ブタモデルにおける胸膜圧直接測定のための画像誘導下経皮的手法

サマリー

本プロトコルでは、胸腔鏡手術を行うことなく局所胸膜圧を直接測定することを可能にする、ブタへの前・後胸膜カテーテル挿入のための低侵襲経皮的技術について解説します。

要約

胸膜圧の測定により、呼吸器系の力学を肺と胸壁の成分に分けること、経肺圧の算出、および領域的な胸膜圧勾配の定量化を含む、高度な生理学的評価が可能になります。これらの情報は、人工呼吸の最適化、胸壁生理の変化による影響の評価、および肺損傷に関するトランスレーショナルリサーチの推進において不可欠です。しかし、現在の直接的な胸膜圧測定の手法は、多くの場合、開胸術による胸膜圧トランスデューサの外科的植え込みを必要とし、これは時間を要し、リスクが高く、また胸壁の力学を損なう可能性があります。これらの制限を克服するため、我々は低侵襲な経皮的画像ガイド下胸膜カテーテル留置術を開発しました。この処置は、麻酔下で人工呼吸管理中のブタを用いて行われました。超音波ガイド下でTuohy針を胸膜腔内に進め、少量の人工気胸（酸素 50–100 mL）を誘発して胸膜層を分離させました。ガイドワイヤーを用いて 9 Fr シース導入器を留置し、バルーンチップカテーテルを前胸膜へ進めました。その後、動物をセミプローン位（半うつ伏せ位）にし、さらに 50–100 mL の酸素を追加して気胸を拡大させた後、2本目のカテーテルを背側に挿入しました。留置の確認は、コンピューター断層撮影（CT）および生理学的波形により行われました。気胸を排出して肺を再膨張させた後、画像診断により位置を確認しました。20頭中16頭（80%）で前方および後方のカテーテル留置に成功し、この手法の処置としての実現可能性が支持されました。不成功となった症例は、前方胸膜へのアプローチ時の意図しない気胸、または前方カテーテルが目標とする腹側領域の外に誤設置されたことによるものでした。本手法は、大型動物モデルにおける直接的な領域的胸膜圧モニタリングのための、低侵襲かつ再現可能なアプローチを提供します。外科的アプローチを回避するこの経皮的画像ガイド下の手法は、呼吸力学、肺および胸壁の生理学、ならびにトランスレーショナルリサーチにおける人工呼吸を調査する実験プロトコルに適しています。

概要

胸膜圧は、胸壁メカニクスの主要な指標として実験的研究で広く用いられており、呼吸器系の分断された挙動や、機械換気中の肺との相互作用を記述するのに役立っています¹。この変数は、肺ストレスの主要な決定要因となる経肺圧を算出するために不可欠です²。肺損傷において、胸膜圧は呼気終末のメカニクスを記述し、依存側肺領域に作用する負荷に関連する現象である重畳圧勾配（superimposed pressure gradient）についての洞察を得るためにも利用されます^3,4。このような局所的な圧力分布により、胸膜圧および経肺圧に腹側と背側の差が生じます。制御された機械換気下では、これらの差は主に重力負荷と肺損傷の重症度によって決定されますが、自発呼吸または補助呼吸下では、局所的な吸気筋活動によってさらに増幅される可能性があります⁵。

直接的な胸膜圧モニタリングは、手技の侵襲性が高く安全とは見なされないため、臨床現場では行われていません。そのため、一般的に食道圧（Pes）が胸膜圧の最良の代替指標として用いられています⁶。しかし、Pesはカテーテルの位置、Baydur比で評価される圧力伝達、および換気モードなど、精度に影響を及ぼしうるいくつかの要因に左右されます⁷。食道バルーンはコンプライアンスのある構造の中に配置されており、その信号は食道壁および隣接する縦隔器官の両方によって形成されます。カテーテルの挿入深さやアライメントのわずかなずれであっても、測定される圧力や一回換気量の変動幅が変化することがあります⁸。さらに、Pesは主に中〜背側の胸膜圧を反映するため、不均一な肺損傷がある場合、腹側領域や胸膜環境全体を代表させる指標としては不十分になります⁹。

これらの理由から、直接的な胸膜圧測定は、トランスレーショナル生理学および実験生理学におけるゴールドスタンダードなアプローチであり続けています¹⁰。直接的な胸膜圧測定には、いくつかのデバイスが使用されてきました。実験モデルではウェハー状の胸膜センサーが頻繁に用いられており^11,12、一部の研究では、胸膜圧を直接記録するために食道バルーンカテーテルが胸膜腔内に導入された例もあります^13,14。直接的な胸膜圧測定のためのさまざまなツールが利用可能であるにもかかわらず、その挿入には伝統的に開胸術または胸腔鏡下アプローチのいずれかが必要でした。これらの手法は侵襲的であり、高度な外科的専門知識を要し、処置の準備時間を延長させ、さらに正常な胸壁メカニクスを乱すため、調査対象である生理学的条件を著しく変化させてしまいます。

本メソッド記事では、直接的な区域的胸膜圧モニタリングを目的として、豚の胸腔内に食道バルーンカテーテルを留置する新しい経皮的手法を提示します。このアプローチは低侵襲であり、開胸術や高度な外科的トレーニングを必要としません。前胸壁からのアプローチは標準的な超音波ガイド下穿刺法を用いて行い、胸腔内ガイドワイヤーおよびカテーテルの留置確認、ならびに後胸壁からのアプローチ計画の補助にコンピュータ断層撮影（CT）画像を使用します。本手法により、胸腔内の異なる領域にカテーテルを留置することが可能となり、区分けされた呼吸力学の区域的評価が行えます。この技術は、生理学的およびトランスレーショナル研究において高忠実度の胸膜圧記録を維持しつつ、手技の複雑さとリスクを低減することを目的としています。

プロトコル

マサチューセッツ総合病院（米国マサチューセッツ州ボストン）の施設内動物ケアおよび使用委員会（Institutional Animal Care and Use Committee）による承認（2020I000073）を得た後、2025年3月から11月にかけて、体重30–40 kgの健康なヨークシャー種豚20頭を用いて実験を行った。

注意：このプロトコールは、意図的に気胸を誘発し、100%酸素を使用します。本処置は、大型動物の麻酔および胸膜穿刺の訓練を受けた人員による継続的な生理学的モニタリングの下で実施し、酸素注入中は火気を厳禁としてください。

1. 動物の準備

1. チレタミン・ゾラゼパム（4.4 mg/kg）、キシラジン（2.2 mg/kg）、およびアトロピン（0.04 mg/kg）を筋肉内投与して動物を鎮静させる。
2. 静脈路を確保し、フェンタニル（2 µg/kg）およびプロポフォール（2 mg/kg）を静脈内投与して、安全に気管挿管が行えるようにする。
3. 動物に挿管し、両側胸部の拡張、両側の呼吸音、および一定の呼気終末CO₂波形の存在を確認して、気道への適切な配置を検証する。
4. 吸入酸素分画（FiO₂）0.4、1回換気量 10 mL/kg、呼気終末陽圧（PEEP）5 cmH₂O、呼吸数 15–20 breaths/minとして、容量制御換気（VCV）を開始する。呼気終末CO₂を35から45 mmHgの間に維持するように呼吸数を調整する。
5. 処置全般を通じて、プロポフォール（10 mg∙kg^-1∙h^-1）およびフェンタニル（5 µg∙kg^-1∙h^-1）を静脈内投与し、持続的な麻酔および鎮痛を維持する。筋弛緩剤を投与する前に、下顎の弛緩、眼瞼反射の消失、指間または蹄のピンチに対する逃避反応の消失、および刺激に対する血行動態反応の消失を確認し、十分な麻酔深度にあることを検証する。筋弛緩剤の投与後は、心拍数、動脈圧、および処置中の刺激に対する自律神経反応の消失を含む生理学的変数を用いて、麻酔の適切性をモニタリングする。角膜の乾燥を防ぐため、麻酔導入後に眼軟膏を塗布する。
6. 心拍数、血圧、酸素飽和度、呼気終末CO₂、および気道圧を継続的にモニタリングする。可能な限り、心拍数を 70–140 beats/min、平均動脈圧を 60 mmHg 以上、酸素飽和度を 92% 以上、呼気終末CO₂を 35 から 45 mmHg の間、および最高気道圧を 35 cmH₂O 未満に維持する。
7. 筋弛緩剤（パンクロニウム 0.1 mg∙kg^-1∙h^-1）を投与し、胸膜へのアプローチを開始する前に自発呼吸がないことを確認する。

2. 装置の準備

1. 材料表に記載されている、超音波ガイド下胸膜穿刺およびカテーテル留置に必要な滅菌器具を準備します。
2. 滅菌条件下で、胸部の前方および後方の表面をクリップし、洗浄し、ドレープを掛けます。

3. 前方経皮的胸膜穿刺

1. 動物を仰臥位に配置し、予定している前胸壁側胸膜カテーテル挿入部位とは反対側へわずかに回転させる。
2. 超音波を用いて、胸骨線と横隔膜ドームを確認する。
3. 超音波で横隔膜ドームを確認した後、横隔膜の高さの中線から外側へ約5 cm、頭側へ5 cm移動させ、前方の穿刺部位を選定する。
4. 超音波プローブを用いて前胸膜腔を可視化する。
5. 選定した肋間腔の下方肋骨の上縁から、曲率を上に向けて超音波ガイド下Tuohy針を刺入する。
6. インプレーン法を用い、リアルタイム超音波ガイド下で壁側胸膜に向かって針を進める。
7. 呼気終末保持操作を行いながら、さらに1–2 mm進める際にシリンジで緩やかな正圧をかけ、抵抗が急激に消失して胸膜腔への進入が確認されるまで進める。
8. 約50–100 mLの100%酸素を注入し、前方に小さな人工気胸を作成する。最終的な酸素注入量は、CTでの気胸の拡大および胸膜の分離状況に基づき調整する。
9. 針を通してスプリングワイヤーガイドを挿入し、針を抜去する。
10. CTスキャンを行い、人工気胸によって拡大し明確に描写された胸膜腔内にガイドワイヤーが正しく配置されていることを確認する。
11. CTで確認後、ワイヤー挿入部位に小さな皮膚切開を施す。
12. セルディンガー法を用い、ガイドワイヤーに沿って9 Frイントロデューサーを進める。
13. ガイドワイヤーを抜去し、イントロデューサーを通じて食道バルーンカテーテルを前胸膜腔に挿入する。
14. バルーンを適切な膨張量で膨らませる。この量は、正確なバルーン拡張と信頼性の高い圧力伝達を確保するため、in vivoバルーン圧力-容量（PV）曲線¹⁵から決定する。
15. 空気充填式の圧力伝達システムを用いて、バルーンカテーテルを外部差圧トランスデューサーに接続する。
16. 正確な圧力測定を行うため、カテーテルを接続する前に圧力トランスデューサーを大気圧でゼロ点調整する。
17. 圧力トランスデューサーをデータ収集システムに接続し、データ収集ソフトウェアを用いて圧力信号を取得する。
18. すべての圧力信号を、追加のデジタルフィルタリングなしに1,000 Hzのサンプリング周波数で取得する。安定した圧力波形が観察された時点で記録を開始する。

4. 後方経皮的胸膜アクセス

1. 胸腔内の空気が背側へ移動するように、動物をセミプローン位に再配置します。
2. 前方のカテーテルから100%酸素をさらに50–100 mL注入し、背側の気胸を拡大させ、後方からのアプローチを容易にします。
3. CTスキャンを行い、人工気胸が背側に移動したことを確認し、最適な後方穿刺部位を特定します。
4. 棘突起と後腋窩線の中間点に、後方穿刺部位を皮膚上にマークします。
5. 選択した肋間腔の下位肋骨の上縁にTuohy針を垂直に刺入し、持続的に吸引するため、空のシリンジを装着します。
6. 呼気終末保持操作を行いながら、空気が得られるまで持続的に吸引しつつ、筋層を貫いて針を進め、背側気胸への進入を確認します。
7. スプリングワイヤーガイドを挿入し、針を抜去します。
8. CTスキャンを行い、人工気胸によって拡大し明確に描出された胸腔内にガイドワイヤーが正しく配置されていることを確認します。
9. CTで確認後、ワイヤー挿入部位に皮膚を小さく切開します。
10. セルジンガー法を用いて、ガイドワイヤーに沿って9 Frイントロデューサーを進めます。
11. ガイドワイヤーを抜去し、イントロデューサーを通じて2つ目の食道バルーンを背側胸腔内に挿入します。
12. バルーンが正しく拡張し、圧力が確実に伝達されるよう、in vivoバルーン圧力-容量（PV）曲線から決定した最適な充填量でバルーンを膨張させます。
13. カテーテルを差圧トランスデューサーに接続し、モニター上で胸膜波形の形態が正しいことを確認します。

5. 最終的な位置決めとモニタリング

1. カテーテル留置中および留置後に、人工呼吸器のパラメータ（1回換気量、吸気流速、気道圧）および血行動態の値が安定していることを確認する。
2. 50 mLシリンジを用いて胸膜腔内の空気を緩やかに吸引し、排液に抵抗がなくなるまで、後方および前方のイントロデューサーから気胸をドレナージする。この際、胸膜腔内に過度な陰圧を作らないように注意する。
3. 両方の食道バルーンカテーテルを粘着テープで皮膚に固定し、その後、カテーテルの脱落を防ぎながら2本の9 Frイントロデューサーを慎重に抜去する。
4. CTスキャンを行い、残存気胸があるか評価する。残存気胸がある場合は、動物を腹臥位にし、生理的に許容される範囲内でFiO₂を0.25まで下げ、酸素の再吸収を促進させる。
5. 吸気量と呼気量の1回換気量を比較し、吸気ホールドを行うことで、気道または胸膜からのリークがないことを確認する。プラトー圧が安定し、流速がゼロに戻ることを検証する。
6. イントロデューサー抜去後、前方および後方の胸膜圧波形を再評価する。期待される波形形態が安定していることを確認し、波形が変化している場合は、カテーテルの位置と波形の安定性を再評価するまで記録を開始しない。
7. 気胸の排出または再吸収、呼吸および血行動態の安定、リークの消失、および胸膜圧波形の安定が確認された後にのみ、前方および後方胸膜圧の同時記録を開始する。
8. TVを10 mL/kgに維持し、PEEPを5から3 cmH₂Oに下げて人工呼吸を調整する。呼気終末胸膜圧の値は、 Figure 1に示す安定した呼気終末ホールド操作中に取得した。
9. 各実験プロトコルの終了時に、動物を全身麻酔下に維持したまま、KCl（7%溶液、2 mL/kg）を静脈内投与して安楽死させた。

結果

経皮的手法を用いた胸腔カテーテルの留置を20頭の豚で試みた（表 1）。17頭の動物において、計34本の胸腔カテーテル（前方17本、後方17本）を挿入した。このうち3本のカテーテル（97%）が目的の胸腔領域に到達したが、前方カテーテルのうち1本は胸腔内に入ったものの、目的の腹側部位に到達しなかった。したがって、カテーテル挿入を行った17頭のうち16頭（94%）で前方および後方の両カテーテルの正確な領域留置が達成され、これは全20頭中16頭（80%; 95% CI, 56.3%–94.3%）に相当した。

成功した処置における代表的な胸腔内圧波形では、前方センサーと後方センサーの間で、明確かつ生理学的に意味のある差が認められた（図1）。前方カテーテルでは通常、心臓および縦隔への近接性を反映して、食道バルーンで記録されたものよりも大きな顕著な心拍振動が認められた。対照的に、後方の胸腔内信号では心拍アーチファクトが最小限であり、機械的に静穏な依存側胸郭領域と一致する滑らかな呼吸波形を示した。

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ディスカッション

この経皮的プロトコルは、開胸術や胸腔鏡下アプローチを必要とせずに、局所的な胸膜圧測定を行うための実用的かつ再現可能な手法を提供します。カテーテルの適切な留置と高忠実度の圧力記録を確実にするためには、本手順のいくつかの側面が特に重要となります。

この手法の重要な要素は、胸部超音波による直接誘導下で行われる前方穿刺である。超音波を用いることで、胸膜および選択した肋間腔を明確に可視化し、針の軌道をリアルタイムで確認することができる。本処置では、胸膜表面に到達する際に針を制御し正確に操作する必要があるため、針先の視認性を向上させ、不慮の肺穿刺や胸膜腔への進入不全のリスクを最小限に抑えるために、超音波対応のTuohy針を使用した¹⁶。

針先を継続的に視覚化することは、穿刺を進める全過程において極めて重要です。そのため、インプレーン超音波アプローチが推奨されます。この手法では、胸膜腔に向かって進む針のシャフト全体と先端を視覚化できるため、手技の精度が向上し、不注意による肺穿刺のリスクを低減す...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
粘着テープ	3M Tegaderm	1624W	イントロデューサー留置前のカテーテル固定
アニマルクリッパー	3M クリッパー	9661L	胸部の除毛
アトロピン（注射剤）	Sparhawk Laboratories inc.	NDC:58005-354	筋肉内前投薬
コンピュータ断層撮影装置	NeuroLogica	Omnitom Elite PCD; 1-NL5100-060	ガイドワイヤー/カテーテルの位置および気胸の評価。
データ収集ソフトウェア	ADInstruments	LabChart Pro 8.1.31	デジタルフィルタリングなしの1,000 Hzでのデータ収集ソフトウェア
データ収集システム	ADInstruments	ML865	胸膜圧測定のため
差圧トランスデューサー	Harvard Apparatus / Hugo Sachs	73-3882	胸膜圧記録用圧力トランスデューサ
使い捨て手術用タオル	Cardinal Health	CAT 28700-004	滅菌領域の準備（ステップ2.1）
心電図 & パルスオキシメータモニター	Mindray	BeneView T5	バイタルサインのモニタリング
気管内チューブ、7.0 mm	Teleflex Medical	参照 5-10314	気管挿管
食道バルーンカテーテル	Cooper Surgical	参照 47-9005	胸膜腔内圧カテーテルとして使用（ステップ 2.1）
フェンタニル（注射剤）	Hikma	NDC 0641-6030-01	静脈内鎮痛法
滅菌ガーゼパッド	メドライン	参照番号 NON21430LF	部位の準備（ステップ 2.1）
ガイドワイヤー 0.025" × 33 cm	Teleflex Medical	参照番号 AW-04025	セルディンガー法について（ステップ 2.1）
輸液ポンプ	Smiths Medical	Medfusion 4000	持続的麻酔投与
イントロデューサーシース, 9 Fr	Cordis	REF 402-609X	胸腔内カテーテル挿入用（ステップ 2.1）
人工呼吸器	Maquet – Getinge		Servo-I、容積制御換気
眼科用軟膏	Lodi Veterinary Care	NDC 17033-211-38	麻酔導入後の角膜保護
酸素100%（医療用）	Airgas	該当なし	制御下気胸のための
パンクロニウム（注射剤）	Selleck Chemicals	S2497	神経筋遮断
ポビドン–ヨウ素溶液	BICCA	CAT 3955-16	皮膚の消毒
プロポフォール（注射剤）	ノーススター	NDC 16714-977-01	導入および維持
呼吸回路（ベンチレーター回路）	Medline	REF NON026370	標準回路
11番メス	バードパーカー	参照 372611	皮膚切開（ステップ 2.1）について
滅菌ドレープ	Medline	参照 MDT2168286	滅菌領域の準備
滅菌手袋（ラテックス製）	バイオゲル	REF 31280	滅菌保護手袋
滅菌ガウン	ハリアード	参照番号 95121	滅菌手術ガウン
10 mL シリンジ	Medline	参照 SYR110010	吸引・注入用（ステップ 2.1）
50 mL シリンジ	BD	参照 309680	胸腔内空気吸引（ステップ 2.1）用
チレタミン–ゾラゼパム（注射剤）	Virbac	NADA 71805-06	テラゾール；筋肉内鎮静
Tuohy針、エコージェニック 18G × 100 mm	Pajunk	参照番号 521185-31C	胸腔穿刺（ステップ2.1）について
超音波プローブ (Butterfly iQ+)	Butterfly Network	950-20002-00	iPad用Butterfly iQアプリと共に使用（ステップ2.1）
超音波ソフトウェア／アプリケーション	Butterfly Network	Butterfly iQ 2.46; iPad 11 iPadOS 26	iPad用Butterfly iQアプリ
キシラジン（注射剤）	Cronus Pharma	有限責任会社