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Methodenartikel

Ex Vivo Schweineexperimentelles Modell zum Studium und zur Lehre der Lungenmechanik

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DOI:

10.3791/64850

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19. April 2024

 ,  , 
1Faculdade de Medicina da, Universidade de São Paulo

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Wir präsentieren ein ex vivo Schweinelungenmodell zur Demonstration der Lungenmechanik und alveolärer Rekrutierungsmanöver für Lehrzwecke. Die Lunge kann mehr als einen Tag (bis zu fünf Tage) mit minimalen Veränderungen der pulmonalmechanischen Variablen verwendet werden.

Zusammenfassung

Die mechanische Beatmung ist weit verbreitet und erfordert spezifisches Wissen für das Verständnis und die Behandlung. Angehörige der Gesundheitsberufe in diesem Bereich können sich aufgrund unzureichender Schulungs- und Lehrmethoden unsicher fühlen und es ihnen an Wissen mangeln. Daher ist es das Ziel dieses Artikels, die Schritte zu skizzieren, die zur Generierung eines ex vivo Schweinelungenmodells erforderlich sind, das in Zukunft verwendet werden soll, um die Lungenmechanik zu studieren und zu lehren. Um das Modell zu erstellen, wurden fünf Schweinelungen nach den Richtlinien der Ethikkommission für Tierversuche vorsichtig und mit angemessener Sorgfalt aus dem Thorax entfernt und über eine Trachealkanüle an das mechanische Beatmungsgerät angeschlossen. Diese Lungen wurden dann dem alveolären Rekrutierungsmanöver unterzogen. Atemmechanische Parameter wurden aufgezeichnet und Videokameras wurden verwendet, um während dieses Prozesses Videos von der Lunge zu erhalten. Dieser Vorgang wiederholte sich an fünf aufeinanderfolgenden Tagen. Bei Nichtgebrauch wurde die Lunge gekühlt aufbewahrt. Das Modell zeigte nach dem alveolären Rekrutierungsmanöver jeden Tag eine andere Lungenmechanik; nicht von den Tagen beeinflusst zu werden, sondern nur vom Manöver. Daher kommen wir zu dem Schluss, dass das ex vivo Lungenmodell ein besseres Verständnis der Lungenmechanik und ihrer Auswirkungen sowie des alveolären Rekrutierungsmanövers durch visuelles Feedback in allen Phasen des Prozesses liefern kann.

Einleitung

Die mechanische Beatmung (MV) ist auf Intensivstationen (ICUs) und chirurgischen Zentren weit verbreitet. Die Überwachung ist wichtig, um Asynchronitäten zu erkennen und Verletzungen für alle Patienten zu vermeiden, insbesondere wenn der Patient schwere Lungenverletzungen hat 1,2,3,4,5,6. Die Überwachung der Atemmechanik kann auch zum klinischen Verständnis des Krankheitsverlaufs und therapeutischer Anwendungen beitragen, wie z. B. der Einsatz von positivem endexspiratorischem Druck (PEEP) oder dem alveolären Rekrutierungsmanöver (ARM). Die Anwendung dieser Techniken erfordert jedoch ein gutes Verständnis der Kurven und der grundlegenden Lungenmechanik 3,4.

Studierende, Assistenzärzte und medizinisches Fachpersonal fühlen sich unsicher in Bezug auf das MV-Management, vom Einschalten des Beatmungsgeräts und den ersten Anpassungen bis hin zur Überwachung des Plateaus und des Fahrdrucks, und diese Unsicherheit ist mit einem Mangel an Wissen und angemessener Vorschulung verbunden 7,8,9,10. Wir beobachteten, dass Fachleute, die an Simulationen teilnahmen und ein Lungenmodell verwendeten, über ein größeres Vertrauen, ein besseres Verständnis der Parameter und ein besseres Verständnis der Komponenten der Lungenmechanik berichteten 8,11,12.

Modelle zur Untersuchung und zum Training von MV mit Testlungen, Blasebälgen und Kolben können unterschiedliche Drücke und Volumina sowie unterschiedliche lungenmechanische Bedingungen simulieren 13,14,15. Computer- und Softwaremodelle tragen auch zur Untersuchung der kardiopulmonalen Interaktion bei, indem sie Simulationen erstellen, die verwendet werden können, um den Angehörigen der Gesundheitsberufe die Prinzipien von MV11 beizubringen 16,17.

Während Computermodelle Schwierigkeiten bei der Darstellung der Lungenhysterese16 darstellen können, können Modelle mit Testlunge und Blasebalg13, 14, 15Druck-Volumen-Kurven erzeugen, die der physiologischen Kurve ähneln, und die Lungendynamik demonstrieren. Ein Vorteil ist, dass die ex vivo Schweinelunge eine ähnliche Anatomie wie der Mensch aufweist18 und auch MV-Kurven und Lungenhysterese erzeugt und während der lungenmechanischen Analyse ein visuelles Feedback der Lunge in der Acrylbox liefert. Visuelle Modelle sind wichtig und können helfen, schwer vorstellbare Komponenten und Konzepte zu verstehen. Somit stellen ex vivo Lungenmodelle eine praktische Art des Unterrichts dar.

Studien mit ex vivo Schweinelungen, z. B. mit MV mit Über- und Unterdruck 19,20,21, Analyse der Aerosolverteilung22,23, pädiatrischen Simulationen 24 und Lungenperfusion25, können das Wissen über MV verbessern. Neuere Studien, die Modelle in Über- und Unterdruck analysierten, haben gezeigt, dass die Überdruckbeatmung im Vergleich zu Unterdruckdruck zu einer abrupten Rekrutierung mit größerer lokaler Verformung, größerer Dehnung, Unterschieden in der Hysteresekurve und möglichen Gewebeläsionen führen kann 19,20,21. Nichtsdestotrotz sind Überdruckmodelle notwendig, da die Patienten während des MV-Drucks 19,20,21 unter Überdruck stehen. Die Entwicklung eines Lungenmodells für präklinische Studien eröffnet Möglichkeiten für neue Forschung und Anwendungen, einschließlich der MV-Lehre und -Ausbildung.

Hier stellen wir ein ex vivo Schweinelungenmodell für Studien- und Trainingszwecke vor. Unser primäres Ziel ist es, die Schritte zur Generierung dieses ex vivo Schweinelungenmodells unter Überdruck-MV zu beschreiben. Es kann in Zukunft verwendet werden, um Lungenmechanik zu studieren und zu lehren.

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Protokoll

Das Protokoll wurde von der Ethikkommission für Tierversuche unserer Institution genehmigt (Protokoll Nr. 1610/2021).

1. Anästhesie und Tierpräparation

  1. Legen Sie das Tier zunächst auf eine Waage und überprüfen Sie das Gewicht, um die für den Eingriff erforderlichen Medikamente und Sedierungen anzupassen.
  2. Ketamin 5 mg/kg und Midazolam 0,25 mg/kg intramuskulär verabreichen.
  3. Punktion der marginalen Ohrvene mit einem 20-G-Venenkatheter und intravenöses Propofol (5 mg/kg) zur Anästhesieeinleitung.
  4. Verabreichen Sie 3 ml Heparin intravenös in den Zugang zur marginalen Ohrvene, um die kardiopulmonale Extraktion und Perfusion zu unterstützen.
  5. Führen Sie nach der Anästhesie eine orotracheale Intubation mit einer 6,5-mm-Ortrachealkanüle (OTC) durch und fixieren Sie das OTC mit Klebeband, wobei es fest fixiert bleibt, um eine Verschiebung während des Eingriffs zu vermeiden.
    HINWEIS: Die Tiefe der Sedierung wird durch die Überwachung hämodynamischer Parameter und die Verwendung eines Gasanalysators überprüft, z. B. des mittleren arteriellen Drucks, der Herzfrequenz und der inspirierten/abgelaufenen Isoflurankonzentration.

2. Intraoperative maschinelle Beatmung

  1. Verbinden Sie das Tier über das OTC mit MV und halten Sie die Sedierung mit 1,5 % Isofluran bei 50 % der eingeatmeten Sauerstofffraktion (FiO2) und Fentanyl 10 μg/kg Bolus + 10 μg/kg/h kontinuierliche Infusion aufrecht.
    1. Tippen Sie auf den Bildschirm des mechanischen Beatmungsgeräts und wählen Sie den volumengesteuerten Beatmungsmodus (VCV), wählen Sie die Taste für das Tidalvolumen (TV) und drehen Sie das Scrollrad, bis der Tidalvolumenwert 8 ml/kg entspricht.
    2. Tippen Sie auf den Bildschirm des mechanischen Beatmungsgeräts. Wählen Sie den FiO2 aus und drehen Sie das Scrollrad, bis der Wert von 50% erreicht ist.
    3. Tippen Sie auf den Bildschirm des mechanischen Beatmungsgeräts und wählen Sie die Atemfrequenz (RR) aus. Drehen Sie das Rad, bis es den idealen Wert erreicht hat, um ein Ende abgelaufenes CO2 von 35-45 mmHg aufrechtzuerhalten, gemessen durch Kapnographie in Verbindung mit dem mechanischen Beatmungsgerät.
      HINWEIS: Die Tiefe der Sedierung wird durch Überwachung hämodynamischer Parameter und Verwendung eines Gasanalysators wie mittlerer arterieller Druck, Herzfrequenz und inspirierter/abgelaufener Isoflurankonzentration überprüft.

3. Gewebedissektion und OTC-Austausch

  1. Machen Sie einen medialen Sternumschnitt von 2 cm oberhalb des Manubriums bis 2 cm unterhalb des Processus xiphoideus des Brustbeins, um Zugang zur Brusthöhle zu erhalten. Positionieren Sie die Rippenretraktoren, um das Sichtfeld während des Eingriffs zu erweitern.
  2. Verwenden Sie ein Skalpell, um einen horizontalen Trachealschnitt auf Höhe des Knorpels (direkt an den ersten Trachealringen) zu machen, der breit genug ist, um eine neue Trachealkanüle einzuführen.
  3. Lassen Sie die Luft aus der OTC-Manschette, die sich innerhalb der Atemwege befindet, und ziehen Sie langsam daran, um sie zu entfernen. In der Zwischenzeit führen Sie das neue OTC in den Einschnitt in der Luftröhre ein, nachdem Sie das alte OTC entfernt haben. Aufgrund der entleerten Manschette kann es zu Leckagen kommen, die beim erneuten Positionieren des neuen OTC aufhören.
  4. Pumpen Sie die neu eingesetzte Trachealtubusmanschette auf, indem Sie eine 20-ml-Spritze an den Pilotballon anschließen. Die Spritze gibt Luft unter Druck ab und bläst den Pilotballon und die Manschette auf. Sobald sich die Manschette aufgeblasen hat, entfernen Sie die Spritze.
  5. Binden Sie die neue Trachealkanüle mit 2-0 Polyester direkt an die Luftröhre, um ein Auslaufen und eine Bewegung zu verhindern, während Sie die Lunge in die Plexiglas-Beatmungsbox legen.
  6. Sezieren Sie mit dem Skalpell das Gewebe, um die kardiopulmonalen Organe aus dem Brustkorb zu entfernen.

4. Euthanasie von Tieren

  1. Erhöhen Sie die Isoflurankonzentration auf 5 % und verabreichen Sie 10 ml 19,1 % Kaliumchlorid. Überprüfen Sie anschließend das Fehlen von Vitalparametern.
    HINWEIS: Dieses Verfahren wurde gemäß dem Leitfaden der National Institutes of Health für die Pflege und Verwendung von Labortieren durchgeführt.

5. Herz-Lungen-Extraktion

  1. Nach der Euthanasie wird das Atemband präpariert, um die Lunge zu entfernen.
  2. Nach der Gewebedissektion klemmen Sie den OTC am Ende der Inspiration mit der entsprechenden Kelly-Pinzette ab und halten Sie die Lunge aufgeblasen.
  3. Trennen Sie das OTC vom mechanischen Beatmungsgerät, aber lassen Sie es festgeklemmt.
  4. Durchtrennen Sie die Aortenarterie, positionieren Sie den Aspirator in der Brusthöhle, um das extravasierte Blut zu entfernen, halten Sie die Visualisierung der Kavität aufrecht, während Sie die Dissektionen abschließen, und befreien Sie die Organe, die aus der Brusthöhle entfernt werden sollen.
    HINWEIS: Das untere Lungenband sollte vorsichtig gelöst werden, um eine Lungenverletzung zu vermeiden.
  5. Entfernen Sie das Herz und die Lunge aus dem Brustkorb mit eingespanntem OTC, ohne sie zu trennen, und legen Sie sie auf ein Tablett.

6. Kardiopulmonale Vorbereitung

  1. Mit der Lunge auf einem Tablett wird die Lungenarterie mit einem einlumigen Katheter mit großem Durchmesser kanüliert und an das Infusionsset angeschlossen, um kontinuierlich 2.000 ml kalte 0,9%ige Kochsalzlösung (SS) zu verabreichen oder bis klare Flüssigkeit aus der Aorta fließt.
    HINWEIS: SS sollte in normaler Geschwindigkeit verabreicht werden, vermeiden Sie es, den intravenösen (IV) Beutel zusammenzudrücken.
  2. Nachdem Sie den Fluss gereinigt haben, vernähen Sie die Aortenarterie mit 2-0 Polyester und verabreichen Sie weitere 100 ml 0,9 % SS. Schließen Sie den einlumigen Katheterausgang, da die Flüssigkeit bis zum Ende des Experiments im Inneren verbleibt.
  3. Lösen Sie das OTC, beachten Sie, dass sich die Lunge entleert und geschlossen bleibt, bereit für die Aufnahme von MV und ARM.

7. MV in einer Acrylbox

  1. Öffnen Sie nach der Vorbereitung die Acrylbox und positionieren Sie die Lunge senkrecht in der Box. Führen Sie das OTC durch das Loch im Deckel und schließen Sie die Trachealkanüle an das mechanische Beatmungsgerät an.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Trachealkanüle fest in der Luftröhre sitzt.
  2. Wählen Sie die Schaltfläche Lüftung starten aus.
    1. Tippen Sie auf den Bildschirm des mechanischen Beatmungsgeräts und wählen Sie das mechanische Beatmungsgerät für VCV aus.
    2. Tippen Sie auf den Einstellungsbildschirm für den VCV-Modus, wählen Sie die TV-Taste und drehen Sie das Rad, bis der Wert von 6 ml/kg erreicht ist. Wiederholen Sie den gleichen Vorgang, um den PEEP auf 5 cm H2O, den FiO2 auf 21 %, den RR auf 15 Atemzüge pro Minute und die inspiratorische Pausenzeit auf 10 % einzustellen.

8. ARM

  1. Um mit der Rekrutierung zu beginnen, erhöhen Sie den PEEP von 5 cm H2O auf 6 cm H2O und erhöhen Sie ihn dann in Schritt-für-Schritt-Schritten von 2 cm H2O bis 14 cm H2O. PEEP wird mit der Schaltfläche auf dem Bildschirm unter dem auf dem Bildschirm angezeigten PEEP-Wert erhöht. Drehen Sie das Rad, um den Wert zu erhöhen.
    1. Notieren Sie sich für jeden PEEP die Werte für Spitzendruck, Plateaudruck, dynamische Nachgiebigkeit und Atemwegswiderstand, die auf dem Bildschirm des mechanischen Beatmungsgeräts angezeigt werden. Notieren Sie sich den Fahrdruck, d. h. den Plateaudruckwert abzüglich des zu diesem Zeitpunkt eingestellten PEEP-Werts.
  2. Nach Erreichen von 14 cm H2O wird der PEEP schrittweise um 2 cm H2O reduziert, bis 6 cm H2O erreicht sind, und dann auf 5 cm H2O reduziert. PEEP wird mit der Schaltfläche auf dem Bildschirm unterhalb des auf dem Bildschirm angezeigten PEEP-Wertes reduziert. Drehen Sie das Rad, um den Wert zu verringern.
    1. Notieren Sie sich für jeden PEEP die Werte für Spitzendruck, Plateaudruck, dynamische Nachgiebigkeit und Atemwegswiderstand, die auf dem Bildschirm des mechanischen Beatmungsgeräts angezeigt werden. Notieren Sie sich den Fahrdruck, d. h. den Plateaudruckwert abzüglich des zu diesem Zeitpunkt eingestellten PEEP-Werts.
      HINWEIS: Behalten Sie jeden PEEP-Wert für 10 Minuten während des Inkrements und für 5 Minuten bei jedem Schritt während des Verringerns bei.

9. Herz-Lungen-Aufrechterhaltung

  1. Am Ende der Rekrutierungsphase klemmen Sie die Trachealkanüle während der Inspiration vorsichtig mit der Klemme ab und halten Sie die Lunge aufgeblasen. Öffne die Acrylbox.
  2. Entferne die Lunge aus der Acrylbox und lege sie vorsichtig in einen Glasbehälter.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Trachealkanüle fest in der Luftröhre sitzt.
  3. Gießen Sie 500 ml 0,9 % SS ein.
  4. Bewahren Sie es im Kühlschrank in einem in Plastik verpackten Glasbehälter bei einer Temperatur von 2 bis 8 °C für 24 Stunden auf.
  5. Wiederholen Sie die Schritte 7, 8 und 9 an fünf aufeinanderfolgenden Tagen.

Flussdiagramm der Extraktion von Herz-Lungen-Blockaden; Beurteilung der Lungenmechanik; Lager-/Umgebungsbedingungen.
Abbildung 1: Flussdiagramm der Studie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Ergebnisse

Wir verwendeten fünf weibliche Schweine mit einem Gewicht zwischen 23,4 und 26,9 kg und befolgten das beschriebene Protokoll für die kardiopulmonale Extraktion und die Analyse der Lungenmechanik. Unser Ziel ist es, dass das Modell für die Untersuchung der Lungenmechanik nützlich ist, indem Spitzendruck, Plateaudruck, Widerstand, Antriebsdruck und dynamische Compliance-Variablen analysiert werden, die direkt vom Bildschirm des mechanischen Beatmungsgeräts erfasst werden. Das Flussdiagramm des Modells ist in

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Diskussion

Das beschriebene Protokoll ist nützlich für die Herstellung eines ex vivo Schweinelungenmodells unter Überdruck-MV. Es kann für das Studium und den Unterricht der Lungenmechanik durch visuelles Feedback von der Lunge während der Rekrutierung und Analyse der auf den Gerätebildschirm projizierten Kurven und Werte verwendet werden. Um dieses Ergebnis zu erreichen, sind Pilotstudien erforderlich, um das Verhalten der Lunge außerhalb des Brustkorbs zu verstehen und den Anpassungsbedarf zu identifizieren.

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Danksagungen

Wir danken allen Kollegen und Fachleuten, die zur Erstellung dieses Ex-vivo-Lungenmodellprotokolls beigetragen und diese unterstützt haben.

Für diese Studie gab es keine Finanzierungsquellen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
0,9% ige Kochsalzlösung2500ml
Anästhesiegerät - PrimusDrägerREF 8603800-18Anästhesiearbeitsplatz, der bei dem Eingriff verwendet wird
AspiratorFür die Blutabsaugung aus dem Thorax
Bedside Monitor - Life ScopeNihon KohdenBSM-7363Multiparameter-Monitor, der während des Eingriffs verwendet wird
Bonney GewebezangeJede Gewebezange ist geeignet
Einweg-Scalper, #23Jeder Scalper ist geeignet
Einweg-Spritzennadeln, 18G x 1 1/2", 23G x 1"BD302814Weit verbreitet
Einwegspritzen, 10mlWeit verbreitetes
Elektrochirurgiegerät - SS-501WEMZum Schneiden und Koagulieren während Thoraxschnitt
Fentanyl10 mcg/kg Bolus + 10 mcg/kg/Stunde kontinuierliche Infusion
Finochietto-RetraktorJeder Finochietto-Retraktor
Heparin3ml
InfusionssetJedes Infusionsset
Isofluran1,5%
Kelly Pinzette gebogenJede Kelly-Pinzette ist geeignet
Ketamin5mg/kg
Laktierte Ringerlösung500ml
Mechanisches Beatmungsgerät - Servo IMaquetREF 6449701Mechanisches Beatmungsgerät, das bei dem Verfahren verwendet wird
Metzenbaum-Schere (gerade und gebogen)Jede Metzenbaum-Schere ist geeignet
Midazolam0,25 mg/kg
Orotracheale Intubationskanüle, #6,5Rusch112282Weit verbreitetes
PlexiglasMaßgeschneiderte Plexiglasbox: 30x45x60cm
Polyesternaht, 2-0Weit verbreitetes
Kaliumcholid10 ml, 19,1% Kaliumchlorid.
Propofol5mg/kg
Drei-Wege-AbsperrhahnWeit verbreitet
Venenkatheter, G20 x 1"BD38183314Weit verbreitet
ist geeignet ist geeignet

Referenzen

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