Bestimmung des Herzzeitvolumens in einem Schweinemodell für ex vivo Lungenperfusion

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt die chirurgische Technik, die für die Platzierung eines Thermodilutionskatheters durch die Jugularvene bei Schweinen verwendet wird, um das Herzzeitvolumen abzuschätzen und eine angemessene Lungenperfusion während der ex vivo Lungenperfusion (EVLP) sicherzustellen.

Zusammenfassung

Aufgrund ihrer physiologischen Ähnlichkeit mit dem Menschen werden Schweine als Versuchsmodelle für die ex vivo Lungenperfusion (EVLP) verwendet. EVLP ist eine Technik, bei der Lungen, die nicht für eine Transplantation geeignet sind, über eine extrakorporale Umwälzpumpe perfundiert werden, um ihre Funktion zu verbessern und ihre Lebensfähigkeit zu erhöhen. Bestehende EVLP-Protokolle unterscheiden sich durch die Art der Perfusionslösung und den Perfusionsfluss, der je nach Körperoberfläche (BSA) zwischen 40 % und 100 % des geschätzten Herzzeitvolumens (CO) variiert. Geräte zur Messung von CO verwenden einfache physikalische Prinzipien und andere mathematische Modelle. Die Thermodilution im Tiermodell ist aufgrund ihrer Einfachheit und leichten Reproduktion nach wie vor der Referenzstandard für die Abschätzung von CO. Daher bestand das Ziel dieser Studie darin, die Messung von CO durch Thermodilution bei Schweinen zu reproduzieren und ihre Präzision und Genauigkeit mit denen zu vergleichen, die mit der BSA-Methode, dem Gewicht und der-Methode zur Bestimmung des Perfusionsflusses während der EVLP erzielt wurden. Bei 23 Schweinen wurde ein Thermodilutionskatheter in die rechte Halsvene gelegt und die Halsschlagader auf derselben Seite kanüliert. Blutproben wurden für die Gasometrie entnommen, und CO wurde durch Thermodilution, angepasste Körperoberfläche,-Prinzip und pro Körpergewicht geschätzt. Der von der BSA erhaltene CO war größer (p = 0,0001, ANOVA, Tukey) als der mit den anderen Methoden erhaltene. Wir kommen zu dem Schluss, dass die in dieser Studie verwendeten Methoden zur Schätzung von CO zwar zuverlässig sind, es jedoch signifikante Unterschiede zwischen ihnen gibt; Daher muss jede Methode vom Prüfer bewertet werden, um festzustellen, welche den Anforderungen des Protokolls entspricht.

Einleitung

In Lungentransplantationszentren ist die ex vivo Lungenperfusion (EVLP) ein Instrument, das dazu beiträgt, das Potenzial für eine Spende von Lungen zu erhöhen, die die Standardkriterien für eine Transplantation nicht erfüllen¹. Dies wird durch den Erhalt und die Verbesserung der Lungenfunktionalität von Spendern mit Hirntod oder Herzstillstand sowie durch die Bewertung der Lungenleistung vor der Transplantation erreicht ^2,3,4. Bei der EVLP ermöglicht eine extrakorporale Umwälzpumpe die Transplantation der Perfusion der Lunge durch einen Membrangasaustauscher und einen Leukozytenfangfilter⁵.

Bisher wurden mehrere EVLP-Protokolle beschrieben (Toronto, Lund und Organ Care System). Diese unterscheiden sich nach der Art der verwendeten Perfusionslösung, ob der linke Vorhof während der Perfusion offen oder geschlossen gehalten wird, und nach dem Perfusionsfluss, der zwischen 40 % und 100 % (je nach verwendeter Technik) des geschätzten Herzzeitvolumens (CO) des Spenders variiert ^6,7,8. CO ist die Menge an Blut, die pro Minute vom Herzen gepumpt wird⁹ und ist der Mechanismus, durch den die Gewebeperfusion aufrechterhalten wird. Somit gewährleistet die CO-Überwachung eine ordnungsgemäße Sauerstoffversorgung des Gewebes. CO, ein Produkt aus der Herzfrequenz und dem Schlagvolumen, wird in Litern 10,11,12 gemessen. Dieser Ansatz zur Aufrechterhaltung der Gewebedurchblutung hängt jedoch auch von anderen Faktoren ab, wie z. B. dem venösen Rückfluss, dem peripheren Sauerstoffverbrauch, dem systemischen Gefäßwiderstand, der Atmung, dem Gesamtblutvolumen und der Körperposition¹².

Es gibt mehrere Geräte zur Messung und Überwachung von CO, von denen einige einfache physikalische Prinzipien verwenden, während andere mathematische Modelle verwenden. Zu diesen Methoden gehören das-Prinzip, die Thermodilution (transpulmonale oder Lithiumverdünnung), die Analyse der arteriellen Druckwelle zur Abschätzung des Schlagvolumens (SV) und weniger invasive Methoden wie Doppler oder thorakale Bioreaktanz. Kein CO-Überwachungsgerät kann jedoch aufgrund der Einschränkungen der entsprechenden Überwachungstechnik alle klinischen Anforderungen erfüllen^10,13.

Die Messung von CO durch transkardiale Thermodilution ist eine einfache und leicht reproduzierbare Methode bei Schweinen. Dabei wird ein Katheter mit einem Thermistor in die Lungenarterie eingeführt und ein Flüssigkeitsvolumen mit einer Temperatur injiziert, die niedriger ist als die des Blutes. Der Thermistor erkennt Temperaturänderungen im Zeitverlauf, die dann in Form einer Kurve dargestellt werden, wobei der Bereich unter der Kurve das Minutenvolumen¹⁴ darstellt. Verschiedene Studien haben beschrieben, dass CO für EVLP-Tiermodelle anhand des Gewichts (100 ml/kg)¹⁵, der Thermodilution und der-Methode^10,13 berechnet werden kann. In der Klinik wird CO jedoch anhand des kardiologischen Index (CI) berechnet, d. h. des CO, das an die Körperoberfläche des Spenders^{angepasst ist 16}. Dennoch gibt es keine Studien, die diese Methoden in experimentellen Schweinemodellen vergleichen.

Das Ziel dieser Studie war es, die Messung von CO durch Thermodilution bei Schweinen zu reproduzieren und ihre Präzision und Genauigkeit mit denen zu vergleichen, die unter Verwendung von CO erhalten wurden, das durch BSA, Gewicht und Methode zur Bestimmung des Perfusionsflusses während der EVLP angepasst wurde.

Protokoll

Das Protokoll (B09-17) wurde von der Bioethikkommission des INER (Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias "Ismael Cosio Villegas") genehmigt. Für diese Studie wurden dreiundzwanzig klinisch gesunde Landrassenschweine beiderlei Geschlechts mit einem Gewicht zwischen 20 und 25 kg verwendet. Die Tiere wurden gemäß den technischen Spezifikationen für die Pflege und Verwendung von Labortieren des offiziellen mexikanischen Standards¹⁷ und dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren der USA¹⁸ behandelt. Alle Tiere wurden vom Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias Ismael Cosio Villegas gewonnen und in Einzelkäfigen unter identischen Umweltbedingungen untergebracht, die ad libitum mit Wasser und Futter versorgt wurden. Bei allen Tieren wurde ein Thermodilutionskatheter in die rechte Halsvene und ein arterieller Katheter in die Halsschlagader auf der gleichen Seite gelegt, um Blutgase zu sammeln und dann das CO zu berechnen. Die Einzelheiten zu den verwendeten Reagenzien und Geräten sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Vorbereitung der Versuche

1. Verdünnen Sie 1000 IE Heparin in jeder von drei 250 mL 0,9% igen Natriumchloridlösungen (Kochsalzlösung, SS).
2. Befestigen Sie Druckmessumformer am Vitalparametermonitor. Verwenden Sie jeden Schallkopf, um den Druck am entsprechenden Anschluss des Thermodilutionskatheters zu messen.
3. Verbinden Sie die heparinisierten Lösungen über eine nadellose intravenöse Infusion mit dem Schallkopf. Stellen Sie sicher, dass sie gereinigt und bereit sind, an den Katheter angeschlossen zu werden.
4. Nehmen Sie den Thermodilutionskatheter aus der Verpackung. Tauchen Sie das distale Ende in 0,9 % NaCl, um die Unversehrtheit des Ballons zu überprüfen.
5. Überprüfen Sie die Durchgängigkeit der distalen und proximalen Katheteranschlüsse. Lassen Sie den Katheter bis zur Verwendung auf dem Tisch für chirurgische Instrumente.

2. Vorbereitung der Tiere

1. 0,05 mg/kg Atropin und 4 mg/kg Tiletamin-Zolazepam intramuskulär an alle Schweine im Tiervorbereitungsraum verabreichen (gemäß den institutionell anerkannten Protokollen).
2. Lassen Sie die Schweine ungestört, aber unter Beobachtung, bis sie liegen, und verharren Sie in dieser Position ohne Anzeichen von Erregung oder Reaktion auf nozizeptive Reize.
3. Legen Sie das sedierte Tier in Bauchlage und führen Sie einen Katheter in die Randvene des linken Ohrs ein.
4. Bringen Sie das Tier zur Operation in den Operationssaal.
5. Bringen Sie das Tier in die Rückenstellung und verabreichen Sie 4 mg/kg Propofol i.v., 300 μg/kg Vecuroniumbromid und 0,1 mg/kg Fentanyl i.v.
6. Senken Sie den Unterkiefer des Schweins mit Hilfe des Laborpersonals ab, um das Maul offen und die Zunge herausragend zu halten.
7. Sprühen Sie 10% Lidocain auf die Stimmbänder, reinigen Sie den angesammelten Speichel mit einer Gaze, die von einer Ringzange gehalten wird, und trennen Sie die Epiglottis von der Kehlkopföffnung.
8. Identifizieren Sie den Trachealeingang mit einem Laryngoskop und einer geraden Klinge Nummer 3 und führen Sie dann einen 7 Fr Endotrachealtubus mit einem Ballon ein.
9. Blasen Sie den Ballon auf und befestigen Sie den Schlauch am Unterkiefer, nachdem Sie seine Position in den Atemwegen überprüft haben.
10. Schließen Sie das Schwein an das Anästhesiegerät an, um einen Anästhesiezustand mit 2,5 % bis 3 % Sevofluran aufrechtzuerhalten (Abbildung 1).
11. Beatmung des Tieres im volumengesteuerten Beatmungsmodus mit einer Frequenz von 25 Atemzügen/min, einem Atemzugvolumen von 6-8 ml/kg Gewicht, einem FiO_{von 2} % von 50 % bis 70 %, um SaO₂ von mehr als 90 % zu halten, einem Auslöser von 2, einem positiven endexspiratorischen Druck (PEEP) von 5 cmH₂O, einem Inspirationsverhältnis von 1:2 s und einem inspiratorischen Fluss von 15 l/min und einem Maximum von 30 l/min.

3. Platzierung des Thermodilutionskatheters und Messung des Herzzeitvolumens

1. Halten Sie das Tier unter Vollnarkose in dorsaler Position und führen Sie eine Antisepsis der Gebärmutterhalsregion mit Jodopovidon durch (Abbildung 2). Machen Sie einen 10 cm langen paramedianen Schnitt mit einem Elektrokauterstift und präparieren Sie das Unterhautgewebe, um die rechte äußere Halsvene durch stumpfe Dissektion freizulegen.
2. Platzieren Sie zwei 2-0-Seidennähte, eine am distalen Teil und die andere am proximalen Teil des präparierten Gefäßes (Abbildung 3).
3. Führen Sie den Katheter extrakorporal von der Halsstelle in den Thoraxbereich ein, in dem sich das Herz befindet. Messen Sie die Einführtiefe anhand von Markierungen auf dem Katheter, um die Lungenarterie (PA) zu erreichen. Lizieren Sie den distalen Teil des Gefäßes und platzieren Sie eine doppelte Schlaufe im proximalen Teil, um den Katheter nach dem Einführen zu sichern.
4. Machen Sie mit einer Irisschere einen 2 mm langen Querschnitt am ventralen Teil des Gefäßes. Öffnen Sie die Ränder des Schnittes mit der hämostatischen Zange der Halsted-Mücke und führen Sie den 5Fr-Thermodilutionskatheter in die rechte Halsvene ein (Abbildung 4, Abbildung 5 und Abbildung 6). Richten Sie den Katheter in Richtung der Lungenarterie (PA), indem Sie den auf dem Monitor angezeigten Kurven folgen.

4. Platzierung des arteriellen Katheters

1. Sobald die Vene präpariert und Referenznähte gelegt sind, verlagern Sie den Musculus sternocephalicus (entspricht dem Sternocleidomastoideus) lateral.
2. Präparieren Sie die prätracheale Muskulatur (Sternohyoid), bis die Halsschlagader freigelegt ist.
3. Kanülieren Sie die Halsschlagader ähnlich wie die Halsvene und verbinden Sie sie mit dem Druckaufnehmer zur Überwachung des systemischen arteriellen Drucks.

5. Bewertung

1. Sobald der Thermodilutionskatheter in die rechte Halsvene und der Arterienkatheter in die Halsschlagader auf derselben Seite gelegt wurde, entnehmen Sie Proben für die Blutgasanalyse.
2. Ermitteln Sie die Blutgaswerte und beurteilen Sie das Herzzeitvolumen (CO) mit der Thermodilutionsmethode, der Körperoberfläche und der-Methode.
   HINWEIS: Für detaillierte Verfahren verweisen wir auf die zuvor veröffentlichten Berichte ^19-21.

6. Statistische Analyse

1. Analysieren Sie Daten, die eine Normalverteilung zeigen, mithilfe der Varianzanalyse (ANOVA) und führen Sie den Post-hoc-Test von Tukey durch. Geben Sie Werte als Mittelwert ± Standardfehler aus. Betrachten Sie p-Werte <0,05 als Hinweis auf statistische Signifikanz.

7. Messung der Thermodilution

1. Injizieren Sie in weniger als 4 s einen 5-ml-Bolus kaltes SS bei 4 °C in das proximale Lumen des Thermodilutionskatheters.
2. Beobachten Sie die Thermodilutionskurve (Temperatur/Zeit) auf dem Monitorbildschirm. Die Kurve sollte einen schnellen Anstieg anzeigen, gefolgt von einem sanften und allmählichen Abstieg zur Grundlinie, wobei numerische Werte mit einer oder zwei Dezimalstellen angezeigt werden.
3. Wiederholen Sie den Bolusinjektionsvorgang mit zwei zusätzlichen Boli kalter SS, bis die Kurven gültig, ähnlich und innerhalb von 10 % des Durchschnittswerts sind.
4. Nachdem Sie die Gültigkeit und Ähnlichkeit der Kurven bestätigt haben, berechnen Sie den Durchschnitt der drei Werte und notieren Sie ihn als endgültigen CO-Wert in Litern pro Minute. Ermitteln Sie CO und andere Indizes aus der Thermodilutionskurve mit Hilfe von Berechnungen, die auf der Stewart-Hamilton-Gleichung²¹ basieren.

8. Bestimmung des angepassten Herzzeitvolumens für die Körperoberfläche (BSA) oder den Herzindex

1. Um das adjustierte Herzzeitvolumen (CI) zu bestimmen, berechnen Sie die Körperoberfläche (BSA) mit der DuBois-DuBois-Formel¹⁹:
   BSA = 0,007184 × (Höhe (cm)^0,725) × (Gewicht (kg)^0,425).
2. Sobald BSA erhalten ist, berechnen Sie das KI mit der Formel²⁰:
   CI = CO/BSA.
   HINWEIS: CO wird in Schritt 7 bestimmt.

9. Schätzung des Herzzeitvolumens nach der-Methode

1. Um das Herzzeitvolumen (CO) nach der-Methode zu berechnen, bestimmen Sie den Sauerstoffverbrauch (VO₂) und die Differenz der Sauerstoffgehalte, die aus arteriellen (SaO₂) und venösen (SvO₂) Blutgasen gewonnen werden. Berechnen Sie VO₂ mit der Formel²¹:
   VO₂ = CO x (SaO₂ - SvO₂).
2. Bestimmen Sie dann das Herzzeitvolumen nach der Formel²¹:
   CO = VO₂ / ([SaO₂ - SvO₂] × 10).

10. Schätzung des Herzzeitvolumens pro Körpergewicht

1. Bestimmen Sie das Herzzeitvolumen pro Körpergewicht der Tiere gemäß früheren Berichten ^8,15.
   HINWEIS: Im EVLP-Protokoll haben verschiedene Gruppen berichtet, dass das geschätzte Herzzeitvolumen (CO) pro Körpergewicht bei Schweinen 100 ml/kg^{beträgt 8,15}.

11. Euthanasie

1. Alle Tiere mit einer Überdosis Natrium-Pentobarbital (150 mg/kg/i.v.) über die Halsvenenscheide einschläfern (nach institutionell anerkannten Protokollen), sobald alle Messungen abgeschlossen sind.
2. Die Vollnarkose und die Herzüberwachung fortsetzen, bis die Elektrokardiographie (EKG) keine elektrische Aktivität des Herzens mehr zeigt^17,18.

Ergebnisse

Alle Tiere überlebten den chirurgischen Eingriff und die Studienzeit. Ein Tier (4,3 %) entwickelte einen Riss der Halsvene aufgrund übermäßiger Traktion während des Einführens des Katheters. Darüber hinaus zeigte keines der intervenierten Gefäße Blutungen. Bei den untersuchten Tieren waren durchschnittlich 25-30 cm Kathetereinführung erforderlich, um die PA zu erreichen. In drei Fällen (13%) wurde der Katheter auf die rechte obere Extremität des Schweins gerichtet. In diesen Fällen wurde der Katheter an die ...

Diskussion

EVLP bei Schweinen lässt sich aufgrund der Vergleichbarkeit in Größe, Physiologie und genomischer Sequenz der beiden Spezies direkt auf die klinische Praxis beim Menschen^{übertragen 22}. Nach dem vom Forscher ausgewählten EVLP-Protokoll ist die Messung von CO unerlässlich, um den Fluss zu bestimmen, der für die Perfusion der Lunge erforderlich ist. Darüber hinaus kann je nach den verfügbaren Ressourcen und Kenntnissen die geeignete Methode gewählt werden. In keiner Studie wurden jedoch die...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Anesthesia machine	General Electric	Carescape 620
Atropine	Amixteria, Stern Pharma GmbH
Catheter Insyte Autoguard 20 GA	Becton Dickinson	381434
Electrocautery pencil	BBraun Aesculap	GN211
Endotracheal tube with a 7 Fr balloon	Rush	MG 027770 002
Fentanyl	Janssen-Cilag
Iodopovidone	Degasa	NDC6732635208
Laryngoscope	Riester
Lidocaine Spray	Pisa
Pressure transducers	Edwards Lifesciences	PX260
Propofol	Pisa
Sevofluorane	Pisa
Silk sutures 2-0	Covidien	GS833
Sodium pentobarbital	Pfizer
straight blade of laryngoscope #3	Miller; Riester
Swan-Ganz 5Fr thermodilution catheter	Arrow Thermodilution Ballon Catheter	Ref AI-07165
Tiletamine-zolazepam	Virbac
Vecuronium bromide	Pisa