegventile.
   1. Exspiratorische Extremität: Platzieren Sie an einem Ende des Y-Stücks den Einwegventilanschluss, der nur einen proximalen bis distalen Fluss ermöglicht (Pfeil zeigt nach unten).
   2. Inspiratorisches Glied: Verbinden Sie am anderen Ende des Y-Stücks ein Einwegventil, das nur einen distalen bis proximalen Fluss ermöglicht (Pfeil zeigt nach oben).
2. Schließen Sie das proximale Ende des Y an den HEPA-Filter an.
3. Verbinden Sie die O_2-Quelle mit dem inspiratorischen Glied des Y-Stücks mit standardmäßigen, knickfesten Vinylgasschläuchen mit Universaladaptern an beiden Enden. Wählen Sie Schläuche von angemessener Länge unter Berücksichtigung des Abstands zwischen dem Patienten und der Gasquelle.
   HINWEIS: Der Y-Stück-Stecker muss über einen Probenahmeanschluss an der inspiratorischen Extremität verfügen. Ist dies nicht der Fall, muss ein zusätzlicher gerader Stecker mit einem Sampling-Port zur Versorgung von_O2verwendet werden.

3. Aufbau und Befestigung der Aufraschkammer

1. Verbinden Sie einen 22 mm x 22 mm Silikonkautschuk, flexibler Steckeradapter an das proximale Ende einer Aasfresserkammer (Innendurchmesser = 60 mm, Innenlänge = 53 mm, Volumen = 150 ml) mit 100 g Calciumhydroxid (Ca(OH)₂).
2. Befestigen Sie ein 15 mm O.D. x 22 mm O.D./15 mm I.D., 5 cm-6,5 cm, flexibles, gewelltes Rohr am Silikongummiadapter.
3. Schließen Sie einen weiteren 22 mm x 22 mm Silikongummi, flexibler Steckeradapter an das distale Ende des Fängers an.
4. Fügen Sie die Aufraschkammer und die Schlauchbaugruppe mit einem 15 mm bis 22 mm zweistufigen Adapter an das inspiratorische Glied des Y-Stücks hinzu.

4. Aufbau und Anschluss des NO-Reservoirsystems

1. Montieren Sie einen 3-L latexfreien Atembehälterbeutel und einen 90°-Ventilator-Ellenbogenanschluss ohne Anschlüsse (22 mm ID x 22 mm).
2. Verbinden Sie das andere Ende des Winkels mit der zentralen Öffnung des Aerosol-T-Stücks (horizontale Ports 22 mm O.D., vertikaler Port 11 mm I.D./22 mm O.D.).
3. Befestigen Sie das T-Stück am distalen Ende der Aufraffungskammer, indem Sie es vorwärts treiben, bis es fest am Silikongummianschluss befestigt ist.

5. Aufbau des NO- und medizinischen Luftversorgungssystems

1. Bauen Sie das NO/Luft-Gasversorgungssystem auf, indem Sie zwei aufeinanderfolgende 15 mm O.D. x 15 mm I.D./22 mm O.D. Steckverbinder mit 7,6 mm Abtastanschlüssen und Flip-Top-Kappen anschließen.
   HINWEIS: Sobald die Kappen entfernt sind, fungieren die Probenahmezugriffe als Gaseinlassöffnungen.
2. Befestigen Sie am distalen Ende des NO/Luft-Versorgungssystems ein weiteres Einweg-Inspirierungsventil (Pfeil zeigt nach oben).
3. Schließen Sie am proximalen Ende des NO/Luft-Versorgungssystems einen 15/22 mm zweistufigen Adapter an.
4. Schließen Sie den proximalen zweistufigen Adapter an den verbleibenden freien Einlass des grünen T-Stücks aus dem NO-Reservoirsystem an.

6. Befestigen Sie die Luft- und NO-Gasströmungsleitungen mit standardmäßigen, knickfesten, sternlumenförmigen Vinyl-Sauerstoffgasschläuchen für die folgenden Schritte.

1. Schließen Sie medizinische Luft an den distalsten Gaseinlass an.
2. Schließen Sie NO-Gas aus einem 800 ppm medizinischen NO-Tank (Aluminiumflaschen der Größe AQ mit 2239 l von 800 ppm NO-Gas bei Standardtemperatur und -druck, ausbalanciert mit Stickstoff; Liefervolumen 2197 L) an den nächsten nachgeschalteten Anschluss an.
   HINWEIS: Die Schläuche müssen eine angemessene Länge haben, um die Gasquellen bequem zu erreichen. Verschiedene Tanks oder Generatoren von NO können als Gasquellen verwendet werden.

7. Anwendung bei spontan atmenden Probanden

1. Stellen Sie den Luft-,_O2-und NO-Gasstrom entsprechend der gewünschten_FiO2- und NO-Konzentration ein.
   HINWEIS: Die empfohlenen Durchflussraten für die Verabreichung von NO bei 80, 160 oder 250 ppm sind in Tabelle 1 aufgeführt (gilt nur für 800 ppm-Zylinder).
2. Positionieren Sie die eng anliegende Maske auf dem Gesicht des Patienten, ähnlich wie bei einem nicht-invasiven Beatmungsschnittstellen-Setup.
3. Starten Sie die Inhalationssitzung für die gewünschte Dauer.

Ergebnisse

Ein 33-jähriger Atemtherapeut, der während des Anstiegs der Intensivaufnahme wegen COVID-19 auf der Intensivstation am MGH arbeitete, meldete sich freiwillig, um IM Rahmen der Studie mit Gesundheitspersonal NO zu erhalten^15,19. Die Studie testete die Wirksamkeit von 160 ppm NO als viruzides Mittel und verhinderte so das Auftreten von Krankheiten in der Lunge, die für eine Viruskontamination gefährdet sind. Die erste Sitzung de...

Diskussion

Angesichts des zunehmenden Interesses an der NO-Gastherapie für nicht intubierte Patienten, einschließlich Patienten mit COVID-19^8,beschreibt der vorliegende Bericht ein neuartiges kundenspezifisches Gerät und wie seine Komponenten so zusammengesetzt werden können, dass NO bei Konzentrationen von bis zu 250 ppm verabreicht wird. Das vorgeschlagene System besteht aus kostengünstigen Verbrauchsmaterialien und liefert sicher eine reproduzierbare Konzentration von NO-Gas bei spontan atmenden Pati...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
90° ventilator elbow connector without ports 22 mm ID x 22 mm OD	Teleflex, Wayne, PA, USA	1641
Aerosol tee connector: horizontal ports 22 mm OD, vertical port 11 mm ID/22 mm OD	Teleflex, Wayne, PA, USA	1077
Flexible patient connector for endotracheal or tracheostomy tube (15 mm OD x 22 mm OD/15 mm ID, length 5 cm to 6.5 cm)	Vyaire Medical Inc., Mettawa, IL, USA	3215
High-efficiency particulate air (highly hydrophobic bacterial/viral filter,  HEPA class 13) filter (22 mm ID/15 mm OD x 22 mm OD/15 mm ID connector)	Teleflex, Wayne, PA, USA	28012
Latex-free 3-L breathing reservoir bag	CareFusion, Yorba Linda, CA, USA	5063NL
Nitric Oxide tank 800 ppm medical-grade (size AQ aluminum cylinders containing 2239 L at STP of 800 ppm NO gas balanced with nitrogen, volume 2197 L)	Praxair, Bethlehem PA, USA	MM NO800NI-AQ
One-way valve 22 mm male/female (arrow pointing towards female end)	Teleflex, Wayne, PA, USA	1664	N=2 inspiratory limb (upward arrow)
One-way valve 22 mm male/female (arrow pointing towards male end)	Teleflex, Wayne, PA, USA	1665	N=1 expiratory limb (downward arrow)
Rad-57 Handheld Pulse Oximeter with Rainbow SET Technology	Masimo Corporation, Irvine, CA, USA	3736	Including SpMet Option
Scavenger (ID = 60 mm, internal length = 53 mm, volume = 150 mL) containing 100 g of calcium hydroxide	Spherasorb, Intersurgical Ltd, Berkshire, UK
Silicon rubber flexible connectors 22 mm F x 22 mm F	Tri-anim Health Services, Dublin, OH, USA	301-9000
Snug-fit standard face mask of appropriate size
Star Lumen standard medical grade vynil oxygen tubing with universal connectors	Teleflex, Morrisville, NC, USA	1115	Variable length according to distance from source of gas. 2.1 m length used in protocol
Straight connector with a 7.6 mm sampling port (15 mm OD x 15 mm ID/22 mm OD)	Mallinckrodt, Bedminster, NJ, USA	502041
Two-step adapter (15 mm to 22 mm)	Airlife Auburndale, FL, USA	1824
Y-piece connector with 7.6 mm ports (22 mm to 22 mm and 15 F)	Vyaire Medical Inc., Mettawa, IL, USA	1831