急性ボリューム過負荷の成人および小児ブタモデル

要約

ここでのプロトコルは、ユーボレミーのブタ/子豚の中心静脈へのクリスタロイドの連続投与により、急性容量過負荷の生理学的影響の適切な調査がどのように可能になるかを示しています。

要約

このプロトコルは、成体のヨークシャー豚および子豚の急性容積過負荷ブタモデルについて説明しています。両方の豚の年齢は、全身麻酔、気管内挿管、および機械的換気を受けます。中心静脈カテーテルと動脈カテーテルは、それぞれ外頸静脈と頸動脈の外科的カットダウンによって留置されます。肺動脈カテーテルは、中心静脈カテーテルのイントロデューサーシースを介して留置されます。次に、PlasmaLyteクリスタロイド溶液を成体ブタでは100 mL/分、子豚では20 mL/kgボーラスで10分以上投与します。血液量減少症は、心拍出量の15%減少または成体ブタの5Lおよび子豚の500mLのいずれかで達成されます。.心拍数、呼吸数、呼気終末二酸化炭素、酸素飽和ヘモグロビンの割合、動脈血圧、中心静脈圧、肺動脈圧、肺毛細血管楔入圧、部分動脈酸素圧、乳酸、pH、塩基過剰、酸素飽和ヘモグロビンの肺動脈分画などの血行動態データは、実験中に監視されます。このモデルで観察された予備データは、成体ブタの中心血行動態パラメーターと急性容積過負荷との間の統計的に有意な変化と強力な線形回帰を示しています。肺毛細血管楔圧のみが、子豚の急性容積過負荷に対する線形回帰と統計的有意性の両方を示しました。これらのモデルは、科学者が急性のボリュームオーバーロードを理解し、予防するための年齢に適した治療およびモニタリング戦略を発見するのに役立ちます。

概要

急性量過多は、体液量の急激かつ過度の増加を特徴とする状態であり、^{包括的な研究1}を必要とする重大な医学的懸念事項です。多くの場合、積極的および/または不適切な輸液蘇生、輸血、および心不全や腎不全などの併存疾患に関連しています。それは深刻な罹患率と死亡率の増加につながる可能性があります^1,2,3。その臨床的意義にもかかわらず、急性容積過負荷の病態生理学はよく理解されていない^{ままです3,4}。さらに、特定の診断基準と効果的なモニタリング戦略の欠如は、厳密な科学的調査の必要性をさらに強調しています。急性ボリュームオーバーロードの研究は、患者の転帰を改善するだけでなく、人間の生理学の理解を深めるためにも重要です。これは、身体の流体恒常性メカニズムと極度のストレスに対するそれらの応答を探求するユニークな機会を提供します¹。リベラルな輸液蘇生を防ぎ、より目標指向型の蘇生アプローチを促進するための目標指向型輸液療法(GDFT)を調査した研究では、周術期および敗血症における罹患率と死亡率の改善が示されています^1,3,4。これらの研究では、中心静脈圧測定による中心静脈カテーテル、ScVO₂、動脈ライン乳酸測定、経食道ドップラーによる一回生量/心拍出量測定、リチウム希釈心拍出量、動脈脈拍輪郭分析、胸部電気生体インピーダンス、経肺熱希釈1,3,4,5など、さまざまなデバイスを使用して体積状態をモニターしました.ボリュームの状態を評価するために利用される複数のアプローチは、それぞれが精度と使いやすさに限界があり、血管内ボリューム評価を強化することによりGDFTを大幅に改善する余地があることを示唆しています^3,4。

ブタモデルは、ヒトの心血管生理学の研究において特に貴重なツールとして浮上しています⁶。ブタとヒトの心血管系との間の解剖学的および生理学的類似性(心臓のサイズ、冠状動脈の解剖学的構造、血行動態パラメータなど)により、ブタはトランスレーショナルリサーチの理想的なモデルとなっています⁶。さらに、ブタは人間と同等の容量過負荷に対する反応を示し、急性容量過負荷の病態生理学およびさまざまな治療介入の有効性を研究するための優れたモデルとなっています^7,8。ブタモデルを使用すると、リアルタイムの血行動態測定や組織サンプルなど、人間の研究では達成できないことが多い高品質で詳細なデータポイントの収集も可能になります⁷。このデータポイントの優位性により、急性のボリュームオーバーロードをより包括的に理解することができ、最終的にはより効果的なモニタリングおよび予防戦略の開発に貢献できる可能性があります。

急性容積過負荷の研究に子豚モデルを使用することは、特にこの分野での小児科研究が不足していることを考えると、最も重要です。子豚は、人間の乳児と生理学的および発達的に類似しており、成人の対応物と同様に、小児集団を理解するための非常に貴重なモデルを提供します^9,10,11。先天性心疾患や集中治療介入に関連するものなど、小児患者におけるボリュームオーバーロード状態の発生率が高いにもかかわらず、この分野の研究は著しく限られており、特に人間の乳児^を正確に表す動物モデルに関しては^5,12,13。子豚モデルを利用することで、このギャップを埋めるのに役立ち、急性容積過負荷の小児特有の病態生理学と潜在的な治療戦略の有効性についての洞察を得ることができます^7,11。

この原稿では、成体ブタと小児ブタの両方の外頸静脈に晶質溶液を直接連続注入して急性容量過負荷を誘発し、そのような容量変化が容量ステータスモニタリングに使用される一般的な末梢および中央のデータポイントに対する血行動態の影響を研究する方法について説明します。この概説された方法は、将来の科学者が急性ボリュームオーバーロードの根本的な病態生理学的メカニズムを調査し、潜在的な優れたモニタリングモダリティとイノベーションを評価するのに役立つ貴重なツールとして役立つはずです。

プロトコル

この研究プロトコルは、ヴァンダービルト大学の施設内動物管理および使用委員会(プロトコルM1800176-00)によって承認され、実験動物の世話と使用に関する国立衛生研究所のガイドラインに厳守されました。この実験では、体重が約40〜45 kgと4〜10 kgの雄と雌のヨークシャー豚と子豚が使用されます。現在のアプローチは、注文された豚の既存の病状のスクリーニングを網羅していません。この慣行が望ましい結果に影響を与えたり、不明瞭にしたりする可能性があることを認識しているため、ベンダーの情報によると、そのような干渉の可能性は低いことに注意することが重要です。この制限は、手順の固有の側面として認識され、受け入れられています。

1.麻酔と換気

1. 成豚モデル
   1. ケタミン(2.2 mg / kg)/キシラジン(2.2 mg / kg)/テラゾール(4.4 mg / kg)を筋肉内(IM)にゆっくりと注射して、ブタに麻酔をかけます。導入直後に、18-24G の静脈内 (IV) カテーテルを耳介の後側の中央または辺縁の耳静脈に留置します。IVを1インチの粘着テープで固定します。
   2. 豚を手術室のテーブルの上に仰臥位で置きます。バイタルサイン、刺激に対する反応性、動きの有無、顎の緊張弛緩、心拍数の変動、呼気終末CO₂ レベルの変化、呼吸数の変動などの要因によって決定される麻酔の深さを評価するために、特定のパラメータの監督を担当する独立した動物実験技師に依頼してください。これらの評価は、吸入麻酔薬の投与量の調整をガイドします。
   3. 直接喉頭鏡検査により、6.5 mmの気管内チューブでブタに気管内挿管し、気管内カフを3〜5 mLの空気で膨らませます。.8 mL/kgの潮汐容積、35-40 mmHgの呼気終末CO₂ に滴定された呼吸数、および5 cm H₂Oの陽呼気終末圧で、ブタを容積制御換気に維持します。
   4. フォーリーカテーテルを尿道に留置して雌豚の尿量を監視し、尿道を通るフォーリー留置の解剖学的困難に続発する雄豚に外科的に留置します。
2. 子豚モデル
   1. ケタミン(2.2 mg / kg)/キシラジン(2.2 mg / kg)/テラゾール(4.4 mg / kg)/デクスメデトミジン(0.005 mg / kg)の麻酔液を、約5週齢の子豚(ヒト約12か月に相当)に筋肉内(IM)注射で注入します。.次に、すぐに22-24G IVを利用可能な最良の静脈、おそらく耳介の後側に配置します。
   2. 子豚を手術室のテーブルの上に仰臥位に置きます。
   3. 直接喉頭鏡検査を使用して、4.5〜5.5mmの気管内チューブで子豚に気管内挿管します。針を取り付けていないシリンジを使用して、気管内チューブカフを3〜5mLの空気で膨らませます。再投与時に評価される麻酔の深さに基づいて、必要に応じて2時間ごとにデクスメデトミジン(0.005-0.01 mg / kg IV)の再投与の有無にかかわらず、1%イソフルランで麻酔を維持します。.
   4. 容積制御換気で、8 mL / kgの潮汐量、35-40 mmHgの呼気終末CO₂ に滴定された呼吸数、および5 cm H₂Oの呼気終末陽圧を維持します。
   5. 尿道にフォーリーカテーテルを留置して、雌子豚の尿量を監視します。フォーリーカテーテルを外科的にオスの子豚に留置します。これは、尿道を通るフォーリー留置の解剖学的困難に続いています。
      注: さらに、ブプレノルフィン/デクスメデトミジン鎮痛薬の投与は、必要に応じてボーラス投与によって行われます。一貫性を維持するために、人工呼吸器の呼吸数は、実験全体を通して呼気終末 CO₂ レベルを 35 〜 40 mmHg の範囲に保つように調整されます。

2. カニューレ挿入と監視装置の配置

1. 成豚モデル
   1. 前頸部全体を2%クロロヘキシジンスクラブ溶液で消毒し、続いて5%ポビドンヨード溶液¹⁴をスプレーします。.
   2. 左右の外頸静脈(EJ)静脈と内頸動脈(CA)の両方を外科的に露出させ、気管のすぐ外側に両側の垂直切開を行い、単極性焼灼で血管系まで解剖します。
   3. 必要に応じて、Kelly組織ハサミとLaheyリトラクターおよび/または組織鉗子¹⁴を使用して、ストラップの筋肉と管を解剖します。二国間EJとCAを公開します。
   4. 2つの8.5フレンチ(Fr)カニューレをセルディンガーテクニック¹⁵を使用して右EJに配置します。カニューレを挿入したら、7 Fr肺動脈カテーテル(PAC)を右EJの紹介器に通します。この右EJカテーテルとPACは、血行動態のモニタリングに使用します。
   5. 左のEJを10 Frカニューレでカニューレし、PlasmaLyte溶液でプライミングされた専用のローラーポンプチューブに接続します。
      注:外頸静脈は、心臓カテーテル法のためにより大きな直径で、より適切な角度になる傾向があります。これらの理由から、ブタ^{の実験では}、EJを内頸静脈(IJ)上にカニューレ挿入することを選択しました1。
   6. セルディンガー法¹⁵ を使用して、実験全体を通して侵襲的な血圧モニタリングのために、4 Fr 動脈ラインを右 CA に配置します。
   7. 目的のモニタリングをブタに取り付けます。
      1. テレメトリーリードで心拍数(HR)をモニタリングし、収縮期血圧(SBP)、拡張期血圧(DBP)、平均動脈圧(MAP)をモニタリングするには、血圧アンプに取り付けられた圧力トランスデューサをCAカテーテルに接続します。
      2. 平均肺動脈圧(MPAP)、収縮期肺動脈圧(SPAP)、拡張期肺動脈圧(DPAP)、および中心静脈圧(CVP)を監視するには、血圧アンプに取り付けられた圧力トランスデューサを適切なPACポートに取り付けます。
      3. SBPとDBPの間の分散を見つけることにより、脈圧を決定します。脈圧変動性(PPV)を計算するには、呼吸サイクル全体の吸気と呼気の両方におけるピーク脈圧レベルの変動を計算します。
      4. LabChart 8の血圧モジュールを使用し、PowerLabシステム上で実行してPPV測定値を計算します。この設定では、動脈ラインチャネルで 3 分間のデータを選択し、最小ピーク高さを 10 mmHg に設定し、サイクルを 10 サイクルで平均化します。ソフトウェアのモジュールでは、各パルスサイクルのピークを自動的に計算し、視覚的に確認することができます。結果として得られる最小パルス圧と最大パルス圧は、PPVの計算に使用されます。
      5. デバイス固有の体積/温度キャリブレーションを使用して、熱希釈心拍出量(CO)を実行します。PAC バルーンを 1.5 mL の空気で膨らませ、V 波と A 波の両方が視覚化されるまでカテーテルを進めることにより、肺毛細血管楔入圧 (PCWP) を取得します。有効期限終了時のA波の値でPCWPを読み取ります。
   8. PlasmaLyte¹⁶ を約100 mL/分の速度で投与し、急性容量過負荷の開始前に8〜10 mmHgの開始PCWPを取得します(血液量減少)。
      注:血液量減少を達成するために必要な総量は、ディスカッションで取り上げられている多数の変数によって異なります。ヴァンダービルト大学医療センターでこの実験プロトコルを受けているブタには、平均して約500 mLが必要です。このモデルは、PlasmaLyteをバランス緩衝晶質溶液として使用します。他のバランス緩衝晶質(例:Normosol-R、Lactated Ringer's)でも同様の結果が得られる可能性があります。このモデルでは、生理食塩水¹⁶によって引き起こされる内皮細胞膜の完全性、内皮機能障害、およびアシドーシスの既知の損失を回避するために、非緩衝性の酸性生理食塩水は避けるべきです。
2. 子豚モデル
   1. 成体ブタと同様に、子豚は、麻酔され、機械的に換気されたら、2%クロロヘキシジンスクラブ溶液で前頸部全体を消毒し、続いて5%ポビドンヨード溶液¹⁴をスプレーします。子豚の右EJ、頸動脈、および左大腿動脈のみをカニューレ挿入します。
   2. 右のEJ静脈と内部CAを、気管のすぐ外側にある右側の垂直切開で外科的に露出させ、単極性焼灼で血管系まで解剖します。
   3. 必要に応じて、Kelly組織ハサミとLaheyリトラクターおよび/または組織鉗子¹⁴を使用して、ストラップの筋肉と管を解剖します。右側のEJとCAを露出させます。
   4. 子豚の下腹部と陰部を2%クロロヘキシジンスクラブ溶液で消毒し、続いて5%ポビドンヨード溶液をスプレーします。¹⁷で説明されているように、古典的な縦方向の技術で左大腿動脈(FA)を外科的に露出させます。
   5. 6 Fr 中心静脈カテーテル イントロデューサーを右の EJ に配置し、続いて 5 Fr PAC を肺動脈に配置します。
   6. 2つの3 Fr動脈カテーテルを配置します:1つは右CAに、もう1つは左FAに。PACイントロデューサーに関連付けられたオープンポートを使用して、60 mLシリンジで容量管理します。
   7. 60 mLシリンジを使用して10 mL / kgのPlasmaLyte¹⁶ ボーラスを安定したプッシュ速度で投与し、各ボーラスの後に停止してPCWPを取得し、8〜10 mmHg(血液量減少)の値が達成されたら停止します。.
      注:血液量減少を達成するために必要な総量は、この原稿のディスカッションで取り上げられている多数の変数によって異なります。ヴァンダービルト大学医療センターでこの実験プロトコルを受けている子豚には、平均して約50〜100mLが必要です。

3. ボリューム管理

1. 成豚モデル
   1. カニューレ挿入が完了し、血液量減少が達成されたら、温かいPlasmaLyteクリスタロイド溶液を500 mL刻みで100 mL/分の速度で注入します(図1)。
   2. 血行動態エンドポイントの記録を確認します: HR、酸素飽和ヘモグロビンの割合 (SpO₂)、呼吸数 (RR)、呼気終末二酸化炭素 (ETCO₂)、CVP、SBP、DBP、MAP、PPV、SPAP、DPAP、および MPAP。
   3. 500 mLの容量ごとに、総容量5 Lで行われる安楽死まで、または以前の測定値からCOが15%減少するまで、どちらか早い方で静的測定値(COおよびPCWP)を取得するために必要な手順を実行します。
      注:COの低下は、スターリング曲線¹⁸の下降肢の開始を表します。この時点で、体積の過負荷は、筋線維の収縮に最適な長さを超えて心臓の拡張につながり、収縮が損なわれ、CO¹⁸が減少します。
   4. 血液量の増加時、および総量投与の終了時に、動脈血ガス分析を実施して、ブタの部分動脈酸素圧(PaO₂)、pH、乳酸、および塩基過剰を取得します。.
   5. PlasmaLyteクリスタロイド溶液を500 mLずつ増加させるたびに、尿量(mL)を記録します。血液量減少が達成されたら、尿をゼロにすることをお勧めします。.ブタを総容量5 Lで、またはCOの15%減少が観察されたときのいずれか早い方で安楽死させます。
2. 子豚モデル
   1. カニューレ挿入が成功し、血液量減少が達成されたら、10分ごとにシリンジボーラスを介してPlasmaLyteを20 mL/kgずつ投与します(図1)。
   2. 血行動態パラメータ(HR、RR、SpO₂、EtCO₂、CVP、SBP、DBP、MPAP、PPV、MPAP)の記録を確認します。10 mL / kgボーラスごとにPCWPを測定します。.
      注:必要な体積と5 Fr PACの小さな内径によって生じる抵抗のため、子豚では熱希釈COは行われません。代わりに、Fick法^19,20がCOの計算に採用されます。これには、肺動脈血(SvO₂)から酸素飽和ヘモグロビンの一部を取得することが含まれ、これは動脈血ガス分析と同時に実行されます。
   3. 20 mL/kg容量のボーラスごとに動脈血ガス分析を行い、PaO₂、pH、乳酸、および塩基の過剰値を取得します。
      注: 日常的な臨床ケアにおけるこれらの侵襲的データ ポイントの多くの制限を考慮して、経胸壁心エコー検査 (TTE) は、子豚モデルで 20 mL/kg ボーラスごとに実行され、大動脈血流のピーク収縮期速度 (PSV) と左心室流出路 (LVOT) の直径を測定します。これは、小児臨床診療で使用される 2 つのデータ ポイントで患者の容積状態を推定するためです。
   4. TTEを実行して、各20 mL/kgボーラスの後にPSVおよびLVOT直径データポイントを測定します。各20 mL / kgボーラス後の尿量を記録します。.子豚を総量500 mLで安楽死させるか、COが15%減少したときのいずれか早い方で安楽死させます。

4.成体豚と子豚の両方の安楽死

1. 1%イソフルランの維持を確認します。ペントバルビタールナトリウム(125 mg / kg)のIV注射により心停止を誘発します。.注射後にバイタルサインがないことを確認して、死亡を確認します。

結果

成体ブタモデルの線形回帰分析後の予備的な代表的なパイロットデータは、最初の8頭のブタの体積投与に対する直線性を示しました(図2)。この実験では、他の多くのデータポイントや2.5Lを超える容量が測定されましたが、これらのデータはこれまでの分析を表しています。ボリューム評価に最も使用される 2 つのバイタル サイン、HR (R²

ディスカッション

このプロトコルには、2つの重要なステップがあります。まず、適切なカニューレ挿入を取得し、血行動態/量モニタリングの位置を確保するのに時間がかかることが不可欠です。成体モデルと子豚モデルの両方で、必要な血管を適切にカニューレに挿入し、必要なカテーテルを導入するために、外科的カットダウンが必要です。経皮的超音波ガイド下アプローチは、?...

資料

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.)