Effetti dell'ossigenazione extracorporea della membrana sul sistema di coagulazione

Riepilogo

Presentiamo un protocollo per stabilire un modello di ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO) a lungo termine negli ovini. Particolare attenzione è data alla gestione e alla valutazione del sistema di coagulazione durante il modello ECMO.

Abstract

Questo studio mirava a studiare gli effetti dell'ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO) a lungo termine sul sistema di coagulazione in un modello di pecora. Nello studio sono state incluse un totale di dieci pecore sane, con 5 pecore in ciascun gruppo. Nel gruppo ECMO VENO-ARTERIOSO (V-A ECMO), l'incannulamento è stato eseguito nell'arteria carotide destra e nella vena giugulare esterna destra. Nel gruppo ECMO VENO-VENOSO (V-V ECMO), è stato utilizzato un catetere a doppio lume da inserire nella vena giugulare esterna destra. Dopo l'inizio dell'ECMO, le pecore si sono riprese dall'anestesia e sono rimaste sveglie per 7 giorni. L'obiettivo del tempo di coagulazione attivato (ACT) è stato fissato a 220-250 s. In entrambi i gruppi, l'ACT effettivo oscillava intorno ai 250 s con la dose di eparina che aumentava gradualmente, raggiungendo quasi 60 UI/kg/min alla fine degli esperimenti. Inoltre, i valori del tempo di tromboplastina parziale attivata (APTT) e del tempo di trombina (TT) erano significativamente più alti nel gruppo ECMO V-A rispetto al gruppo ECMO V-V, nonostante ricevessero le stesse dosi di eparina. Sebbene i risultati dei test di laboratorio abbiano fluttuato all'interno di un intervallo normale e ragionevole, focolai di infarto nei reni sono stati osservati in entrambi i gruppi alla fine dello studio.

Introduzione

L'ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO) funge da intervento salvavita, fornendo supporto cardiopolmonare ai pazienti gravemente malati. È classificato in due forme primarie: ECMO VENO-ARTERIOSO (V-A ECMO) ed ECMO VENO-VENOSO (V-V ECMO^)1,2. L'ECMO V-A viene utilizzato per i pazienti con insufficienza circolatoria, mentre l'ECMO V-V è preferito per quelli con insufficienza respiratoria ma senza grave disfunzione cardiovascolare ^3,4.

La trombosi e il sanguinamento sono complicanze prevalenti nei pazienti con ECMO⁵. Il circuito ECMO espone il sangue alle superfici artificiali, avviando complesse risposte di coagulazione⁶. Questi processi possono portare a danni endoteliali e disturbi del microcircolo, con conseguente disfunzione degli organi vitali ^7,8. Di conseguenza, un'efficace gestione sistemica dell'anticoagulazione è considerata fondamentale per i pazienti con ECMO. Nonostante ciò, rimane una mancanza di prove per guidare le strategie anticoagulanti in vari contesti clinici correlati all'ECMO.

La creazione di un modello animale stabile di ECMO può fornire informazioni sull'impatto dell'ECMO sul corpo, contribuendo in modo significativo all'ottimizzazione delle strategie di gestione dell'ECMO, alla riduzione delle complicanze correlate all'ECMO e al miglioramento degli esiti dei pazienti nella pratica clinica. Gli animali di grandi dimensioni, come pecore e suini, sono le scelte principali per stabilire modelli ECMO a causa dei loro parametri fisiologici molto simili a quelli dell'uomo ^9,10. Tuttavia, i precedenti modelli di ECMO su animali di grandi dimensioni avevano un tempo di mantenimento inferiore a 24 ore, rendendo difficile valutare in modo completo l'impatto dell'ECMO sul sistema di coagulazione¹¹. Pertanto, è necessario stabilire modelli animali di grandi dimensioni ECMO a lungo termine per esplorare a fondo i meccanismi fisiopatologici dell'ECMO. L'utilizzo di modelli animali di grandi dimensioni a lungo termine per studiare gli effetti dell'ECMO sul sistema di coagulazione può fornire prove più solide per la pratica clinica.

Questo studio mira a stabilire un modello di ECMO V-A e V-V da sveglio a lungo termine (7 giorni) in pecore sane. L'obiettivo centrale dell'intera definizione e valutazione del modello è la gestione dell'anticoagulazione.

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Protocollo

Questo protocollo sperimentale ha ricevuto l'approvazione dal Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali dell'Ospedale di Fuwai (n. 0101-2-20-HX(X)). Tutte le procedure hanno aderito alle linee guida delineate nella Guida del National Institutes of Health per l'uso e la cura degli animali da laboratorio. L'esperimento si è svolto presso il Beijing Key Laboratory of Pre-clinical Research and Evaluation for Cardiovascular Implant Materials, Animal Experimental Center del Fuwai Hospital (registrazione n. CNAS LA0009). Nello studio sono state utilizzate pecore sane che soddisfacevano gli standard di quarantena richiesti presso l'Animal Experimental Center del Fuwai Hospital. Inoltre, questa ricerca ha seguito le linee guida Animal Research: Reporting of In Vivo Experiments. Gli ovini maschi di Han a coda piccola con un peso compreso tra 50 e 65 kg e un'età compresa tra 12 e 24 mesi (vedi Tabella dei materiali) sono stati alloggiati in un ambiente specifico privo di agenti patogeni con libero accesso a cibo e acqua per almeno una settimana prima dell'intervento. Le pecore sono state assegnate in modo casuale a due gruppi, ciascuno composto da 5 individui: il gruppo ECMO veno-arterioso (V-A ECMO) e il gruppo ECMO veno-venoso (V-V ECMO). La selezione di pecore sane è stata giustificata dalla necessità di valutare con precisione gli effetti del supporto ECMO sull'organismo. L'attrezzatura e i reagenti utilizzati nello studio sono elencati nella Tabella dei materiali.

1. Preparazione degli animali

1. Prima dell'intervento chirurgico, digiunare le pecore adulte sane per 48 ore e privarle dell'acqua per 12 ore.
2. Sterilizzare gli strumenti chirurgici e i parametri ECMO prima dell'intervento. Garantire la fornitura di dispositivi di protezione individuale per tutti i membri dell'équipe chirurgica, inclusi cappucci chirurgici, maschere facciali monouso, abbigliamento chirurgico pulito, copriscarpe, indumenti chirurgici sterili e guanti sterili.
3. Somministrare un'iniezione di propofol (5 mg/kg) attraverso la vena auricolare. Come descritto in precedenza, fissare il bracciale per la pressione sanguigna sulla coscia e posizionare gli elettrocateteri dell'elettrocardiogramma su tutti e quattro gli arti. Collegare il bracciale per la pressione sanguigna e le derivazioni ECG al monitor medico per l'ECG e la misurazione non invasiva della pressione sanguigna¹².
4. Inserire un tubo endotracheale a lume singolo nella trachea e collegare il tubo al ventilatore con modalità a volume controllato. Impostare i parametri come segue: volume corrente: 8-10 mL/kg, frequenza respiratoria: 12-20/min, frazione iniziale di ossigeno inspirato (FiO2): 60%.
5. Somministrare una combinazione di anestesia endovenosa (propofol, 8-10 mg/kg/h) e anestesia inalatoria (isoflurano 2%-3%) per il mantenimento dell'anestesia. Fornire flurbiprofene intermittente (1-2 mg/kg) per via endovenosa per l'analgesia intraoperatoria.
6. Posizionare le pecore sul tavolo operatorio e fissare i loro arti con una cintura di stoffa flessibile. Procedere all'isolamento dell'arteria carotide sinistra e della vena giugulare e inserire rispettivamente un catetere venoso centrale a lume singolo (18 Fr) e un catetere venoso centrale a triplo lume (7 Fr). Collegare il catetere da 18 G sull'arteria carotide sinistra al monitor medico per il monitoraggio emodinamico. Collegare il catetere venoso centrale a triplo lume da 7 Fr sulla vena giugulare sinistra alla pompa di infusione e al monitor medico per la somministrazione simultanea di liquidi per via endovenosa, iniezione di farmaci e monitoraggio della pressione venosa centrale. Effettuare tutti i collegamenti utilizzando i rubinetti a tre vie. Prelevare campioni di sangue venoso o arterioso tramite rubinetto a tre vie.
   NOTA: Dopo l'inserimento del catetere, legare il catetere e il vaso con 2-0 suture chirurgiche.
7. Esporre l'arteria giugulare destra e la vena. Ottenere l'anticoagulazione sistemica con un bolo di eparina (120 UI/kg) attraverso la vena giugulare destra.
   NOTA: Il tempo di coagulazione attivato (ACT) target per l'incannulamento è superiore a 250 secondi.

2. Incannulamento

1. Istituzione del circuito V-A ECMO: inserire un catetere arterioso (18 Fr) attraverso l'arteria carotide destra a una profondità di 10-15 cm e un catetere venoso (24 Fr) attraverso la vena giugulare esterna destra fino all'atrio destro.
2. Istituzione del circuito EV ECMO: esporre la vena giugulare esterna destra e inserire un catetere a doppio lume (23 Fr) attraverso la vena giugulare esterna destra.
   NOTA: Durante questa procedura, mantenere la pressione sanguigna e la frequenza cardiaca degli ovini entro il ±20% dei valori basali. Mantenere la pressione parziale dell'anidride carbonica arteriosa (PaCO2) tra 35-40 mmHg. Assicurarsi che la pressione parziale dell'anidride carbonica di fine espirazione (EtCO2) rimanga compresa tra 35 e 45 mmHg. Regolare la profondità dell'anestesia quando si incontrano variazioni della pressione sanguigna e della frequenza cardiaca negli ovini. Se questo si rivela inefficace o in caso di emergenza, prendere in considerazione l'uso di farmaci vasoattivi. Mantenere PaCO2 ed EtCO2 entro i valori normali regolando i parametri del ventilatore, con particolare attenzione al volume corrente e alla frequenza respiratoria.
3. Nell'ECMO V-V, far passare la punta del catetere attraverso l'atrio destro (RA) e posizionarla all'interno della vena cava inferiore (IVC). Dirigere la porta di deflusso del catetere a doppio lume verso la valvola tricuspide (confermare la posizione con l'assistenza ecografica).
   NOTA: Dopo l'inserimento del catetere, legare il catetere e il vaso con 2-0 suture chirurgiche. Chiudere l'incisione cutanea utilizzando suture chirurgiche 4-0.

3. Inizio dell'ECMO

1. Collegare tutti i dispositivi ECMO seguendo le istruzioni del produttore (vedere la Tabella dei materiali). Assicurarsi che non ci siano perdite.
   NOTA: Seguire i principi asettici durante la connessione.
2. La soluzione di priming è costituita da soluzione fisiologica normale (1000 mL) con 2000 UI di eparina. Dopo aver infuso manualmente la soluzione di adescamento nel circuito ECMO e essersi assicurati che non vi siano bolle d'aria nel circuito, avviare la pompa centrifuga per l'adescamento (1000-1500 giri/min).
3. Al termine dell'adescamento, spegnere la pompa centrifuga. Collegare il catetere di afflusso all'ingresso della pompa centrifuga e collegare il catetere di efflusso all'uscita dell'ossigenatore. Effettuare tutti i collegamenti utilizzando i rubinetti a tre vie. Scaricare l'aria al raccordo attraverso il rubinetto a tre vie. Collegare la fonte di ossigeno al sistema ECMO, garantendo il corretto flusso di ossigeno. Quindi avviare la pompa centrifuga per il funzionamento ECMO. Impostare la portata iniziale della pompa a 2,0 L/min con una velocità della pompa di 3000 giri/min.
4. Avvolgere a metà la linea del tubo del circuito ECMO attorno al collo della pecora per evitare spostamenti o attorcigliamenti.

4. Gestione e monitoraggio postoperatorio

1. Trasferire le pecore in una gabbia metabolica e trattenere le pecore in modo appropriato dopo aver completato l'operazione.
   NOTA: Fissare la testa e le spalle della pecora con particolare attenzione alla prevenzione dello spostamento o dell'attorcigliamento della cannula. Ridurre gradualmente la profondità dell'anestesia. Garantire la protezione personale dei membri dell'équipe infermieristica postoperatoria indossando dispositivi di protezione (indumenti sterili, guanti, maschere e berretti).
2. Per garantire risultati stabili della respirazione e dell'emogasanalisi, rimuovere il tubo endotracheale.
3. Nelle prime 24 ore dopo l'intervento, somministrare flurbiprofene (1-2 mg/kg) e dexmedetomidina (0,2-0,3 μg/kg·h) per via endovenosa per sedazione e sollievo dal dolore.
   NOTA: Dopo le prime 24 ore, prendere in considerazione farmaci sedativi e analgesici se c'è agitazione e fluttuazione della pressione sanguigna nelle pecore a causa del dolore postoperatorio.
4. All'interno della gabbia di monitoraggio, assicurarsi che le pecore si muovano liberamente entro un certo raggio d'azione e abbiano accesso illimitato a una quantità adeguata di mangime e acqua.
5. Mantieni un controllo continuo in tempo reale dei segni vitali fondamentali (frequenza cardiaca e pressione arteriosa) insieme ai parametri idraulici ECMO (flusso della pompa, velocità della pompa, pressione pre-pompa, pressione post-pompa e pressione post-ossigenatore).
   NOTA: Impostare i parametri target per la gestione dell'ECMO (portata della pompa: 2,0-2,5 L/min, velocità della pompa: 3000-3500 giri/min, portata di ossigeno: 1,0-1,5 L/min con una FiO2 del 50%-80%). Regolare i parametri di cui sopra in base ai risultati dei gas nel sangue.
6. Misura i gas ematici e l'ACT ogni 6 ore e monitora quotidianamente l'emocromo, la chimica del sangue e i test di coagulazione. Regolare la strategia anticoagulante in base agli indicatori di coagulazione.
   NOTA: L'obiettivo ACT target: 220-250 s.
7. Regolare le infusioni endovenose in base all'equilibrio dei liquidi per mantenere la pressione venosa centrale (CVP) tra 5-12 cm H₂O. Somministrare cefuroxima sodica (1,5 g, e.v., b.i.d.) ogni giorno per la prevenzione delle infezioni. Eseguire quotidianamente la disinfezione delle incisioni e monitorare attentamente i segni di infezione o sanguinamento.

5. Eutanasia

1. Dopo un periodo sperimentale di 7 giorni, rimuovere il circuito ECMO.
2. Somministrare un'iniezione endovenosa di cloruro di potassio (100 mg/kg) per l'eutanasia sotto sedazione con propofol (20 mg/kg).
   NOTA: Dopo l'eutanasia, i principali organi (cuore, rene, polmone, fegato, cervello e intestino) sono stati raccolti e controllati visivamente per la presenza di infarti, emorragie o danni evidenti. Tutte le lesioni agli organi sono state registrate in dettaglio. Quindi, gli organi sono stati tagliati in piccoli pezzi e fissati in formaldeide al 4%, incorporati con paraffina e divisi in sezioni da 4 μm per la colorazione con ematossilina-eosina (HE)¹³. Condurre l'esame istologico per le sezioni di HE al microscopio ottico da almeno due patologi in modo indipendente.

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Risultati

Durante l'intero esperimento sono state valutate un totale di dieci pecore, con cinque pecore in ciascun gruppo (Tabella 1). Dopo l'inizio dell'ECMO, tutte le pecore si sono riprese dall'anestesia e sono rimaste sveglie per 7 giorni. In entrambi i gruppi, il flusso ECMO ha superato 1,8 L/min. Nel gruppo ECMO V-V, il flusso oscillava intorno a 1,8 L/min, mentre nel gruppo ECMO V-A variava da 2,3 L/min a 1,8 L/min (Figura 1A). I segni vitali d...

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Discussione

Questo studio delinea la procedura per stabilire modelli di sopravvivenza robusti e a lungo termine per l'ECMO V-V e V-A negli ovini. Tutti gli animali sopravvissuti hanno mostrato segni vitali stabili e non si sono verificati gravi eventi di sanguinamento o coagulazione. Il flusso ECMO e le prestazioni di ossigenazione sono rimaste stabili, senza gravi lesioni patologiche osservate. Lo studio fornisce informazioni dettagliate sulla gestione degli anticoagulanti.

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Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
ACT analyzer	Hemochron, USA	Jr Signature
Anaesthesia machine	Drager, Germany	Primus
Arterial catheter	Edwards Lifescience, USA	18-Fr	Provide return access into an artery for VA-EMCO
Blood chemistry analyzer	IDEXX Laboratories, USA	Catalyst One
Blood gas analyzer	Abbott, USA	Abbott i-STAT1
Centrifugal pump	Jiangsu STMed Technologies, China	STM CP-24 I
Centrifugal pump drive and console	Jiangsu STMed Technologies, China	OASSIST STM001
Coagulation test analyzer	Beijing Succeeder Technology, China	SF-8050
Complete blood count analyzer	Siemens Healthcare, Germany	ADVIA 2120i
Dual-channel micro-injection pump	Zhejiang Smith Medical Instrument, China	WZS-50F6
Dual-lumen catheter	MAQUET Avalon Elite, Germany	23-Fr	Provide return and drainage accesses into the right external jugular vein for VV-ECMO
Flurbiprofen	Beijing Tide Pharmaceutical Co., Ltd., China	5ml: 50mg
GraphPad software	GraphPad Software, USA	GraphPad Prism v9.0	Statistical analysis
Heparin	Shanghai Shangyao No.1 Biochemical Pharmaceutical Co., Ltd., China	2ml: 12500IU
High-frequency electrosurgical	COVIDIEN, USA	Force F
Multi-parameter medical monitor	Philips, Netherlands	MP60
Oxygenator kit	Medos, Germany	Hilite 7000LT
Oxygenator kit	Maquet, Germany	BE-PLS 2050
Propofol	Xi’an Libang Pharmaceutical Co. Ltd, China	20ml: 0.2g
Single-lumen central venous catheter	TuoRen, China	18Fr	Insert in left carotid artery  for hemodynamic monitoring and blood sampling.
Small Tail Han sheep	Jinyutongfeng Commercial and Trade Co. Ltd, China	weight: 50-65 kg, age: 12-24 months
Triple-lumen central venous catheter	TuoRen, China	7Fr	Insert in left jugular vein for intravenous fluid administration, drug injection, and blood sampling.
Ultrasound machine	GE, USA	E9
Venous catheter	Edwards Lifescience, USA	24-Fr	Provide the drainage access into a vein for VA-ECMO
Ventilator	Drager, Germany	Savina