Модель острой объемной перегрузки у взрослых и детей свиней

Резюме

В приведенном здесь протоколе показано, как непрерывное введение кристаллоидов в центральные вены эуволемической свиньи/поросенка позволяет провести соответствующее исследование физиологических эффектов острой объемной перегрузки.

Аннотация

Этот протокол описывает модель острой объемной перегрузки свиней для взрослых йоркширских свиней и поросят. Оба возраста свиней проходят общую анестезию, эндотрахеальную интубацию и искусственную вентиляцию легких. Центральный венозный катетер и артериальный катетер устанавливаются путем хирургического разреза в наружную яремную вену и сонную артерию соответственно. Катетер легочной артерии вводится через интродьюсерную оболочку центрального венозного катетера. Затем раствор кристаллоида PlasmaLyte вводят со скоростью 100 мл/мин взрослым свиньям и 20 мл/кг болюсами в течение 10 мин поросятам. Гиперволемия достигается либо при снижении сердечного выброса на 15%, либо при 5 л у взрослых свиней и при 500 мл у поросят. Во время экспериментов контролируются гемодинамические данные, такие как частота сердечных сокращений, частота дыхания, углекислый газ в конце выдоха, фракция насыщенного кислородом гемоглобина, артериальное артериальное давление, центральное венозное давление, давление в легочной артерии, давление в легочном капиллярном клине, частичное артериальное давление кислорода, лактат, рН, избыток оснований и фракция гемоглобина, насыщенного кислородом в легочной артерии. Предварительные данные, наблюдаемые с помощью этой модели, продемонстрировали статистически значимые изменения и сильные линейные регрессии между центральными параметрами гемодинамики и острой объемной перегрузкой у взрослых свиней. Только давление в легочный капиллярный клин продемонстрировало как линейную регрессию, так и статистическую значимость острой объемной перегрузки у поросят. Эти модели могут помочь ученым в открытии соответствующих возрасту терапевтических и мониторинговых стратегий для понимания и предотвращения острой объемной перегрузки.

Введение

Острая объемная перегрузка, состояние, характеризующееся резким и чрезмерным увеличением объема жидкости в организме, является критической медицинской проблемой, которая требует всестороннего исследования¹. Он часто связан с агрессивной и/или неадекватной инфузионной регидратацией, переливанием крови и сопутствующими заболеваниями, такими как сердечная недостаточность и почечная недостаточность. Это может привести к тяжелой заболеваемости и повышению вероятности смертности ^1,2,3. Несмотря на свою клиническую значимость, патофизиология острой объемной перегрузки остается малоизученной ^3,4. Кроме того, отсутствие конкретных диагностических критериев и эффективных стратегий мониторинга еще больше подчеркивает необходимость тщательных научных исследований. Изучение острой объемной перегрузки имеет решающее значение не только для улучшения результатов лечения пациентов, но и для углубления нашего понимания физиологии человека. Это дает уникальную возможность изучить механизмы жидкостного гомеостаза организма и их реакцию на экстремальный стресс¹. Исследования, изучающие целенаправленную инфузионную терапию (GDFT) для предотвращения либеральной инфузионной реанимации и продвижения более целенаправленного подхода к реанимации, продемонстрировали снижение заболеваемости и смертности в периоперационных условиях и при сепсисе ^1,3,4. В этих исследованиях использовались различные устройства для мониторинга объемного состояния, в том числе центральные венозные катетеры с измерением центрального венозного давления, ScVO₂, измерения лактата артериальной линии, измерения ударного объема/сердечного выброса с помощью чреспищеводной допплерографии, разведение лития в сердце, анализ артериального пульсового контура, торакальный электрический биоимпеданс и транспульмональная термодилюция ^1,3,4,5. Многочисленные подходы, используемые для оценки объема жидкости, каждый из которых имеет ограничения по точности и удобству использования, позволяют предположить, что существуют возможности для значительного улучшения GDFT за счет улучшения оценки внутрисосудистого объема ^3,4.

Модели свиней стали особенно ценным инструментом в изучении физиологии сердечно-сосудистой системы человека⁶. Анатомические и физиологические сходства между сердечно-сосудистой системой свиней и человека, такие как размер сердца, анатомия коронарных артерий и гемодинамические параметры, делают свиней идеальными моделями для трансляционных^{исследований.} Кроме того, свиньи демонстрируют аналогичную реакцию на объемную перегрузку, как и люди, что делает их отличными моделями для изучения патофизиологии острой объемной перегрузки и эффективности различных терапевтических^{вмешательств.} Использование моделей свиней также позволяет собирать высококачественные и подробные данные, такие как гемодинамические измерения в реальном времени и образцы тканей, которые часто недостижимы в исследованиях на людях⁷. Такое превосходство точек данных обеспечивает более полное понимание острой объемной перегрузки, что в конечном итоге может способствовать разработке более эффективных стратегий мониторинга и профилактики.

Использование моделей поросят для изучения острой объемной перегрузки имеет первостепенное значение, особенно учитывая нехватку педиатрических исследований в этой области. Поросята, с их физиологическим сходством и сходством в развитии с человеческими младенцами, представляют собой бесценную модель, как и их взрослые собратья, для понимания педиатрической^{популяции.} Несмотря на высокую частоту состояний объемной перегрузки у педиатрических пациентов, например, связанных с врожденными пороками сердца или вмешательствами в интенсивной терапии, исследования в этой области были заметно ограничены, особенно когда речь идет о животных моделях, которые точно представляют человеческих младенцев ^5,12,13. Использование моделей поросят может помочь восполнить этот пробел, давая представление о специфической для педиатрии патофизиологии острой объемной перегрузки и эффективности потенциальных терапевтических стратегий ^7,11.

В данной рукописи описан метод использования непрерывной инфузии кристаллоидного раствора непосредственно в наружную яремную вену взрослых и детских свиней для индуцирования острой объемной перегрузки и изучения гемодинамических эффектов таких изменений объема на общие периферические и центральные точки данных, используемые при мониторинге состояния объема. Этот метод должен послужить ценным инструментом, который поможет будущим ученым исследовать основные патофизиологические механизмы острой объемной перегрузки и оценить потенциальные превосходные методы мониторинга и инновации.

протокол

Протокол исследования был одобрен Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию Университета Вандербильта (протокол M1800176-00) и строго соответствовал рекомендациям Национального института здравоохранения по уходу и использованию лабораторных животных. В этом эксперименте используются самцы и самки йоркширских свиней и поросят весом примерно 40-45 кг и 4-10 кг. Настоящий подход не включает в себя скрининг ранее существовавших заболеваний у заказанных свиней. Признавая, что такая практика потенциально может повлиять на желаемые результаты или затруднить их, важно отметить, что, по информации поставщика, вероятность такого вмешательства низка. Ограничение признается и принимается как неотъемлемый аспект процедуры.

1. Анестезия и вентиляция легких

1. Взрослая модель свиньи
   1. Обезболивайте свинью путем медленного введения кетамина (2,2 мг/кг)/ксилазина (2,2 мг/кг)/телазола (4,4 мг/кг) внутримышечно (в/м). Сразу после индукции внутривенный (IV) катетер 18-24G помещается в центральную или краевую ушную вену на задней стороне ушной раковины. Закрепите внутривенный катетер 1-дюймовой клейкой лентой.
   2. Поместите свинью на операционный стол в положение лежа на спине. Попросите независимого лаборанта на животных, ответственного за контроль конкретных параметров, оценить глубину анестезии, определяемую такими факторами, как жизненно важные показатели, реакция на раздражители, наличие или отсутствие движения, дряблость тона челюсти, колебания частоты сердечных сокращений, изменения уровня_CO2 в конце выдоха и колебания частоты дыхания. Эти оценки помогают скорректировать дозировку ингаляционного анестетика.
   3. Эндотрахеально интубировать свинью с помощью эндотрахеальной трубки диаметром 6,5 мм, посредством прямой ларингоскопии, и накачать эндотрахеальную манжету 3-5 мл воздуха. Поддерживайте свинью на контролируемой по объему вентиляции с дыхательным объемом 8 мл/кг, частотой дыхания, титруемой до концентрационного_CO2 в конце выдоха 35-40 мм рт.ст., и положительным давлением в конце выдоха 5 см_H2O. Поддерживайте анестезию с помощью ингаляции 1% изофлурана.
   4. Установите катетер Фолея в уретру для контроля объема диуреза у самок свиней и хирургически установите его у самцов свиней на фоне анатомической сложности введения Фолея через мочеиспускательный канал.
2. Модель поросенка
   1. Введите раствор для анестезии кетамина (2,2 мг/кг)/ксилазина (2,2 мг/кг)/телазола (4,4 мг/кг)/дексмедетомидина (0,005 мг/кг) примерно 5-недельному поросенку (что эквивалентно примерно 12-месячному человеку) путем внутримышечной (в/м) инъекции. Затем немедленно установите 22-24G внутривенно в наилучшую доступную вену, скорее всего, на задней стороне ушной раковины.
   2. Поместите поросенка на операционный стол, в положение лежа на спине.
   3. С помощью прямой ларингоскопии эндотрахеально интубируют поросенка эндотрахеальной трубкой диаметром 4,5-5,5 мм. Надуйте манжету эндотрахеальной трубки 3-5 мл воздуха с помощью шприца без прикрепленной к нему иглы. Поддерживайте анестезию 1% изофлураном с повторным введением дексмедетомидина (0,005 - 0,01 мг/кг внутривенно) каждые 2 ч по мере необходимости в зависимости от глубины анестезии, оцененной на момент повторной дозы.
   4. С помощью вентиляции с регулируемым объемом поддерживайте дыхательный объем 8 мл/кг, частоту дыхания, титруемую до уровня_CO2 в конце выдоха 35-40 мм рт.ст., и положительное давление в конце выдоха 5 см H₂O.
   5. Поместите катетер Фолея в мочеиспускательный канал для контроля объема диуреза у самок поросят. Установите катетер Фолея хирургическим путем у поросят мужского пола на фоне анатомической трудности введения катетера Фолея через мочеиспускательный канал.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Кроме того, введение анальгетиков бупренорфин/дексмедетомидина будет осуществляться путем болюсного введения по мере необходимости. Для поддержания постоянства частота дыхания на аппарате искусственной вентиляции легких будет регулироваться таким образом, чтобы поддерживать уровень_CO2 в конце прилива в диапазоне 35-40 мм рт.ст. на протяжении всего эксперимента.

2. Установка канюляционных и контрольных устройств

1. Взрослая модель свиньи
   1. Продезинфицируйте всю переднюю часть шеи 2% раствором хлоргексидина и затем распылите 5% раствор повидон-йода¹⁴.
   2. Хирургическим путем обнажают правую и левую наружные яремные вены (EJ) и внутренние сонные артерии (CA) с двусторонними вертикальными разрезами непосредственно латерально от трахеи и рассекают вниз до сосудистой сети с помощью монополярного прижигания.
   3. При необходимости рассекайте мышцы ремня и тракт с помощью тканевых ножниц Келли и ретракторов Лахи и/или тканевых щипцов¹⁴. Обнажайте двусторонние ЭЖ и КА.
   4. Поместите две французские (Fr) канюли 8,5 в правую EJ по методу Сельдингера¹⁵. После канюлирования установите катетер легочной артерии 7 Fr (PAC) через проводник правой EJ. Используйте этот правильный катетер EJ и PAC для мониторинга гемодинамики.
   5. Канюлируйте левый EJ с помощью канюли 10 Fr и подключите ее к специальной трубке роликового насоса, загрунтованной раствором PlasmaLyte.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Наружные яремные вены, как правило, имеют больший диаметр и более подходящий угол для катетеризации сердца. Именно по этим причинам мы решили канюлировать EJ над внутренней яремной мышцей (IJ)^{в экспериментах} на свиньях.
   6. Используя метод Сельдингера¹⁵ , поместите артериальную литерию 4 Fr в правый КА для инвазивного мониторинга артериального давления на протяжении всего эксперимента.
   7. Прикрепите нужный монитор к скребку.
      1. Контролируйте частоту сердечных сокращений (ЧСС) с помощью телеметрических проводов, а также систолическое артериальное давление (САД), диастолическое артериальное давление (ДАД) и среднее артериальное давление (MAP), подключив датчик давления, подключенный к усилителю артериального давления, к катетеру КА.
      2. Контролируйте среднее давление в легочной артерии (MPAP), систолическое давление в легочной артерии (SPAP), диастолическое давление в легочной артерии (DPAP) и центральное венозное давление (CVP), прикрепив датчик давления, прикрепленный к усилителю артериального давления, к соответствующим портам PAC.
      3. Определите пульсовое давление, найдя отклонение между САД и ДАД. Чтобы рассчитать вариабельность пульсового давления (PPV), вычислите колебания между пиковыми уровнями пульсового давления как во время вдоха, так и на выдохе в течение дыхательного цикла.
      4. Рассчитывайте измерения PPV с помощью модуля артериального давления LabChart 8, работающего на системе PowerLab. В этом параметре выберите 3 минуты данных в канале артериальной магистрали, где минимальная пиковая высота установлена на 10 мм рт.ст. и циклы усреднены за 10 циклов. В программном модуле пики каждого импульсного цикла могут быть автоматически рассчитаны и визуально подтверждены. Полученное минимальное импульсное давление и максимальное импульсное давление затем используются для расчета PPV.
      5. Выполните термодилюирование сердечного выброса (CO) с помощью калибровки объема/температуры для конкретного устройства. Получите давление в клин легочного капилляра (PCWP) путем надувания баллона PAC 1,5 мл воздуха и продвижения катетера до тех пор, пока не будет визуализированы как V, так и A-волны, представляющие собой ограниченный поток крови справа налево. Считывание PCWP по значению волны А в конце экспирации.
   8. Вводите PlasmaLyte¹⁶ со скоростью приблизительно 100 мл/мин для получения исходного PCWP 8-10 мм рт.ст. (эуволемия) до начала острой объемной перегрузки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Общий объем, необходимый для достижения эуволемии, варьируется в зависимости от множества переменных, рассмотренных в Обсуждении. В среднем около 500 мл требуется свиньям, проходящим этот экспериментальный протокол в Медицинском центре Университета Вандербильта. В этой модели в качестве сбалансированного буферизованного кристаллоидного раствора используется PlasmaLyte. Вполне вероятно, что любой другой сбалансированный буферизованный кристаллоид (например, Normosol-R, Lactated Ringer's) даст аналогичные результаты. В данной модели следует избегать небуферизованного, кислого нормального физиологического раствора, чтобы избежать известной потери целостности мембраны эндотелиальных клеток, эндотелиальной дисфункции и ацидоза, вызванного нормальным физиологическим раствором¹⁶.
2. Модель поросенка
   1. Как и взрослые свиньи, поросята после обезболивания и искусственной вентиляции легких дезинфицируют всю переднюю часть шеи 2% раствором хлоргексидина, а затем распыляют 5% раствором повидон-йода¹⁴. У поросят канюлируют только правую EJ, сонную артерию и левую бедренную артерии.
   2. Хирургическим путем обнажают правую вену EJ и внутренний CA с правосторонним вертикальным разрезом непосредственно латерально к трахее и рассекают вниз до сосудистой сети с помощью монополярного прижигания.
   3. При необходимости рассекайте мышцы ремня и тракт с помощью тканевых ножниц Келли и ретракторов Лахи и/или тканевых щипцов¹⁴. Обнажите правосторонние EJ и CA.
   4. Продезинфицируйте нижнюю часть живота и лобковую область поросенка 2% раствором скраба хлоргексидина и затем распылите 5% раствор повидон-йода. Хирургическим путем обнажают левую бедренную артерию (ЛЖ) классической продольной техникой, как описано в¹⁷.
   5. Поместите интродьюсер центрального венозного катетера 6 Fr в правый EJ, а затем 5 Fr PAC в легочную артерию.
   6. Расположите два 3 артериальных катетера Fr: один в правой КА, а другой в левой ФА. Посвятите левый катетер ФА для забора крови для частого анализа газов артериальной крови. Используйте открытый порт, связанный с интродьюсером PAC, для введения объема с помощью шприца объемом 60 мл.
   7. Вводите PlasmaLyte¹⁶ в дозе 10 мл/кг с помощью шприца объемом 60 мл с постоянной скоростью нажатия, останавливаясь после каждого болюса для получения PCWP и прекращая после достижения значения 8-10 мм рт.ст. (эуволемия).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Общий объем, необходимый для достижения эуволемии, варьируется в зависимости от множества переменных, рассмотренных в обсуждении данной рукописи. В среднем требуется около 50-100 мл поросятам, проходящим этот экспериментальный протокол в Медицинском центре Университета Вандербильта.

3. Администрирование объема

1. Взрослая модель свиньи
   1. После завершения канюляции и достижения эуволемии введите теплый кристаллоидный раствор PlasmaLyte с шагом 500 мл со скоростью 100 мл/мин (Рисунок 1).
   2. Подтвердите регистрацию гемодинамических конечных точек: ЧСС, фракция насыщенного кислородом гемоглобина (SpO₂), частота дыхания (ОР), углекислый газ в конце выдоха (ETCO₂), CVP, SBP, DBP, MAP, PPV, SPAP, DPAP и MPAP.
   3. Выполняйте необходимые процедуры для получения статических измерений (CO и PCWP) после каждых 500 мл объема до эвтаназии, которая будет иметь место при общем объеме 5 литров или до тех пор, пока не произойдет снижение CO на 15% по сравнению с предыдущим измерением, в зависимости от того, что произойдет раньше.
      Примечание: Падение CO представляет собой начало нисходящей ветви кривой Старлинга¹⁸. На этом этапе объемная перегрузка приводит к расширению сердца за пределы оптимальной длины для сокращения мышечных волокон, что приводит к нарушению сокращения и снижению CO¹⁸.
   4. При эуволемии и в конце введения общего объема проводят анализ газов артериальной крови для получения частичного артериального давления кислорода (_PaO2), pH, лактата и избытка основания свиньи.
   5. Записывайте диурез (мл) после каждого приращения 500 мл кристаллоидного раствора PlasmaLyte. Рекомендуется обнулить мочу после достижения эуволемии. Усыпляют свинью либо при общем объеме 5 л, либо при снижении концентрации СО на 15%, в зависимости от того, что произойдет раньше.
2. Модель поросенка
   1. После успешной канюляции и достижения эуволемии вводите плазмолит с шагом 20 мл/кг с помощью болюсного шприца каждые 10 минут (Рисунок 1).
   2. Подтвердите запись гемодинамических параметров (HR, RR, SpO₂, EtCO₂, CVP, SBP, DBP, MPAP, PPV и MPAP). Измеряйте PCWP после каждых 10 мл/кг болюса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за требуемого объема и сопротивления, создаваемого малым внутренним диаметром 5 Fr PAC, терморазведение CO у поросят не проводится. Вместо этого для расчета CO используется метод Фика^19,20. Речь идет о получении фракции насыщенного кислородом гемоглобина из крови легочной артерии (SvO₂), что проводится одновременно с анализом газов артериальной крови.
   3. Проводите анализ газов артериальной крови после каждых 20 мл/кг объемного болюса для получения избытка PaO₂, pH, лактата и оснований.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая ограничения многих из этих инвазивных точек данных в рутинной клинической помощи, трансторакальная эхокардиография (ТТЭ) проводится после каждых 20 мл/кг болюса на модели поросенка для измерения диаметров пиковой систолической скорости (ПСВ) и выходного тракта левого желудочка (ЛЖОТ) аортального кровотока - двух точек данных, используемых в педиатрической клинической практике для оценки объемного состояния пациента.
   4. Выполните ТТЭ для измерения точек данных по диаметру PSV и LVOT после каждого болюса 20 мл/кг. Записывайте диурез после каждых 20 мл/кг болюса. Усыпляют поросенка либо при общем объеме 500 мл, либо при снижении концентрации СО на 15%, в зависимости от того, что произойдет раньше.

4. Эвтаназия как взрослым свиньям, так и поросятам

1. Подтвердите поддержание 1% изофлурана. Вызвать остановку сердца путем внутривенного введения пентобарбитала натрия (125 мг/кг). Подтвердите отсутствие жизненно важных показателей после инъекции, чтобы подтвердить смерть.

Результаты

Предварительные репрезентативные пилотные данные после линейного регрессионного анализа для модели взрослых свиней продемонстрировали линейность введения объема у первых восьми свиней (рис. 2). В то время как в ходе этого эксперимента были измерены ?...

Обсуждение

Этот протокол состоит из двух важнейших этапов. Во-первых, крайне важно, чтобы было затрачено время на получение соответствующей канюляции и обеспечение позиционирования гемодинамического/объемного мониторинга. Как во взрослой модели, так и в моделях поросят, необхо...

Материалы

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.)