Ex Vivo Modèle expérimental porcin pour l’étude et l’enseignement de la mécanique pulmonaire

Résumé

Nous présentons un modèle ex vivo de poumon de porc pour la démonstration de la mécanique pulmonaire et des manœuvres de recrutement alvéolaire à des fins pédagogiques. Les poumons peuvent être utilisés pendant plus d’une journée (jusqu’à cinq jours) avec des changements minimes dans les variables de la mécanique pulmonaire.

Résumé

La ventilation mécanique est largement utilisée et nécessite des connaissances spécifiques pour sa compréhension et sa gestion. Les professionnels de la santé dans ce domaine peuvent se sentir en insécurité et manquer de connaissances en raison d’une formation et de méthodes d’enseignement inadéquates. Par conséquent, l’objectif de cet article est de décrire les étapes impliquées dans la génération d’un modèle de poumon porcin ex vivo qui sera utilisé à l’avenir, pour étudier et enseigner la mécanique pulmonaire. Pour générer le modèle, cinq poumons porcins ont été soigneusement retirés du thorax en suivant les directives du Comité d’éthique de la recherche animale avec les soins adéquats et ont été connectés au ventilateur mécanique par une canule trachéale. Ces poumons ont ensuite été soumis à la manœuvre de recrutement alvéolaire. Les paramètres de la mécanique respiratoire ont été enregistrés, et des caméras vidéo ont été utilisées pour obtenir des vidéos des poumons au cours de ce processus. Ce processus a été répété pendant cinq jours consécutifs. Lorsqu’ils n’étaient pas utilisés, les poumons étaient conservés au réfrigérateur. Le modèle a montré une mécanique pulmonaire différente après la manœuvre de recrutement alvéolaire chaque jour ; n’étant pas influencé par les jours, seulement par la manœuvre. Par conséquent, nous concluons que le modèle pulmonaire ex vivo peut fournir une meilleure compréhension de la mécanique pulmonaire et de ses effets, et même de la manœuvre de recrutement alvéolaire par rétroaction visuelle à toutes les étapes du processus.

Introduction

La ventilation mécanique (MT) est largement utilisée dans les unités de soins intensifs (USI) et les centres chirurgicaux. Sa surveillance est essentielle pour aider à reconnaître les asynchronies et à prévenir les blessures pour tous les patients, en particulier lorsque le patient présente des lésions pulmonaires graves 1,2,3,4,5,6. La surveillance de la mécanique respiratoire peut également contribuer à la compréhension clinique de la progression de la maladie et aux applications thérapeutiques, telles que l’utilisation de la pression expiratoire positive (PEEP) ou de la manœuvre de recrutement alvéolaire (ARM). Cependant, l’utilisation de ces techniques nécessite une compréhension approfondie des courbes et de la mécanique pulmonaire de base ^3,4.

Les étudiants, les résidents et les professionnels de la santé ne se sentent pas en sécurité à l’égard de la gestion des MV, de la mise en marche du ventilateur et des ajustements initiaux à la surveillance du plateau et des pressions de conduite, et cette insécurité est associée à un manque de connaissances et à une formation préalable adéquate 7,8,9,10. Nous avons observé que les professionnels qui ont participé à des simulations et utilisé un modèle pulmonaire ont fait état d’une plus grande confiance, d’une meilleure compréhension des paramètres et d’une meilleure compréhension des composantes de la mécanique pulmonaire ^8,11,12.

Les modèles d’étude et d’entraînement de la MV avec des poumons d’essai, des soufflets et des pistons peuvent simuler différentes pressions et volumes, ainsi que différentes conditions de mécanique pulmonaire 13,14,15. Les modèles computationnels et logiciels contribuent également à l’étude de l’interaction cardiopulmonaire en générant des simulations qui peuvent être utilisées pour enseigner les principes de MV¹¹ aux professionnels de la santé^16,17.

Alors que les modèles informatiques peuvent présenter des difficultés à représenter l’hystérésis pulmonaire¹⁶, les modèles avec poumon d’essai et soufflet 13,14,15 peuvent produire des courbes pression-volume similaires à la courbe physiologique et démontrer la dynamique pulmonaire. Comme avantage, le poumon porcin ex vivo présente une anatomie similaire à celle de l’homme¹⁸, produisant également des courbes MV, une hystérésis pulmonaire et fournissant un retour visuel des poumons à l’intérieur de la boîte acrylique lors de l’analyse de la mécanique pulmonaire. Les modèles visuels sont importants et peuvent aider à comprendre des composants et des concepts difficiles à imaginer. Ainsi, les modèles pulmonaires ex vivo représentent une méthode pratique d’enseignement.

Des études sur des poumons porcins ex vivo, tels que ceux sur MV à pression positive et négative 19,20,21, l’analyse de la distribution des aérosols ^22,23, des simulations pédiatriques²⁴ et la perfusion pulmonaire²⁵ peuvent améliorer les connaissances sur la MV. Des études récentes analysant des modèles en pression positive et négative ont montré que la ventilation à pression positive peut conduire à un recrutement brutal avec une plus grande déformation locale, une plus grande distension, des différences de courbe d’hystérésis et d’éventuelles lésions tissulaires par rapport à la pression négative 19,20,21. Néanmoins, les modèles à pression positive sont nécessaires car les patients sont sous pression positive pendant la pression MT 19,20,21. Le développement d’un modèle pulmonaire pour les études précliniques ouvre des possibilités pour de nouvelles recherches et applications, y compris l’enseignement et la formation MV.

Nous présentons ici un modèle de poumon porcin ex vivo à des fins d’étude et de formation. Notre objectif principal est de décrire les étapes de la génération de ce modèle de poumon porcin ex vivo sous MV à pression positive. Il peut être utilisé à l’avenir pour étudier et enseigner la mécanique pulmonaire.

Protocole

Le protocole a été approuvé par le Comité d’éthique de la recherche animale de notre institution (protocole n° 1610/2021).

1. Anesthésie et préparation des animaux

1. Dans un premier temps, placez l’animal sur une balance et vérifiez son poids pour ajuster les médicaments et la sédation nécessaires à la procédure.
2. Administrer 5 mg/kg de kétamine et 0,25 mg/kg de midazolam par voie intramusculaire.
3. Ponctionner la veine marginale de l’oreille à l’aide d’un cathéter veineux de 20 G et administrer du propofol par voie intraveineuse (5 mg/kg) pour l’induction de l’anesthésie.
4. Administrer 3 mL d’héparine par voie intraveineuse dans l’accès à la veine marginale de l’oreille pour faciliter l’extraction cardiopulmonaire et la perfusion.
5. Après l’anesthésie, effectuez une intubation orotrachéale avec une canule orotrachéale (OTC) de 6,5 mm et fixez l’OTC avec du ruban adhésif, en le laissant fermement fixé pour éviter tout déplacement pendant la procédure.
   REMARQUE : La profondeur de la sédation est vérifiée en surveillant les paramètres hémodynamiques et en utilisant un analyseur de gaz, tels que la pression artérielle moyenne, la fréquence cardiaque et la concentration d’isoflurane inspirée/expirée.

2. Ventilation mécanique peropératoire

1. Connectez l’animal via l’OTC à MV, en maintenant la sédation avec 1,5 % d’isoflurane à 50 % de la fraction inspirée d’oxygène (FiO₂) et de fentanyl 10 mcg/kg de bolus + 10 mcg/kg/h de perfusion continue.
   1. Appuyez sur l’écran du ventilateur mécanique et sélectionnez le mode de ventilation à volume contrôlé (VCV), sélectionnez le bouton de volume courant (TV) et tournez la molette de défilement jusqu’à ce que la valeur du volume courant corresponde à 8 mL/kg.
   2. Appuyez sur l’écran du ventilateur mécanique. Sélectionnez le FiO₂ et tournez la molette de défilement jusqu’à ce que la valeur de 50 % soit atteinte.
   3. Appuyez sur l’écran du ventilateur mécanique et sélectionnez la fréquence respiratoire (RR). Tournez la roue jusqu’à ce qu’elle atteigne la valeur idéale pour maintenir un CO₂ expiré de 35 à 45 mmHg mesuré par capnographie couplée au ventilateur mécanique.
      REMARQUE : La profondeur de la sédation est vérifiée en surveillant les paramètres hémodynamiques et en utilisant un analyseur de gaz tels que la pression artérielle moyenne, la fréquence cardiaque et la concentration d’isoflurane inspirée/expirée.

3. Dissection tissulaire et échange en vente libre

1. Faites une incision sternale médiale de 2 cm au-dessus du manubrium à 2 cm en dessous de l’apophyse xiphoïde du sternum pour accéder à la cavité thoracique. Positionnez les écarteurs de nervures, en élargissant le champ de vision pendant la procédure.
2. Utilisez un scalpel pour faire une incision trachéale horizontale à la hauteur du cartilage cricoïde (juste au niveau des premiers anneaux trachéaux) suffisamment large pour introduire une nouvelle canule trachéale.
3. Dégonflez le brassard en vente libre qui se trouve à l’intérieur des voies respiratoires et tirez lentement pour le retirer. Pendant ce temps, insérez le nouvel OTC dans l’incision pratiquée dans la trachée après avoir retiré l’ancien OTC. Des fuites peuvent se produire en raison du brassard dégonflé, cessant lors du repositionnement du nouvel OTC.
4. Gonflez le brassard du tube trachéal nouvellement inséré en connectant une seringue de 20 ml au ballon-pilote. La seringue délivre de l’air sous pression et gonfle le ballon pilote et le brassard. Une fois le brassard gonflé, retirez la seringue.
5. Attachez la nouvelle canule trachéale directement à la trachée avec du polyester 2-0 pour éviter les fuites et les mouvements tout en plaçant le poumon dans le caisson de ventilation en plexiglas.
6. À l’aide du scalpel, disséquez les tissus pour retirer les organes cardiopulmonaires du thorax.

4. Euthanasie animale

1. Augmenter la concentration d’isoflurane à 5 % et administrer 10 mL de chlorure de potassium à 19,1 %. Par la suite, vérifiez l’absence de signes vitaux.
   REMARQUE : Cette procédure a été effectuée conformément au Guide des National Institutes of Health pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire.

5. Extraction cardiopulmonaire

1. Après l’euthanasie, disséquez le ligament respiratoire pour enlever les poumons.
2. Après la dissection tissulaire, serrez l’OTC avec la pince Kelly appropriée pendant la fin de l’inspiration, en gardant les poumons gonflés.
3. Débranchez l’OTC du ventilateur mécanique, mais maintenez-le serré.
4. Sectionnez l’artère aortique, positionnez l’aspirateur à l’intérieur de la cavité thoracique pour éliminer le sang extravasé, maintenez la visualisation de la cavité tout en terminant les dissections et libérez les organes à retirer de la cavité thoracique.
   REMARQUE : Le ligament pulmonaire inférieur doit être relâché avec précaution pour éviter une lacération pulmonaire.
5. Retirez le cœur et le poumon de la cage thoracique avec l’OTC serré, sans les séparer, et placez-les sur un plateau.

6. Préparation cardio-pulmonaire

1. Avec le poumon sur un plateau, canulez l’artère pulmonaire à l’aide d’un cathéter à lumière unique de gros calibre et connectez-le au dispositif de perfusion pour administrer en continu 2 000 mL de solution saline froide à 0,9 % ou jusqu’à ce qu’un liquide clair s’écoule de l’aorte.
   REMARQUE : SS doit être administré à un taux normal, évitez de presser la poche intraveineuse (IV).
2. Après avoir dégagé l’écoulement, suturez l’artère aortique avec du polyester 2-0 et administrez 100 mL supplémentaires de SS à 0,9 %. Fermez la sortie du cathéter à une seule lumière car le liquide restera à l’intérieur jusqu’à la fin de l’expérience.
3. Détachez l’OTC, notez que les poumons se dégonfleront et resteront fermés, prêts à recevoir la MV et l’ARM.

7. MV à l’intérieur d’une boîte en acrylique

1. Après la préparation, ouvrez la boîte en acrylique et positionnez les poumons verticalement à l’intérieur de la boîte. Passez l’OTC à travers le trou du couvercle et connectez la canule trachéale au ventilateur mécanique.
   REMARQUE : Assurez-vous que la canule trachéale est fermement fixée dans la trachée.
2. Sélectionnez le bouton Démarrer la ventilation .
   1. Appuyez sur l’écran du ventilateur mécanique et sélectionnez le ventilateur mécanique pour VCV.
   2. Appuyez sur l’écran des paramètres du mode VCV et sélectionnez le bouton TV , tournez la roue jusqu’à ce qu’elle atteigne la valeur de 6 mL/kg. Faites de même pour ajuster la PEEP à 5 cm H₂O, la FiO₂ à 21 %, la RR à 15 respirations par minute et le temps de pause inspiratoire à 10 %.

8. BRAS

1. Pour commencer le recrutement, augmentez la PEEP de 5 cm H₂O à 6 cm H₂O, puis augmentez-la par incréments de 2 cm H₂O jusqu’à atteindre 14 cm H₂O.La PEEP est augmentée à l’aide du bouton à l’écran situé sous la valeur PEEP affichée à l’écran. Tournez la roue pour augmenter la valeur.
   1. Pour chaque PEEP, notez les valeurs de pression de pointe, de pression de plateau, de conformité dynamique et de résistance des voies respiratoires affichées sur l’écran du ventilateur mécanique. Notez la pression d’entraînement, c’est-à-dire la valeur de la pression de plateau moins la valeur PEEP ajustée à ce moment-là.
2. Après avoir atteint 14 cm H₂O, réduire la PEEP par décréments progressifs de 2 cm H₂O jusqu’à atteindre 6 cm H₂O, puis la réduire à 5 cm H₂O. La PEEP est réduite à l’aide du bouton à l’écran situé sous la valeur de la PEEP affichée à l’écran. Tournez la molette pour diminuer la valeur.
   1. Pour chaque PEEP, notez les valeurs de pression de pointe, de pression de plateau, de conformité dynamique et de résistance des voies respiratoires affichées sur l’écran du ventilateur mécanique. Notez la pression d’entraînement, c’est-à-dire la valeur de la pression de plateau moins la valeur PEEP ajustée à ce moment-là.
      REMARQUE : Maintenez chaque valeur PEEP pendant 10 min pendant l’incrément et pendant 5 min à chaque étape pendant le décrémentage.

9. Entretien cardio-pulmonaire

1. À la fin de l’étape de recrutement, serrez doucement la canule trachéale avec la pince pendant l’inspiration, en gardant les poumons gonflés. Ouvrez la boîte en acrylique.
2. Retirez les poumons de la boîte en acrylique et placez-les soigneusement dans un récipient en verre.
   REMARQUE : Assurez-vous que la canule trachéale est fermement fixée dans la trachée.
3. Verser 500 mL de 0,9 % d’acier inoxydable.
4. Conservez-le au réfrigérateur dans un récipient en verre emballé dans du plastique à une température de 2 à 8 °C pendant 24 h.
5. Répétez les étapes 7, 8 et 9 pendant cinq jours consécutifs.

Figure 1 : Organigramme de l’étude. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Résultats

Nous avons utilisé cinq porcs femelles pesant entre 23,4 et 26,9 kg et avons suivi le protocole décrit pour l’extraction cardiopulmonaire et l’analyse de la mécanique pulmonaire. Notre intention est que le modèle soit utile pour l’étude de la mécanique pulmonaire en analysant la pression de pointe, la pression de plateau, la résistance, la pression d’entraînement et les variables de conformité dynamique collectées directement à partir de l’écran du ventilateur mécanique. L’organigramme du modèle...

Discussion

Le protocole décrit est utile pour produire un modèle de poumon porcin ex vivo sous MV à pression positive. Il peut être utilisé pour l’étude et l’enseignement de la mécanique pulmonaire grâce à un retour visuel des poumons lors du recrutement et de l’analyse des courbes et des valeurs projetées sur l’écran de l’appareil. Pour arriver à ce résultat, des études pilotes sont nécessaires pour comprendre le comportement des poumons à l’extérieur de la cage thoracique et identifier le bes...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.9% Saline solution			2500ml
Anesthesia machine - Primus	Drager	REF 8603800-18	Anesthesia work station used in the procedure
Aspirator			For blood aspiration from thorax
Bedside Monitor - Life Scope	Nihon Kohden	BSM-7363	Multiparameter monitor used during the procedure
Bonney Tissue Forceps			Any tissue forceps is suitable
Disposable scalper, #23			Any scalper is suitable
Disposable syringe needles, 18G x 1 1/2", 23G x 1"	BD	302814	Widely available
Disposable syringes, 10ml			Widely available
Electrosurgical unit - SS-501	WEM		For cutting and coagulation during thorax incision
Fentanyl			10 mcg/kg bolus + 10 mcg/kg/hour continuous infusion
Finochietto retractor			Any finochietto retractor is suitable
heparin			3ml
Infusion set			Any infusion set is suitable
Isoflurane			1.5%
Kelly Forceps Curved			Any kelly forceps is suitable
Ketamine			5mg/kg
Lactated Ringer solution			500ml
Mechanical ventilator - Servo I	Maquet	REF 6449701	Mechanical ventilator used in the procedure
Metzenbaum Scissor (Straight and curved)			Any metzenbaum scissor is suitable
Midazolam			0.25mg/kg
Orotracheal intubation cannula, #6.5	Rusch	112282	Widely available
Plexiglass			Custom made plexiglass box: 30x45x60cm
Polyester suture, 2-0			Widely available
Potassium choride			10 ml, 19.1% potassium chloride.
propofol			5mg/kg
Three way stopcock			Widely available
Venous catheter, G20 x 1"	BD	38183314	Widely available