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

Extrakorporale kardiopulmonale Reanimation im Tiermodell nach Herzstillstand

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.

Autor im Rampenlicht: Simulation der pädiatrischen Herzchirurgie anhand eines neonatalen Ferkelmodells

Pädiatrisches Tiermodell der extrakorporalen kardiopulmonalen Wiederbelebung nach längerem Kreislaufstillstand

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.

Aufbau eines kardiopulmonalen Bypasses (CPB) für Herzstillstand und Wiederbelebung im pädiatrischen Tiermodell

Zu Beginn legen Sie das vier bis sechs Tage alte anästhesierte Ferkel in die dorsale Liegeposition. Nach der Durchführung einer orotrachealen Intubation mit einem Schlauch mit Manschette auskultieren Sie die Lungenbasen, um die geeignete Platzierung des Endotrachealtubus zu bestätigen. Richten Sie eine mechanische Beatmung ein und überwachen Sie kontinuierlich die Narkosetiefe während der Operation durch Herzfrequenz, Blutdruck und Sauerstoffsättigung.Passen Sie die Beatmungs- und Sedierungsparameter nach Bedarf an. Führen Sie dann einen 3-French-Katheter in die Oberschenkelarterie ein, gefolgt von einem 4-French-Katheter in die Vene. Initiieren Sie als Nächstes den eingerichteten CPB-Kreislauf (CPB), indem Sie den CPB-Schlauch kürzen und dabei genügend Abstand zwischen dem Tier und der Maschine einhalten.Erstellen Sie eine Schlauchbrücke, um den Ausfluss des Membranoxygenators und den Pumpenzufluss zu verbinden. Sobald alle Verbindungspunkte versiegelt sind, spülen Sie den Kreislauf mit 300 Mikrolitern Heparin-Kochsalzlösung und 300 Millilitern frischem Spenderschweineblut, gefolgt von Natriumbicarbonat, Heparin und Calciumgluconat. Sobald der CPB-Kreislauf fertig ist, legen Sie die linke Vena jugularis interna frei und führen Sie den Nadelkatheter hinein.Legen Sie in ähnlicher Weise die rechte Halsschlagader frei, um die Kanülierung vorzubereiten. Sobald ein Blutblitz sichtbar ist, führen Sie vorsichtig einen Führungsdraht in das Gefäß ein. Fädeln Sie einen Dilatator über den Draht und in das Gefäß.Entfernen Sie dann den Dilatator. Fädeln Sie eine 8er Venenkanüle etwa vier Zentimeter langsam in das Gefäß ein und entfernen Sie den Draht, um sicherzustellen, dass die Kanüle an Ort und Stelle bleibt. Platzieren Sie dann eine 6 französische pädiatrische arterielle Kanüle in die rechte Halsschlagader, wie zuvor mit Dilatation demonstriert.Zum Schluss verabreichen Sie einen intravenösen Heparinbolus durch die neu platzierte arterielle Kanüle. Nachdem Sie den Zugang erreicht haben, verwenden Sie 3-0 resorbierbare Nähte, um beide Kanülen am Tier zu befestigen, und Klebeband, um eine versehentliche Entfernung zu verhindern. Schließen Sie die Kanülen an den CPB-Kreislauf an und stellen Sie sicher, dass Heparin-Kochsalzlösung zu den Verbindungspunkten hinzugefügt wird, um Luft im Kreislauf zu verhindern.Stellen Sie den Anfangsdurchfluss auf 80 bis 85 Milliliter pro Kilogramm und Minute ein. Um einen Herzstillstand herbeizuführen, verabreichen Sie neun Milliäquivalente Kaliumchlorid. Sobald das Herz angehalten ist, isolieren Sie das Tier aus dem Kreislauf.Halten Sie dann den Durchfluss des CPB-Kreislaufs so aufrecht, dass er bei 1.500 U/min zirkuliert. Nachdem Sie geeignete Bedingungen für einen Herzstillstand erreicht haben, beginnen Sie mit der extrakorporalen Herz-Lungen-Wiederbelebung, indem Sie das Ferkel wieder an den CPB-Kreislauf anschließen. Verabreichen Sie drei Milliliter Calciumgluconat und sechs Milliliter Natriumbicarbonat über den peripheren arteriellen Zugang und fügen Sie bei Bedarf Dosen hinzu.Die Gefäßkanülierung und die CPB mit Herzstillstand erreichten in den Experimenten eine Erfolgsquote von 92 %. MRTs zeigten deutliche Anzeichen einer frühen Hirnschädigung bei CPB bei Tieren mit Herzstillstand im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die Bildgebungsmodalität des akuten Diffusionstensors identifizierte die Anzeichen eines Infarkts besser als andere konventionelle MRT-Sequenzen.

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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