本文旨在为研究人员提供建立婴儿猪出血性休克模型的详细且易于操作的指南。
方法文章
本文旨在为研究人员提供建立婴儿猪出血性休克模型的详细且易于操作的指南。
失血性休克是儿科患者发病和死亡的主要原因。由于儿科人群本身具有高度异质性,将已在成人中验证的临床指标用于指导儿童复苏治疗及不同疗法间的比较十分困难。因此,与成人相比,儿童失血性休克的恰当管理方案至今仍未明确。此外,失血性休克儿科患者的稀缺性也限制了具有临床相关性研究的开展。基于此,建立一种实验性的儿科动物模型对于研究儿童在出血情况下的生理反应及其对不同治疗措施的响应至关重要。本文介绍一种在麻醉幼猪中建立的容积控制型失血性休克的婴儿动物模型。通过抽取预先计算的血容量诱导出血,随后对动物进行监测并采用不同疗法进行复苏。本文描述了一种精确且高度可重复的未成熟猪失血性休克模型。该模型可获得血流动力学数据,用于表征机体在严重出血后激活的代偿机制。
由于创伤导致的危及生命的出血虽然不常见,但仍是儿童患者死亡的首要原因1,2。其他导致出血性休克的原因包括出血热、胃肠道出血、肝脏手术以及心脏手术,尤其是使用体外循环时3。
与成人人群不同,目前关于儿童失血性休克管理的证据尚不充分,现有做法主要基于专家意见,或直接沿用成人治疗方案2,4。然而,将成人管理策略直接应用于儿童可能并不恰当。例如,已在成人中验证的临床指标由于不同年龄组之间存在的生理异质性以及儿童人群中占主导的创伤模式差异,难以外推至儿科患者。因此,用于触发对儿童患者进行干预的具体终点指标尚未明确。此外,目前尚缺乏充分证据说明在成人中应用的治疗措施可能对儿童产生的有害影响2,4,5。
鉴于上述情况,仍需进一步研究以确定触发干预措施的具体复苏阈值,并更好地明确哪些疗法最适合儿童失血性休克。然而,由于患儿数量有限,以及从新生儿期到青春期的儿科人群本身存在前述的高度异质性,要在儿童中开展高质量且具有临床相关性的危及生命的大出血研究十分困难。
除了儿科患者临床研究存在困难外,出血性休克的临床相关性也凸显了在动物模型上开展临床前评估的必要性,以研究儿童出血性休克后的病理生理过程,并比较不同治疗方法的效果。已有多种动物模型被广泛用于出血性休克的研究6,7,8,9。 由于猪在解剖学和生理学上与人类高度相似,因此在生物医学研究中具有重要价值。关于使用特定婴儿模型的优势,证据表明,幼猪的血流动力学以及呼吸、血液学和代谢系统与人类儿童高度相似9。这为模拟儿童出血性休克的临床情景提供了独特的机会。
在此模型中,通过抽取预先计算的血容量来诱导出血。随后对猪进行监测,并给予不同的复苏液体。
本文介绍了一种在未成熟猪中建立的精确且高度可重复的失血性休克模型。该模型可获得表征机体对严重失血所激活的代偿机制的血流动力学数据。
本方案中的实验已获得西班牙马德里格雷戈里奥·马拉尼翁大学医院动物研究机构伦理委员会以及马德里自治区农业与环境委员会的批准(许可编号:12/0013)。研究全程遵循欧洲和西班牙关于实验动物伦理护理与使用的指导原则。实验在西班牙马德里格雷戈里奥·马拉尼翁大学医院实验医学与外科学系完成。
注意:所选用的动物模型为健康的2-3月龄(8-12 kg)小型猪(Sus scrofa domestica)。小型猪是由三个不同品种杂交培育而成,适用于生物医学研究。这些动物具有高度一致的遗传背景,由位于马德里的专门授权繁育机构(IMIDRA)提供,该机构保持三个纯合遗传品系的纯度。实验中雄性和雌性动物可互换使用。动物饲以标准猪饲料,并至少观察2天以确保健康状况良好。实验前一晚停止进食,但不禁水,以降低误吸风险。一次典型的实验大约需要6小时完成,包括30分钟麻醉诱导和手术准备、60分钟仪器连接、30分钟恢复期、60分钟放血诱导及后续稳定期、30分钟复苏期,以及120分钟随访期。
1. 麻醉、插管与机械通气
2. 仪器设备
3. 血流动力学与灌注监测
4. 诱导出血性休克
5. 输注与随访
6. 实验结束与安乐死
该模型已成功应用于多项实验,用于研究出血性休克及随后复苏过程中大循环和微循环的变化,并比较不同液体和血管活性药物的效果16,17,18,19。
考虑到对休克的反应,该模型 consistently 表明,控制性出血会导致血流动力学参数以及脑部和组织灌注发生显著变化。
在容量抽出后,可检测到显著的心动过速和平均动脉压、心脏指数、每搏指数、血容量参数(全局舒张末期容积指数和胸腔内血容积指数)、颈动脉血流量的下降,以及全身血管阻力指数的升高(图1 和 图2).
关于全身灌注参数,乳酸显著升高,而ScvO2、CuTBF和bTO则下降(图3)。中心静脉压、Dt/Dpmax和ELW的变化通常未被记录。
在实验室参数方面,血红蛋白含量和红细胞比容在给予液体之前不会下降。控制性失血后,白蛋白浓度降低,肌钙蛋白水平显著升高。其他参数,包括核心温度、PaO2、PaCO2、动脉血氧饱和度、EtCO2、电解质以及肾功能和肝功能相关指标,通常保持稳定。
除了可用于分析休克状态下心血管和生化反应外,该模型还能够有效区分不同的复苏液体。
在以往的研究中,我们旨在确定在婴儿动物的出血性休克模型中,使用较低体积的高渗液体(单独使用或联合不同血管加压药)与生理盐水相比,是否能够改善整体血流动力学和灌注参数。
如先前报道,我们持续观察到输注高渗液体产生的反应与输注两倍体积等渗液体相似16,17,18。
更具体而言,与单独使用生理盐水或高渗盐水相比,白蛋白联合高渗盐水可产生更显著且更持久的容量扩张效果,在心率(HR)、每搏指数(SVI)和脉压变异度(PPV)方面存在显著差异,且在容量扩张后未出现血压和全心舒张末期容积指数(GEDVI)进行性下降的情况,而其他组别则观察到了此类变化(图1 和 图2)。此外,我们还观察到高渗白蛋白组的灌注参数改善更为明显,表现为脑组织氧合指数(bTOI)和脑动脉血流(CaBF)的增幅更大,乳酸水平的降幅也大于其他组别,以上变化均以液体复苏开始时为比较基准(图3)。我们认为,这种差异可能继发于白蛋白具有更强的增加血容量能力,并且在血管内腔室中停留时间较生理盐水更长。值得注意的是,我们在液体复苏开始时加用单次特利加压素推注后,观察到其效果与高渗白蛋白组相似,在血流动力学或灌注参数方面并未带来额外益处17,18。

图1:血流动力学参数。(A)心率的变化,(B)平均动脉压,(C)基线时(t0')的心脏指数,以及(D)基线时(t0')的体循环血管阻力指数。实验过程中各时间点:控制性出血结束时(Shock30');输注开始时,即控制性出血结束后30分钟(Res0');输注结束时(Res30');输注结束后30分钟随访(Obs30');输注结束后60分钟随访(Obs60');输注结束后90分钟随访(Obs90')。(*) 与同组基线相比差异有统计学意义(p < 0.05)。(‡) 与同组出血后相比,p < 0.05。(#) 与NS组相比,p < 0.05。缩写:NS = 生理盐水;AHS = 高渗盐水白蛋白;TAHS = 特利加压素联合高渗盐水白蛋白。数据以均值±标准差表示。本图经Urbano等17许可改编。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:血容量参数。(A)每搏输出量指数的变化,(B)脉压变异度,以及(C)舒张末期全心舒张末期容积指数在基线水平(t0')。在实验过程中:控制性失血结束时(Shock30');控制性失血结束后30分钟开始输注(Res0');输注结束时(Res30');输注结束后30分钟随访(Obs30');输注结束后60分钟随访(Obs60');输注结束后90分钟随访(Obs90')。(*) 与同组基线相比差异有统计学意义(p < 0.05)。(‡) 与同组失血后相比,p < 0.05。(#) 与NS组相比,p < 0.05。缩写:NS = 生理盐水;AHS = 高渗盐水白蛋白;TAHS = 特利加压素联合高渗盐水白蛋白。数据以均值±标准差表示。本图经Urbano等17许可改编。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:全身灌注参数。 (A)动脉血乳酸水平的变化,(B)中心静脉血氧饱和度,以及(C)基线时(t0')的脑组织氧合指数。在实验过程中各时间点:控制性失血结束时(Shock30');控制性失血结束后30分钟开始输注时(Res0');输注结束时(Res30');输注结束后30分钟随访(Obs30');输注结束后60分钟随访(Obs60');输注结束后90分钟随访(Obs90')。(*) 与同组基线相比差异有统计学意义(p < 0.05)。(‡) 与同组出血后相比,p < 0.05。(#) 与NS组相比,p < 0.05。数据以均值±标准差表示。本图经Urbano等17许可改编。请点击此处查看此图的放大版本。
由于幼猪具有某些解剖学和生理学特征,对其进行操作可能较为复杂且存在潜在的生命危险。为了获得一致的实验结果并减少动物损耗,有一些关键步骤需要仔细考虑。首先,必须达到足够的镇静水平,以最大程度地减少动物的应激反应;如果应激反应过度,可能因内源性儿茶酚胺释放而影响实验结果。此外,应避免肌内注射与气管插管之间的延迟,因为动物可能出现严重应激反应,表现为心动过速和不可逆的代谢性酸中毒,进而导致实验提前终止。尽管其他研究团队已成功使用吸入性麻醉剂20,21,但我们更倾向于使用静脉用药,因为吸入性镇静剂无法通过间接测热法测量呼吸气体交换。根据我们的经验,丙泊酚联合芬太尼效果良好,且不良反应极少。在整个实验过程中,精细的体温管理是该方案的另一个关键环节,因为体温的快速变化会显著影响动物对休克的血流动力学反应,可能导致结果失真,甚至最终导致实验失败。
仪器操作的另一个关键环节是插管,鉴于猪的解剖学特点及其易发生喉痉挛的特性,该操作应由至少一名有经验的操作者执行,建议使用导丝并辅以肌肉松弛10,22。由于动物体型较小,血管插管也可能具有挑战性。对于股动脉通路,建议采用超声引导下穿刺,因为这些血管位置较深,通常直径较小,且走行和位置存在个体差异22。对于颈部通路,我们采用外科手术方式暴露以放置颈动脉血流探头,但超声引导技术同样可行23,24。 通常优先选择颈外静脉插管,因其管径较宽、位置表浅,且周围结构较少22。导管插入后应立即用生理盐水冲洗,以防堵塞。我们不使用肝素,以避免凝血功能紊乱。此外,最初我们避免输注葡萄糖溶液,以防止额外液体输入对血流动力学反应造成干扰,但我们发现动物会出现严重且早期的低血糖。最后,即使使用麻醉及当前较为微创的技术,仪器操作仍会在动物体内引发显著的应激反应,因此在开始采血前应留出足够的恢复时间。关于出血性休克的诱导,我们建议按30 mL/kg的量放血,该剂量可引发显著的病理生理反应,同时保持较高的存活率。根据我们的经验,幼猪无法耐受更大程度的失血,死亡率较高。逐步放血也至关重要,因为快速放血可能导致严重的血流动力学不稳定及动物过早死亡。
尽管研究人员可选择多种物种和实验模型,但理想的动物失血性休克模型——即简单、易于重复且能准确模拟临床情况的模型——仍是一个挑战。小型动物模型(主要是小鼠和大鼠)常用于研究休克的病理生理机制。然而,其体型较小显著增加了手术和采样操作的难度。较大的动物(如犬和猪)在操作上更为昂贵和复杂,但由于其体型及与人类相近的生理特征,更适合用于治疗策略的临床前评估。然而,过去乃至现今使用犬类作为实验动物在伦理上存在争议。犬类作为实验模型并不比猪更具优势,且由于其智力水平以及人类与犬之间特殊的双向关系,使其在系统发育等级中处于更高位置6,7,8。
鉴于上述情况,成年猪由于在生理、体型和解剖结构上与成年人类高度相似,优于大多数其他物种,已被广泛用于心血管研究。然而,文献已明确表明,在心血管系统、血容量、体温调节以及对休克的反应方面,成年与儿科人类患者之间存在显著差异2,3,4。同时,证据表明这些差异同样适用于猪,且研究发现仔猪的心血管、脑血管、血液学及电解质特征与儿科人类患者非常相似9,25。此外,除了这两个物种在成年与婴儿之间存在的解剖和生理差异外,使用婴幼儿动物模型(尤其是小型猪)为测试临床实际使用的监测设备提供了可能。在许多情况下,这些设备的可靠性较低,原因仅仅是直接沿用了成人的算法、传感器或量表。以上各方面均凸显了建立特异性儿科动物模型的重要性,及其在向儿科临床实践转化中的相关价值。
除了动物种类外,目前在失血性休克研究中通常采用三种基本模型:控制性失血(按体积或压力控制)和非控制性失血。本文所述方案描述了一种固定体积失血模型,即在研究者设定的时间段内,移除一个固定的血液体积,该体积通常按体重百分比计算。相反,在固定压力失血模型中,动物被放血至预设的平均动脉压(MAP),然后在特定时间段内通过周期性放血或输液维持该血压水平,具体操作取决于动物种类以及休克的程度或结局。固定体积和固定压力两种失血性休克模型均能在受控条件下研究休克引起的病理生理变化,在可重复性和标准化方面具有明显优势。然而,它们的主要局限性在于无法研究不同复苏策略对活动性出血的影响,因为在出血未手术控制前进行积极的液体复苏已被证实会增加出血量并降低存活率,其机制与抑制血栓形成及升高平均血压有关。通过标准化的血管损伤(如肝脏和脾脏的压榨/撕裂伤、动脉损伤或肢体截除)诱导的非控制性失血模型被认为更能反映临床实际情况,从而有助于更好地理解不同液体复苏策略及其他干预措施(如低温疗法和止血产品)的效果。然而,尽管这类非控制性失血模型在临床上最具相关性,但在标准化和可重复性方面存在明显不足。综上所述,似乎并不存在理想的动物模型,因此该领域的研究必须在临床相关性与实验的标准化及可靠性之间取得平衡6,7,8,9,26。
本研究中描述的模型在心血管研究领域可能具有广泛的应用前景,例如可用于研究休克期间的内皮功能障碍和微循环改变18,以及验证不同的血流动力学监测系统。此外,该模型还可应用于其他研究领域,可用于研究严重出血后的内分泌或免疫反应,以及评估不同液体和血管加压药的副作用。然而,在针对不同复苏策略的研究中,建议在将相关干预措施应用于临床实践之前,先在非控制性出血模型中研究其效应7,26。
除了将实验结果外推到现实生活存在困难之外,该模型还存在其他局限性。首先,实验设置中存在一些混杂变量,例如使用麻醉剂或机械通气,这些因素可能减弱休克期间的生理反应,从而增加结果解释的复杂性。此外,动物在仪器操作过程中产生的应激反应以及温度控制可能通过不同机制影响宏观和微循环。另一个与实验需求及资源可及性相关的重要的模型局限性是创伤后观察期较短,这进一步限制了对失血性休克长期后果的研究。另外,尽管人类与猪在生理上具有相似性,但两者之间仍存在一些需要考虑的物种差异。例如,猪的凝血系统似乎更为高效27,28。 此外,乳酸和琥珀酸的血浆水平在不同物种间存在差异,而猪具有基础性碱中毒,这可能导致对失血对酸碱平衡影响程度的低估29。最后,众所周知,猪的炎症和免疫反应以及某些血管加压素受体也与人类不同9。还需将特定动物个体间的差异视为影响因素加以考虑。多项研究表明,在对休克的易感性方面存在性别差异,雌性个体相较于雄性具有显著的生存优势6,9。 然而,在本研究开展的实验中,我们选用相同年龄组且遗传背景相似的动物,以尽量减少物种本身固有的潜在变异性。
综上所述,本文提供了一种建立幼猪失血性休克模型的实用且逐步操作的指南。与其他现有模型相比,该方案可靠、易于遵循,在生物医学研究中具有广泛的应用性,既可用于研究严重失血后的病理生理反应,也可用于评估不同的复苏策略。
本研究作者不存在任何利益冲突。
本研究由卡洛斯三世健康研究所(Instituto de Salud Carlos III,ISCIII)通过项目“PI20/01706"资助,并由欧盟联合资助。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。我们谨向格雷戈里奥马腊尼翁儿科重症监护病房及格雷戈里奥马腊尼翁实验研究所的所有同事致以诚挚感谢,若无他们的努力,本项目无法得以实现。
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| 阿曲库铵 | Aspen Pharma Trading Limited,爱尔兰都柏林 | N/A | 肌肉松弛剂 |
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| 屏障型粘性开孔敷料 | Mölnlycke | 63621 | |
| BD祖绿注射器 5 mL、10 mL、20 mL | Becton Dickinson S.A | https://www.bd.com/en-eu/offerings/capabilities/syringes-and-needles/injection-syringes/bd-emerald-3-piece-syringe | 多种可用选项 |
| BLF21A 激光多普勒监测仪 | Transonic Systems Inc. | BLF21A | 皮肤血流监测仪 |
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