cardiopulmonary bypass (cpb) circuit setup for cardiac arrest and resuscitation in pediatric animal model

Réanimation cardio-pulmonaire extracorporelle dans un modèle animal après un arrêt cardiaque

Congenital heart disease (CHD) is the most prevalent congenital malformation, with about one million births impacted&#160;worldwide per year1. Though modern advances in cardiothoracic surgery (CTS) and intensive care treatment have improved mortality rates, comorbidities remain extremely common2,3,4,5. Neurodevelopmental abnormalities, including cognitive and motor impairments as well as learning disabilities, are reported in around 25%-50% of these patients6,7,8. Surgery during the first days of life, especially those that require circulatory and cardiac arrest (CA), has been demonstrated to increase morbidity9. Hemodynamic alterations during surgery may have an important effect on the vulnerable developing newborn brain. Experimental models are essential to better understand the origin of these abnormalities and investigate neuroprotective strategies to improve the prognoses of these patients.
The use of animal models to study this population has been widely documented5,10,11,12,13,14. Notably, piglets offer an excellent option, given close approximations in cardiac anatomy (Figure 1), genome, and physiology, as well as their relatively larger size in comparison to other animal models15 (Figure 2). The use of piglet models to study the effects of both cardiopulmonary bypass (CPB) and CA has been previously described. These experimental animal models are useful for studying hemodynamic changes and associated end-tissue organ complications14,16,17,18,19,20. These models were developed to allow researchers to study human conditions in a controlled setting, with flexibility for a variety of experimental conditions. Most studies report the use of central cannulation, a technique that demands advanced surgical skills, requires higher resource utilization, and makes it difficult to ensure long-term survival. Though previous studies have documented the use of piglets in studying CPB12,15, few have proposed the peripheral cannulation technique.
This new peripheral cannulation technique is easier, less aggressive, and more feasible when compared to other published studies19. Moreover, validating this technique in newborns and small animals is novel and should be considered for use by all researchers interested in using an animal model to study CHD and its associated comorbidities. It is particularly appropriate for individuals with access to a laboratory equipped with supplies, resources, and personnel experienced in conducting animal model experiments.
In summary, the main aim of this study is to describe and validate a neonatal piglet model of CPB with CA. The protocol aims to study severe brain damage and other possible complications of CPB surgery in a controlled setting with varying experimental conditions. This method provides a model that is generalizable, reliable, and of high quality, which can be used for a wide variety of experimental protocols.

Pleins feux sur l’auteur : Simulation de la chirurgie cardiaque pédiatrique à l’aide d’un modèle de porcelet néonatal

Modèle animal pédiatrique de réanimation cardiorespiratoire extracorporelle après arrêt circulatoire prolongé

Mortality rates for children with congenital heart defects have improved significantly in recent years given improvements in cardiac surgery. However, comorbidities remain extremely common, and that's the goal of our lab. We aim to investigate these comorbidities, uncover underlying causes, and develop preventative measures.Right now, we are studying neuro abnormalities that develop after cardiac surgery. This protocol offers a feasible and reproducible animal model of simulating pediatric cardiac surgery. So with that, researchers can use it as a base to test many different experimental conditions and a wide variety of other hypotheses.The peripheral cannulation technique for porcine cardiopulmonary bypass in our model is both practical and cost effective. Furthermore, it does allow a more reliable way to assess postoperative outcomes than the traditional central cannulation technique. The flexibility of our model encourages future work in congenital heart disease and comorbidity studies.For example, our lab is currently planning to expand this model to study real-time monitoring of cerebral parameters such as oxygenation status and cerebral blood flow.

Configuration du circuit de dérivation cardiorespiratoire (CPB) pour l’arrêt cardiaque et la réanimation dans un modèle animal pédiatrique

Pour commencer, placez le porcelet anesthésié de quatre à six jours en position couchée dorsale. Après avoir effectué l’intubation orotrachéale à l’aide d’un tube à ballonnet, auscultez les bases pulmonaires pour confirmer le placement approprié de la sonde endotrachéale. Mettez en place une ventilation mécanique et surveillez en permanence la profondeur de l’anesthésie pendant l’opération grâce à la fréquence cardiaque, à la pression artérielle et à la saturation en oxygène.Ajustez les paramètres ventilatoires et de sédation au besoin. Insérez ensuite un cathéter français 3 dans l’artère fémorale, suivi d’un cathéter français 4 dans la veine. Ensuite, amorcez le circuit de pontage cardiorespiratoire (CPB) en raccourcissant le tube CPB tout en maintenant une distance suffisante entre l’animal et la machine.Créez un pont tubulaire pour relier la sortie de l’oxygénateur à membrane et l’entrée de la pompe. Une fois que tous les points de connexion sont scellés, balayez le circuit avec 300 microlitres de solution saline d’héparine et 300 millilitres de sang frais de porc de donneur, suivis de bicarbonate de sodium, d’héparine et de gluconate de calcium. Une fois que le circuit CPB est prêt, exposez la veine jugulaire interne gauche et insérez-y le cathéter à aiguille.De même, exposez l’artère carotide droite pour préparer la canulation. Une fois qu’un flash sanguin est visible, insérez soigneusement un fil-guide dans le vaisseau. Enfilez un dilatateur sur le fil et dans le récipient.Retirez ensuite le dilatateur. Enfilez lentement une canule veineuse française d’environ quatre centimètres dans le vaisseau et retirez le fil, en vous assurant que la canule reste en place. Placez ensuite une canule artérielle pédiatrique française 6 dans l’artère carotide droite comme démontré précédemment avec la dilatation.Enfin, administrez un bolus d’héparine intraveineux à travers la canule artérielle nouvellement placée. Après avoir réussi à accéder, utilisez des sutures résorbables 3-0 pour fixer les deux canules à l’animal et du ruban adhésif pour éviter tout retrait par inadvertance. Connectez les canules au circuit CPB, en veillant à ce que la solution saline d’héparine soit ajoutée aux points de connexion pour empêcher l’air de pénétrer dans le circuit.Réglez le débit initial à 80 à 85 millilitres par kilogramme par minute. Pour provoquer un arrêt cardiaque, administrez neuf milliéquivalents de chlorure de potassium. Une fois le cœur arrêté, isolez l’animal du circuit.Maintenez ensuite le débit du circuit CPB pour qu’il circule à 1 500 tr/min. Après avoir atteint des conditions d’arrêt cardiaque appropriées, commencer la réanimation cardio-pulmonaire extracorporelle en reconnectant le porcelet au circuit CPB. Administrer trois millilitres de gluconate de calcium et six millilitres de bicarbonate de sodium par l’accès artériel périphérique, en ajoutant des doses si nécessaire.La canulation des vaisseaux et la BPC avec arrêt cardiaque ont atteint un taux de réussite de 92 % dans les expériences. L’IRM a montré des signes clairs de lésions cérébrales précoces chez les animaux atteints d’un arrêt cardiaque chez les animaux témoins ayant fait l’arrêt. La modalité d’imagerie du tenseur de diffusion aiguë a mieux identifié les signes d’infarctus que les autres séquences IRM conventionnelles.

Research

JoVE Journal

Medicine

Cardiopulmonary Bypass (CPB) Circuit Setup for Cardiac Arrest and Resuscitation in Pediatric Animal Model

Pediatric Animal Model of Extracorporeal Cardiopulmonary Resuscitation After Prolonged Circulatory Arrest

Congenital heart disease (CHD) is the most prevalent congenital malformation, with about one million births impacted worldwide per year. Comprehensive ...

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