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

Extrakorporeal hjärt- och lungräddning i djurmodell efter hjärtstopp

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.

Författare i fokus: Simulering av hjärtkirurgi hos barn med hjälp av en modell av en neonatal smågris

Pediatrisk djurmodell av extrakorporeal hjärt- och lungräddning efter långvarigt cirkulationsstopp

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.

Inställning av kardiopulmonell bypass-krets (CPB) för hjärtstopp och återupplivning i pediatrisk djurmodell

Börja med att placera den fyra till sex dagar gamla bedövade smågrisen i ryggläge. Efter att ha utfört orotrakeal intubation med hjälp av en manschettförsedd tub, auskultera lungbaserna för att bekräfta lämplig placering av endotrakealtuben. Ställ in mekanisk ventilation och övervaka kontinuerligt anestesidjupet under operationen genom hjärtfrekvens, blodtryck och syremättnad.Justera ventilations- och sederingsparametrarna efter behov. Sätt sedan in en 3 fransk kateter i lårbensartären, följt av en 4 fransk kateter i venen. Initiera sedan den kardiopulmonella bypass-kretsen, eller CPB-kretsen, som ställts in genom att förkorta CPB-slangen samtidigt som man håller tillräckligt avstånd mellan djuret och maskinen.Skapa en rörbrygga för att ansluta membranoxygenatorns utflöde och pumpens inflöde. När alla anslutningspunkter är förseglade, sopa kretsen med 300 mikroliter heparin saltlösning och 300 milliliter färskt donerat grisblod, följt av natriumbikarbonat, heparin och kalciumglukonat. När CPB-kretsen är klar, exponera den vänstra inre halsvenen och sätt in nålkatetern i den.På samma sätt ska du exponera den högra halspulsådern för att förbereda dig för kanylering. När en blodblixt är synlig, sätt försiktigt in en guidekabel i kärlet. Trä en dilatator över tråden och in i kärlet.Ta sedan bort dilatatorn. Trä långsamt in en 8 fransk venkanyl cirka fyra centimeter i kärlet och ta bort tråden, se till att kanylen förblir på plats. Placera sedan en 6 fransk pediatrisk artärkanyl i den högra halspulsådern som tidigare visats med dilatation.Administrera slutligen en intravenös heparinbolus genom den nyligen placerade artärkanylen. Efter att ha uppnått åtkomst, använd 3-0 absorberbara suturer för att fixera både kanyler till djuret och tejp för att förhindra oavsiktlig borttagning. Anslut kanylerna till CPB-kretsen och se till att heparinsaltlösning tillsätts till anslutningspunkterna för att förhindra luft i kretsen.Ställ in det initiala flödet till 80 till 85 milliliter per kilogram per minut. För att framkalla hjärtstillestånd ska nio milliekvivalenter kaliumklorid ges. När hjärtat har stannat, isolera djuret från kretsen.Behåll sedan CPB-kretsens flöde så att det cirkulerar vid 1 500 varv per minut. Efter att ha uppnått lämpliga hjärtstoppsförhållanden, påbörja extrakorporeal hjärt- och lungräddning genom att återansluta smågrisen till CPB-kretsen. Administrera tre milliliter kalciumglukonat och sex milliliter natriumbikarbonat genom perifer arteriell åtkomst, lägg till doser vid behov.Kärlkanyleringen och CPB med hjärtstopp uppnådde 92% framgång i experimenten. Magnetröntgen visade tydliga tecken på tidig hjärnskada i CPB hos hjärtstoppsdjur jämfört med kontrollgruppen. Avbildningsmodaliteten för akut diffusionstensor identifierade tecknen på infarkt bättre än andra konventionella MR-sekvenser.

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 ...