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

Rianimazione cardiopolmonare extracorporea in modello animale dopo arresto cardiaco

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.

Autore in primo piano: Simulazione della cardiochirurgia pediatrica utilizzando un modello di suinetto neonatale

Modello animale pediatrico di rianimazione cardiopolmonare extracorporea dopo arresto circolatorio prolungato

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.

Configurazione del circuito di bypass cardiopolmonare (CPB) per l'arresto cardiaco e la rianimazione in un modello animale pediatrico

Per iniziare, posizionare il maialino anestetizzato di quattro-sei giorni in posizione sdraiata dorsale. Dopo aver eseguito l'intubazione orotracheale utilizzando un tubo cuffiato, ausculare le basi polmonari per confermare il corretto posizionamento del tubo endotracheale. Imposta la ventilazione meccanica e monitora continuamente la profondità dell'anestesia durante l'intervento chirurgico attraverso la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna e la saturazione di ossigeno.Regolare i parametri di ventilazione e sedazione secondo necessità. Quindi inserire un catetere da 3 French nell'arteria femorale, seguito da un catetere da 4 French nella vena. Successivamente, avviare il circuito di bypass cardiopolmonare, o CPB, accorciando il tubo CPB mantenendo una distanza sufficiente tra l'animale e la macchina.Creare un ponte di tubi per collegare il flusso dell'ossigenatore a membrana e l'afflusso della pompa. Una volta sigillati tutti i punti di connessione, spazzare il circuito con 300 microlitri di soluzione salina di eparina e 300 millilitri di sangue fresco di suino donato, seguiti da bicarbonato di sodio, eparina e gluconato di calcio. Una volta che il circuito CPB è pronto, esporre la vena giugulare interna sinistra e inserire il catetere dell'ago al suo interno.Allo stesso modo, esporre l'arteria carotide destra per prepararsi all'incannulamento. Una volta che è visibile una lampata di sangue, inserire con cautela un filo guida nel vaso. Infilare un dilatatore sul filo e nel recipiente.Quindi rimuovere il dilatatore. Infilare lentamente una cannula venosa a 8 French a circa quattro centimetri nel vaso e rimuovere il filo, assicurandosi che la cannula rimanga in posizione. Quindi posizionare una cannula arteriosa pediatrica francese 6 nell'arteria carotide destra come precedentemente dimostrato con la dilatazione.Infine, somministrare un bolo di eparina per via endovenosa attraverso la cannula arteriosa appena posizionata. Dopo aver ottenuto l'accesso, utilizzare suture riassorbibili 3-0 per fissare entrambe le cannule all'animale e nastro adesivo per evitare la rimozione involontaria. Collegare le cannule al circuito CPB, assicurandosi che l'eparina salina venga aggiunta ai punti di connessione per evitare che l'aria entri nel circuito.Impostare il flusso iniziale da 80 a 85 millilitri per chilogrammo al minuto. Per indurre l'arresto cardiaco, somministrare nove milliequivalenti di cloruro di potassio. Una volta che il cuore si è fermato, isolare l'animale dal circuito.Quindi mantenere il flusso del circuito CPB per circolare a 1.500 giri/min. Dopo aver raggiunto le condizioni appropriate per l'arresto cardiaco, iniziare la rianimazione cardiopolmonare extracorporea ricollegando il suinetto al circuito CPB. Somministrare tre millilitri di gluconato di calcio e sei millilitri di bicarbonato di sodio attraverso l'accesso arterioso periferico, aggiungendo dosi se necessario.L'incannulamento dei vasi e la CPB con arresto cardiaco hanno raggiunto un tasso di successo del 92% negli esperimenti. La risonanza magnetica ha dimostrato chiari segni di danno cerebrale precoce nel CPB con animali in arresto cardiaco rispetto al controllo. La modalità di imaging del tensore di diffusione acuta ha identificato meglio i segni di infarto rispetto ad altre sequenze di risonanza magnetica convenzionali.

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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