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无线遥测设备植入单心室羊模型用于连续长期血流动力学监测

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DOI：

10.3791/68068

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2025年5月2日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Center for Regenerative Medicine, Abigail Wexner Research Institute at Nationwide Children's Hospital, 2Department of Surgery, The Ohio State University Wexner Medical Center, 3Biomedical Sciences Graduate Program, The Ohio State University College of Medicine, 4Department of Pediatric Cardiology, Nationwide Children's Hospital, 5Department of Pediatric Surgery, Nationwide Children's Hospital

本文内容

摘要

本方案描述了在大型动物中植入无线遥测设备的外科手术方法，以实现对血流动力学数据的连续和长期采集，包括心率、动脉血压、下腔静脉和上腔静脉压力以及心律。

摘要

尽管Fontan手术显著改善了单心室患者的生命预期，但众所周知，由于长期静脉压升高和心输出量降低，由此产生的循环状态在远期会导致显著的疾病负担。慢性Fontan动物模型对于研究该手术相关的晚期生理后果具有重要价值，同时也是评估旨在缓解Fontan循环衰竭的未来器械所必需的工具。然而，既往建立慢性Fontan模型的尝试常因动物术后存活率低而受限。此外，在自由活动的动物中有效采集血流动力学数据仍面临重大挑战。为此，无线可植入遥测系统的应用为心血管数据的实时和长期监测提供了创新解决方案。本方案描述了在Fontan存活绵羊模型中植入无线遥测装置的手术方法，从而实现对心率、动脉血压以及下腔静脉（IVC）和上腔静脉（SVC）局部压力等多种血流动力学参数的连续、长期记录。遥测装置通过颈动脉与颈内静脉或股动脉与股静脉插管，将压力传感器导管分别置入升主动脉和SVC，或腹主动脉和IVC。无线遥测系统的应用使得在单期Fontan手术后能够进行密切的术后监测，从而有助于改善动物福利和提高存活率。

引言

1971年Fontan手术的发展显著改善了单心室患者预后1。该手术的目的是将体循环和肺静脉回流分隔开，从而提高体循环氧合水平，并减轻体心室的容量负荷。自该手术问世以来，外科技术已历经多种改良。目前，完全性右心旁路通常通过分期重建实现2,3。通常第一阶段手术在出生后第一周内进行4。随后患者接受第二阶段手术，即Glenn手术或半Fontan手术，以将上腔静脉（SVC）的血流重新导向肺动脉（PA）5。最后进行Fontan手术，通过在下腔静脉（IVC）与肺动脉（PA）之间建立一个心外导管或侧壁隧道来完成6。Fontan手术发展史上的这些外科进步，若无动物模型的应用，将难以实现7。

尽管Fontan手术显著改善了单心室患者的生命预期，但众所周知，这种手术所产生的循环因缺乏肺动脉下泵功能，长期会导致中心静脉压（CVP）持续升高和心输出量降低，从而引发严重的疾病负担。8,9,10,11,12慢性Fontan动物模型对于研究该手术相关的远期生理结局具有重要价值13主动采集中心静脉压、心率及其他生命体征等心血管参数，以捕捉术后血流动力学变化，对于全面评估病理生理演变至关重要。此外，动物模型是测试新型心室辅助装置性能的必要工具，这些装置旨在改善Fontan循环的血流动力学缺陷。 体内14,15,16,17,18,19.

然而，有效的数据采集面临重大挑战。基于导管的侵入性技术因其短暂性、相关的操作风险以及无法对动物状况进行长期监测而受到限制。此外，此前建立大型动物Fontan模型的尝试因动物存活率低而受阻，这可能是由于正常心脏无法适应Fontan循环的急性建立所致7,20。为此，无线遥测系统的应用为自由活动动物的心血管数据实时、长期采集提供了新的解决方案21,22。这些设备还可实现术后密切监测，从而可能改善动物福利和存活率。

本文介绍了在慢性Fontan绵羊模型中成功植入和使用无线遥测系统23的方法学。该技术为连续血流动力学数据采集提供了稳健且可靠的手段，能够用于研究静脉压及其他关键生理参数。在临床前模型中应用此项技术，对于深入理解Fontan循环生理机制，以及开发旨在改善Fontan患者长期预后的新型治疗策略至关重要。

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方案

本实验方案已获得全美儿童医院艾比盖尔·韦克斯纳研究所机构动物照护与使用委员会批准（批准编号：AR20-00121）。所有操作均遵循美国国立卫生研究院《实验动物照护与使用指南》中规定的指导原则。本研究遵循《动物研究：In Vivo 实验报告》指南。实验所用多塞特绵羊体重范围为23–38 kg，年龄范围为2–12个月，在手术前至少1周内饲养于特定病原体阴性环境中，并可自由获取食物和水。本研究中使用的仪器和试剂列于材料表中。

1. 动物准备

  1. 在手术前1周，由兽医团队对绵羊进行评估，以确保其能够安全接受麻醉。健康绵羊术前禁食，并在手术前12小时禁水。
  2. 通过颈内静脉（IJ）注射氯胺酮（4 mg/kg）和地西泮（0.5 mg/kg）的组合进行镇静。
  3. 根据计划的手术步骤（如下详述）剃除绵羊相应部位的毛发，并剃除大腿部位以放置电凝负极板。用酒精清洁手术区域。
  4. 将一根8-9 mm的单腔气管导管插入气管。
  5. 插入经口胃管，用于胃和瘤胃的减压。
  6. 在右侧颈静脉或侧隐静脉插入单腔静脉导管（16-18 G），用于持续输液、丙泊酚持续输注（CRI）以及按需给药。
  7. 在耳动脉置入动脉导管（22-24 G），用于持续监测血压。
  8. 在右前肢放置血压袖带以进行无创血压测量，在耳部或舌部夹上探头监测血氧饱和度，并在四肢安放心电图（ECG）导联。
  9. 术中通过吸入1%-3%异氟烷联合100% O2 和/或持续输注丙泊酚（20-45 mg/kg/h）维持麻醉。
  10. 使用含氯己定的消毒剂无菌清洁手术区域，并按标准无菌操作进行铺巾。
  11. 切开前给予头孢唑林（25 mg/kg）作为抗生素预防用药，并根据需要在术中每4小时追加一次剂量。
  12. 在所有计划切口部位，切开前皮下注射局部麻醉药（如0.25%布比卡因）。

2. 遥测设备准备

  1. 打开遥测软件程序，并在遥测设备仍密封于原始包装内时，使用磁性开关将其开启。
  2. 在软件程序中，点击顶部菜单栏的 硬件，然后选择 编辑 PhysioTel 数字通信链路控制器 (CLC) 配置，以将遥测单元分配给通信链路控制器（CLC）。
  3. 选定一个 CLC 后，其 CLC 详细信息 页面将打开。在此页面中，点击 搜索植入设备，系统将开始搜索附近已开启的植入设备。
  4. 点击 添加，将遥测单元加入 已选植入设备 列表中。该设备将出现在 CLC 详细信息 页面的 已配置植入设备 列表中。点击 保存 和 退出。
  5. 在 采样控制 选项卡中，点击遥测单元名称旁的 播放 按钮以开始数据采集。显示实时数据采集的图表将自动打开。
  6. 将设备从外部包装中取出，并转移至无菌的内部包装中，放置于手术台上。
  7. 设备仍处于内部包装中时进行归零操作。等待设备测量值稳定持续 30 秒后，使用稳定的非脉动平均值（NPMN）压力值作为偏移量。
  8. 在 受试者设置 中，点击正在归零参数旁的设置图标，打开 偏移量 选项卡。将从 NPMN 测量中获得的偏移值输入文本框中。
  9. 输入偏移量后，检查 NPMN 读数是否为 0 ± 0.1 mmHg。若不在该范围内，请重复步骤 2.7，直至数值达到所需范围。
  10. 对两个压力通道均执行步骤 2.7 至 2.9。
  11. 在将压力传感导管插入血管前，轻敲导管尖端以识别其对应的通道。敲击信号将在波形输出中明显显示。
  12. 使用对应左心室压（LVP）通道的导管进行动脉压测量，使用血压（BP）通道对应的导管进行静脉压测量。
  13. 在 血压分析属性 对话框的 标准属性 选项卡中，将 BP 通道的 最小脉冲高度 设置为 1 mmHg。

3. 方法1：股动脉和股静脉插管

  1. 在绵羊右侧腹股沟周围以及腹部和胸部的广泛区域进行剃毛。
  2. 将绵羊仰卧位固定于手术台上，前肢用柔性布带屈曲固定，后肢用滑结绳索伸展固定，以便暴露腹股沟区域（图1A）。
  3. 在右侧腹股沟区作一长约5 cm的横向切口，切口中心位于可触及的股动脉处，约在腹股沟皱褶下方1 cm处。
  4. 结合使用电凝和钝性分离技术，逐层分离皮下组织，直至股三角区域；通过触诊动脉搏动定位股血管。
  5. 沿缝匠肌与长收肌的肌纤维走向进行分离，暴露股血管（图1B）。
  6. 结合钝性与锐性分离技术，完整环形剥离股血管周围的结缔组织。
  7. 在插管部位近端和远端，用双环的2-0丝线环绕两根血管，用于临时血管结扎。
  8. 在右侧下腹部皮肤作一长6 cm的横向切口，位置约在腹股沟皱褶上方3 cm处。
  9. 结合使用电凝和钝性分离技术，分离皮下脂肪和结缔组织，于腹外斜肌浅层创建一个6 cm × 4 cm的皮下腔隙。
  10. 将遥测装置置入皮下腔隙，并用2-0丝线缝合固定（图1C）。
  11. 将遥测装置的天线经皮下隧道引出，并用2-0丝线固定。
  12. 为放置生物电位（ECG）导联，分别在腹部中下部、上胸部及下胸部皮肤作长约1 cm的辅助切口；通过皮下隧道连接这些切口与装置主体所在腔隙，并将ECG导联引导至目标位置。
  13. 将正极电极置于胸骨下段左侧的皮下组织中；确保去除硅胶套管，暴露出下方钢丝电极的尖端。
  14. 将负极电极置于胸骨上段右侧的皮下组织中。
  15. 两条导联的多余导线可盘绕后用2-0丝线在皮下固定。
  16. 从下腹部装置所在的皮下腔隙向腹股沟切口处建立皮下隧道，并将两根压力导管经隧道引出。
  17. 在股动脉和股静脉的插管部位，使用6-0聚丙烯缝线作荷包缝合，可用塑料止血带固定。
  18. 用不可压缩的高黏度凝胶填充导管尖端，防止导管内发生凝血，并确保无气泡残留。
  19. 在插管前3分钟，静脉注射肝素（100单位/公斤）。
  20. 收紧股动脉近端和远端的2-0丝线止血带；使用#11刀片在荷包缝合中心处小心切开血管，并用弯止血钳尖端轻柔扩张。
  21. 插入对应LVP通道的压力导管，并将其推进至腹主动脉，同时松开近端丝线止血带以允许导管通过；随后收紧荷包缝线并将其结扎固定于导管周围。
  22. 对股静脉进行插管时，重复步骤3.20和3.21，使用对应BP通道的压力导管，并将其推进至腹腔下静脉（IVC）（图1D）。
  23. 通过荧光透视确认导管尖端在IVC和主动脉中的位置是否正确。
  24. 使用2-0可吸收缝线将缝匠肌重新对合。
  25. 分别使用3-0和4-0可吸收缝线进行深部真皮层缝合和皮内缝合，关闭皮肤切口。

4. 方法2：颈动脉和颈内静脉插管

  1. 在羊左侧颈部周围及胸部区域进行大面积剃毛。
  2. 将羊置于手术台上的右侧卧位，用滑结固定左前肢于屈曲状态，以暴露胸部（图2A）。
  3. 在左侧颈总动脉和颈内静脉上方做一条长约5 cm的纵向皮肤切口，位置约在胸廓入口 cranial 7 cm处。
  4. 使用电凝设备切开皮下脂肪、结缔组织和平滑肌，暴露颈部血管（图2B）。
  5. 结合钝性与锐性分离技术，完整游离左侧颈总动脉和颈内静脉周围的结缔组织。
  6. 在插管部位的近端和远端，用双环的2-0丝线环绕两根血管，用于临时结扎。
  7. 在左侧颈部基底部、肩胛骨与颈椎之间做一条6 cm长的纵向切口。
  8. 结合电凝和钝性分离，切开皮下脂肪和结缔组织，形成一个大小为6 cm × 4 cm、向脊柱方向延伸的皮下 pocket。
  9. 将遥测设备插入皮下 pocket，并用2-0丝线缝合固定。
  10. 将遥测设备的天线经皮下隧道引出，并用2-0丝线固定。
  11. 在颈部基底部、左下胸部和右上胸部分别做1 cm的辅助皮肤切口，用于放置心电图（ECG）导联。通过皮下隧道将这些切口与设备放置 pocket 连接，并引导ECG导联至预定位置（图2C）。
  12. ECG导联的放置方法参照上述股动脉植入术（第3节）中的步骤进行。
  13. 从侧方设备放置 pocket 创建一条皮下隧道至颈部内侧切口，并将两根压力导管穿入其中。在插管前，按照股动脉植入术中的说明，使用凝胶对压力导管进行预处理。
  14. 使用6-0聚丙烯缝线，在两根血管的插管部位周围缝制荷包缝合，并用塑料止血带固定。
  15. 在插管前3分钟，静脉注射肝素（100单位/kg）。
  16. 收紧颈总动脉近端和远端的2-0丝线止血带。使用#11刀片在荷包缝合中心处小心切开血管，并用弯止血钳尖端轻微扩张。
  17. 插入对应于左心室压（LVP）通道的压力导管，并将其推进至胸主动脉升部，松开近端丝线止血带以允许导管通过。收紧荷包缝线并将其结扎固定在导管周围。
  18. 重复步骤4.16和4.17，使用对应于血压（BP）通道的压力导管插入股静脉左侧颈内静脉，并将其推进至胸腔上腔静脉（SVC）。
  19. 通过透视成像确认导管尖端位于胸腔上腔静脉和升主动脉内的正确位置（图2D）。
  20. 使用2-0可吸收缝线缝合平滑肌（platysma）。
  21. 分别使用3-0和4-0可吸收缝线进行深部真皮层和皮下连续缝合，关闭皮肤切口。

5. 恢复

  1. 停止使用麻醉剂。当绵羊能够自主呼吸、不再依赖呼吸机时，拔除经口胃管并拔管。这种情况通常发生在绵羊出现觉醒迹象时（如肢体活动、眨眼、对疼痛刺激有反应、下颌张力恢复、咀嚼动作）。
  2. 移除动脉导管。
    注意：如果已将遥测装置的一个压力导管置入主动脉，则可通过该装置持续监测血压。
  3. 将绵羊转移至隔离饲养单元进行恢复。协助绵羊保持胸卧位，并在后续协助其站立。
  4. 术后给予静脉注射氟尼辛葡甲胺（2.2 mg/kg）和皮下注射布托啡诺 （0.03 mg/kg）以缓解疼痛（请遵循所在机构兽医的建议）。

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结果

手术结果
共有13只绵羊接受了单阶段Fontan手术，手术包括完全性腔静脉-肺动脉连接，即将上腔静脉（SVC）和下腔静脉（IVC）均从右心房分离，SVC与肺动脉（PA）行端侧直接吻合，并在IVC与PA之间置入一个心外导管。这些绵羊接受手术时的平均年龄为13.3 ± 7.6个月。其中，3只绵羊植入了无线遥测装置，并将压力感应导管置入腹主动脉和IVC；2只绵羊植入了遥测装置，并将压力感应导管置入升主动脉和SVC；另有8只绵羊未植入遥测装置。所有动物在植入遥测装置后均未出现任何重大术后并发症。在未植入遥测装置的8只绵羊中，有7只（87.5%）在Fontan手术后30天内死亡，而在植入遥测装置的5只绵羊中，仅有1只（20.0%）在此术后期间死亡（表1）。

血流动力学数据采集
无线遥测系统的植入实现了对心率、动脉血压和中心静脉压（CVP）等多种心血管参数的连续、长期数据采集。这使得能够在单阶段Fontan手术前、手术期间以及术后多天内对动物进行密切的血流动力学监测（

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讨论

我们开发了两种将无线遥测设备植入绵羊模型的外科手术方法。该设备已成功植入5只绵羊体内，用于连续、长期监测和记录多项心血管参数，包括心率、动脉血压以及来自腹部下腔静脉（IVC）和胸腔上腔静脉（SVC）的局部静脉压。所有绵羊在设备植入手术后均无重大并发症并顺利存活，并于一个月后接受了单阶段Fontan手术。

2019年，Van Puyvelde 等人报道了首个用于研究Fontan循环慢性衰竭过程的Fontan绵羊存活模型13。然而，最终有三分之二的动物未能存活超过术后第20周。值得注意的是，在心脏结构正常的动物中建立急性Fontan循环极为困难，推测原因是与单心室心脏相比，正常心脏对这种特定生理状态的适应能力较差。因此，植入遥测设备具有双重优势。首先，在术后期间密切监测生命体征的能力有助于快速识别心血管失代偿的征象并及时作出反应，同时有助于启动目标导向治疗。根据我们的经验，在接受单阶段Fontan手术的一组绵羊中植入无线遥测设备，有助于提高其存活率。其次，长期获取实时数据的能力将使我们能够识别与Fontan衰竭相关的血流动力学变化趋势。<...

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披露

该项目由加利福尼亚州帕洛阿尔托市的附加风投治愈协作组织资助。

致谢

本工作由Additional Ventures和美国心脏协会资助，项目编号#24AVCSASV1276047 / Christopher Breuer / 2024。  本工作还得到了Brett Boyer基金会 / Christopher Breuer / 2024的资助。我们感谢动物研究核心中心敬业的兽医团队。我们还要向Mary Walker（兽医学博士，理学硕士）致以诚挚谢意，感谢她在整个研究过程中提供的宝贵专业知识和细致周到的照护。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
0.9% 氯化钠溶液Baxter Healthcare Corporation药房术中液体复苏和伤口冲洗
16 G 静脉导管BD382259用于输液和给药
22 G 血管内导管BD381423用于动脉 血压监测
70% 异丙醇Aspen Vet11795782局部清洁溶液
ACT 检测 cartridgeAbbot Diagnostics03P86-25活化凝血时间检测
Backhaus 手巾钳MedlineMDS1411111用于固定无菌手术巾 
BanamineHospira Pharmaceuticals药房术后镇痛：浓度 50 mg/mL，剂量 2.2 mg/kg
血压袖带Royal Philips9.89803E+11无创血压监测
盐酸布比卡因Hospira Pharmaceuticals药房局部麻醉药：浓度 2.5 mg/mL，剂量 2.5 mg/kg
丁丙诺啡Hospira Pharmaceuticals药房术后镇痛：浓度 0.3 mg/mL，剂量 0.03 mg/kg
Castroviejo 持针器MedlineMDS0750386缝合血管时使用的持针器
电刀清洁垫Cardinal Health300-2SS用于清洁电刀笔尖
电刀笔MedlineESRK3002L用于电凝解剖
头孢唑林Hospira Pharmaceuticals药房抗生素预防用药
复方苯佐卡因喷雾Cetylite220插管用局部麻醉喷雾
氯己定复合醇BD930825局部消毒剂
Debakey 无创镊MedlineMDS1130630F用于组织操作
地西泮Hospira Pharmaceuticals药房镇静剂：浓度 5 mg/mL，剂量 0.5 mg/kg
心电图导联线3M2570心电图监测
气管插管，8-9 号Covidien86452, 86114, 或 86454用于维持气道通畅
Hartmann 止血钳MedlineMDS1221109用于夹闭血管和持小缝线
肝素Hospira Pharmaceuticals药房抗凝剂：1,000 USP 单位/mL
压力传感器套件Edwards LifesciencesVSYPX12N用于动脉 血压监测
脉搏血氧仪舌夹NellcorPO736用于脉搏血氧测定
异氟烷Baxter Healthcare Corporation药房麻醉剂：剂量 1-3%
Kantrowitz 钳（直角）MedlineMDS1243528用于血管周围钝性分离
氯胺酮Hospira Pharmaceuticals药房镇静剂：浓度 100 mg/mL，剂量 4 mg/kg
剖腹手术巾MedlineDYNJP3008无菌手术巾
润滑胶MedlineMDS0322273Z气管插管润滑剂
Mayo Hegar 持针器MedlineMDS2418420F缝合软组织时使用的持针器
Mayo 剪刀MedlineMDS0816121用于剪断缝线
Metzenbaum 弯头剪刀MedlineMDS3223226用于锐性分离
针头和注射器Cardinal Health309604用于静脉和皮下给药 
OptixcareAventixOPX-4252角膜润滑剂
Perma-Hand 丝线缝线EthiconC016D用于血管结扎和皮下植入遥测设备的固定
PhysioTel 数字无线遥测设备Data Sciences InternationalL21 型号无线遥测设备植入
Pierce 微型镊MedlineMDG384908用于小型缝针操作 
塑料止血带和缝线套环Medtronic 79013在血管插管过程中辅助止血
加压袋Carefusion64-10029用于动脉血压监测
Prolene 6-0 缝线Ethicon8307H血管插管用荷包缝合
丙泊酚Fresenius Kabi药房麻醉剂：浓度 10 mg/mL，剂量 20-45 mg/kg/h
手术刀 #10 刀片MedlineMDS15310用于皮肤切口
手术刀 #11 刀片MedlineCISION11CS用于血管切开
Schnidt 扁桃体钳MedlineMDS5018719用于皮下组织钝性分离
SoftCarry 担架Four Flags Over AspenSSTR-4用于动物转运
无菌一次性手术室毛巾MedlineMDT2168201无菌手术巾
无菌碗LSL Industries5232用于盛放生理盐水溶液
无菌一次性 X 光可检棉纱布MedlineNON21430LF液体吸收
口胃管Jorgensen Lab, Inc.J0348R用于胃和瘤胃减压
T 型接头MedlineDYNDTN0001静脉导管管路连接器
尿液引流袋Covidien3512连接至口胃管以收集胃液
带穿刺针芯的兽用穿刺器Braintree Scientific, Inc.TRO-STY 7B-12用于引导遥测导线穿过皮下组织
Vicryl 2-0 缝线EthiconVCPB269H皮下软组织缝合
Vicryl 3-0 缝线EthiconVCPB416H深层真皮层缝合
Vicryl 4-0 缝线EthiconJ494H皮下真皮层缝合
加热毯Jorgensen Lab, Inc.J1034B用于维持动物体温
Weitlander 牵开器Teleflex Medical165358用于伤口牵开
Yankauer 球头吸引器MedlineDYND50138无菌废弃物管理

参考文献

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