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방법 논문

Ex Vivo (체외 주행) 폐 역학 연구 및 교육을 위한 돼지 실험 모델

2.9K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/64850

⸱

2024년 4월 19일

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

이 논문에서

요약

우리는 교육 목적으로 폐 역학 및 폐포 모집 기동을 시연하기 위해 생체 외 돼지 폐 모델을 제시합니다. 폐는 폐 역학 변수의 변화를 최소화하면서 하루 이상(최대 5일) 동안 사용할 수 있습니다.

초록

기계 환기는 널리 사용되며 이해 및 관리를 위한 특정 지식이 필요합니다. 이 분야의 의료 전문가는 부적절한 교육 및 교수법으로 인해 불안감을 느끼고 지식이 부족할 수 있습니다. 따라서 이 기사의 목적은 폐 역학을 연구하고 가르치기 위해 미래에 사용할 생체 외 돼지 폐 모델을 생성하는 것과 관련된 단계를 간략하게 설명하는 것입니다. 모델을 생성하기 위해 5개의 돼지 폐를 동물연구윤리위원회의 지침에 따라 적절한 주의를 기울여 흉부에서 조심스럽게 제거하고 기관 캐뉼라를 통해 기계식 인공호흡기에 연결했습니다. 그런 다음 이 폐는 폐포 모집 기동을 받았습니다. 호흡 역학 매개변수가 기록되고 이 과정에서 폐의 비디오를 얻기 위해 비디오 카메라가 사용되었습니다. 이 과정을 5일 연속으로 반복했다. 사용하지 않을 때는 폐를 냉장 보관했다. 이 모델은 매일 폐포 모집 기동 후 다른 폐 역학을 보여주었습니다. 요일에 영향을 받지 않고 기동에만 영향을 받습니다. 따라서 우리는 생체 외 폐 모델이 폐 역학과 그 효과, 심지어 프로세스의 모든 단계에서 시각적 피드백을 통해 폐포 모집 기동에 대한 더 나은 이해를 제공할 수 있다고 결론지었습니다.

서론

기계 환기(MV)는 중환자실(ICU) 및 수술 센터에서 널리 사용됩니다. 모니터링은 특히 환자가 심각한 폐 손상을 입은 경우 비동시성을 인식하고 모든 환자의 부상을 예방하는 데 필수적입니다 1,2,3,4,5,6. 호흡 역학을 모니터링하면 호기말 양압(PEEP) 또는 폐포 모집 기동(ARM)의 사용과 같은 질병 진행 및 치료 응용 분야에 대한 임상적 이해에도 기여할 수 있습니다. 그러나 이러한 기술을 사용하기 위해서는 만곡과 기본적인 폐 역학에 대한 능숙한 이해가 필요합니다 3,4.

학생, 레지던트 및 의료 전문가는 인공호흡기 켜기 및 초기 조정에서 정체기 및 구동 압력 모니터링에 이르기까지 MV 관리에 대해 불안감을 느끼며, 이러한 불안감은 지식 및 적절한 사전 교육 부족과 관련이 있습니다 7,8,9,10. 시뮬레이션에 참여하고 폐 모델을 사용한 전문가들이 더 큰 자신감, 매개변수에 대한 이해, 폐 역학의 구성 요소에 대한 이해도를 보고하는 것을 관찰했다 8,11,12.

테스트 폐, 벨로우즈 및 피스톤을 사용하여 MV를 연구하고 훈련하기 위한 모델은 다양한 압력과 부피뿐만 아니라 다양한 폐 역학 조건을 시뮬레이션할 수 있습니다 13,14,15. 컴퓨터 및 소프트웨어 모델은 또한 의료 전문가에게 MV11의 원리를 가르치는 데 사용할 수 있는 시뮬레이션을 생성함으로써 심폐 상호작용 연구에 기여한다16,17.

계산 모델은 폐 히스테리시스(pulmonary hysteresis)16를 표현하는 데 어려움이 있을 수 있지만, 시험 폐 및 벨로우즈(13,14,15)를 갖는 모델은 생리학적 곡선과 유사한 압력-부피 곡선을 생성할 수 있고 폐 역학을 입증할 수 있다. 장점으로, 체외 돼지 폐는 인간과 유사한 해부학적 구조를 나타내며,18 MV 곡선, 폐 히스테리시스를 생성하고, 폐 역학 분석 중에 아크릴 상자 내부의 폐에 대한 시각적 피드백을 제공합니다. 시각적 모델은 중요하며 상상하기 어려운 구성 요소와 개념을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 따라서 생체 외 폐 모델은 실용적인 교육 방법을 나타냅니다.

양압 및 음압을 갖는 MV에 대한 연구(예: 양압 및 음압19,20,21), 에어로졸 분포 분석(22,23), 소아 시뮬레이션(24) 및 폐 관류(25)와 같은 생체 외 돼지 폐에 대한 연구는 MV에 대한 지식을 향상시킬 수 있다. 양압 및 음압에서 모델을 분석한 최근 연구에 따르면 양압 환기는 음압압에 비해 더 큰 국소 변형, 더 큰 팽창, 히스테리시스 곡선 차이 및 가능한 조직 병변을 동반한 갑작스러운 모집으로 이어질 수 있습니다 19,20,21. 그럼에도 불구하고 환자가 MV 압력 19,20,21 동안 양압을 받고 있기 때문에 양압 모델이 필요합니다. 전임상 연구를 위한 폐 모델의 개발은 MV 교육 및 훈련을 포함한 새로운 연구 및 응용 프로그램의 가능성을 열어줍니다.

여기에서는 연구 및 교육 목적으로 생체 외 돼지 폐 모델을 제시합니다. 우리의 주요 목표는 양압 MV 하에서 이 생체 외 돼지 폐 모델을 생성하는 단계를 설명하는 것입니다. 앞으로 폐 역학을 연구하고 가르치는 데 사용할 수 있습니다.

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프로토콜

이 프로토콜은 우리 기관의 동물 연구 윤리 위원회(프로토콜 번호 1610/2021)의 승인을 받았습니다.

1. 마취 및 동물 준비

  1. 처음에는 동물을 저울에 올려 놓고 체중을 확인하여 절차에 필요한 약물과 진정제를 조절합니다.
  2. 케타민 5mg/kg, 미다졸람 0.25mg/kg을 근육 주사로 투여합니다.
  3. 20G 정맥 카테터로 변연부 외이정맥에 구멍을 뚫고 마취 유도를 위해 프로포폴(5mg/kg) 정맥 주사를 투여합니다.
  4. 3mL의 헤파린을 변연 귀 정맥에 정맥 주사하여 심폐 추출 및 관류를 돕습니다.
  5. 마취 후 6.5mm 구강 캐뉼라(OTC)로 구강 삽관을 수행하고 OTC를 접착 테이프로 고정하고 시술 중 변위를 방지하기 위해 단단히 고정합니다.
    알림: 진정 깊이는 혈류역학적 매개변수를 모니터링하고 평균 동맥압, 심박수 및 흡기/만료된 이소플루란 농도와 같은 가스 분석기를 사용하여 확인합니다.

2. 수술 중 기계적 환기

  1. OTC를 통해 동물을 MV에 연결하고 산소(FiO2)의 흡기 분율 50%에서 1.5% 이소플루란으로 진정을 유지하고 펜타닐 10mcg/kg bolus + 10mcg/kg/h 연속 주입.
    1. 기계식 인공호흡기 화면을 탭하고 부피 조절 환기(VCV) 모드를 선택하고 일회 호흡량(TV) 버튼을 선택한 다음 일회 호흡량 값이 8mL/kg이 될 때까지 스크롤 휠을 돌립니다.
    2. 기계식 인공호흡기 화면을 누릅니다. FiO2 를 선택하고 50% 값에 도달할 때까지 스크롤 휠을 돌립니다.
    3. 기계식 인공호흡기 화면을 누르고 호흡수(RR)를 선택합니다. 기계식 인공호흡기에 결합된 카프노그래피로 측정한 35-45mmHg의 최종 만료 CO2 를 유지하기 위해 이상적인 값에 도달할 때까지 휠을 돌립니다.
      알림: 진정 깊이는 혈류역학적 매개변수를 모니터링하고 평균 동맥압, 심박수 및 흡기/만료된 이소플루란 농도와 같은 가스 분석기를 사용하여 확인합니다.

3. 조직 해부 및 OTC 교환

  1. 흉강에 접근하기 위해 흉골 위 2cm에서 흉골 위 2cm까지 내측 흉골을 절개합니다. 리브 리트랙터를 배치하여 절차 중에 시야를 확장합니다.
  2. 메스를 사용하여 새로운 기관 캐뉼라를 도입할 수 있을 만큼 충분히 넓은 cricoid 연골 높이(첫 번째 기관 고리 바로 부분)에서 수평 기관 절개를 만듭니다.
  3. 기도 안쪽에 있는 OTC 커프의 공기를 빼고 천천히 당겨 제거합니다. 한편, 기존 OTC를 제거한 후 기관 절개 부위에 새 OTC를 삽입합니다. 수축된 커프로 인해 누출이 발생할 수 있으며 새 OTC를 재배치할 때 중단됩니다.
  4. 20mL 주사기를 파일럿 풍선에 연결하여 새로 삽입된 기관 튜브 커프를 팽창시킵니다. 주사기는 압력을 가한 공기를 전달하고 파일럿 풍선과 커프를 팽창시킵니다. 커프가 부풀어 오르면 주사기를 제거합니다.
  5. 새 기관 캐뉼라를 2-0 폴리에스터로 기관에 직접 묶어 폐를 플렉시 유리 환기 상자에 넣으면서 누출 및 움직임을 방지합니다.
  6. 메스로 조직을 해부하여 흉부에서 심폐 장기를 제거합니다.

4. 동물 안락사

  1. 이소플루란 농도를 5%로 높이고 19.1% 염화칼륨 10mL를 투여합니다. 그런 다음 활력 징후가 없는지 확인하십시오.
    참고: 이 절차는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 실험실 동물 관리 및 사용 가이드(National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals)에 따라 수행되었습니다.

5. 심폐 적출

  1. 안락사 후 호흡 인대를 절개하여 폐를 제거합니다.
  2. 조직 해부 후 흡기가 끝날 때 적절한 켈리 집게로 OTC를 고정하여 폐를 부풀린 상태로 유지합니다.
  3. 기계식 인공호흡기에서 OTC를 분리하되 고정하십시오.
  4. 대동맥을 절개하고, 흡인기(aspirator)를 흉강 내부에 위치시켜 유출된 혈액을 제거하고, 박리를 마치는 동안 흉강의 시각화를 유지하고, 흉강에서 제거할 장기를 풀어줍니다.
    알림: 하부 폐 인대는 폐 열상을 방지하기 위해 조심스럽게 풀어야 합니다.
  5. OTC가 고정된 상태에서 흉곽에서 심장과 폐를 분리하지 않고 제거하고 트레이에 놓습니다.

6. 심폐 준비

  1. 폐를 트레이에 올려놓고 대구경 단일 루멘 카테터로 폐동맥을 캐뉼레이션하고 주입 세트에 연결하여 2,000mL의 차가운 0.9% 식염수(SS)를 지속적으로 투여하거나 대동맥에서 맑은 액체가 흐를 때까지 투여합니다.
    알림: SS는 정상적인 속도로 투여해야 하며 정맥 주사(IV) 백을 짜지 마십시오.
  2. 흐름을 제거한 후 2-0 폴리에스터로 대동맥을 봉합하고 0.9% SS 100mL를 더 투여합니다. 액체가 실험이 끝날 때까지 내부에 남아 있으므로 단일 루멘 카테터 배출구를 닫습니다.
  3. OTC의 클램프를 풀면 폐가 수축되고 닫힌 상태로 유지되어 MV와 ARM을 받을 준비가 됩니다.

7. 아크릴 상자 안쪽에 MV

  1. 준비가 끝나면 아크릴 상자를 열고 폐를 상자 안에 수직으로 놓습니다. 뚜껑의 구멍을 통해 OTC를 통과시키고 기관 캐뉼라를 기계식 인공호흡기에 연결합니다.
    알림: 기관 캐뉼라가 기관에 단단히 고정되어 있는지 확인하십시오.
  2. 환기 시작 단추를 선택합니다.
    1. 기계식 인공호흡기 화면을 탭하고 VCV용 기계식 인공호흡기를 선택합니다.
    2. VCV 모드 설정 화면을 탭하고 TV 버튼을 선택하고 6mL/kg 값에 도달할 때까지 휠을 돌립니다. PEEP 를 5cm H2O로, FiO2 를 21로, RR 을 분당 15회로, 흡기 일시 중지 시간을 10%로 조정하려면 동일한 작업을 수행합니다.

8. 팔

  1. 모집을 시작하려면 PEEP를 5cm H2O에서 6cm H2O로 늘린 다음 14cm H2O에 도달할 때까지 2cm H2O씩 단계적으로 증가시킵니다. 휠을 돌려 값을 늘립니다.
    1. 각 PEEP에 대해 기계식 인공호흡기 화면에 표시된 최고 압력, 안정기 압력, 동적 순응도 및 기도 저항 값을 기록합니다. 구동 압력, 즉 고원 압력 값에서 그 때 조정된 PEEP 값을 뺀 값을 기록하십시오.
  2. 14cm H2O에 도달 한 후 2cm H 2O에도달 할 때까지 6cm H2O의 단계적으로 감소시킨 다음 5cm H2O로 줄입니다. 휠을 돌려 값을 줄입니다.
    1. 각 PEEP에 대해 기계식 인공호흡기 화면에 표시된 최고 압력, 안정기 압력, 동적 순응도 및 기도 저항 값을 기록합니다. 구동 압력, 즉 고원 압력 값에서 그 때 조정된 PEEP 값을 뺀 값을 기록하십시오.
      알림: 증가 중에는 10분 동안, 감소 중에는 각 단계에서 5분 동안 각 PEEP 값을 유지합니다.

9. 심폐 유지

  1. 모집 단계가 끝나면 흡입 중에 클램프로 기관 캐뉼라를 부드럽게 고정하여 폐를 부풀린 상태로 유지합니다. 아크릴 상자를 엽니다.
  2. 아크릴 상자에서 폐를 꺼내 유리 용기에 조심스럽게 넣는다.
    알림: 기관 캐뉼라가 기관에 단단히 고정되어 있는지 확인하십시오.
  3. 500 % SS 0.9mL를 붓습니다.
  4. 비닐로 포장된 유리 용기에 담아 냉장고에 넣어 2-8 °C의 온도에서 24시간 동안 보관합니다.
  5. 연속 5일 동안 7, 8, 9단계를 반복합니다.

심폐 차단 추출 순서도; 폐 역학 평가; 보관/주변 조건.
그림 1: 연구 순서도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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결과

우리는 23.4-26.9kg의 암컷 돼지 5마리를 사용했고, 심폐 적출 및 폐 역학 분석을 위해 설명된 프로토콜을 따랐다. 우리의 의도는 이 모델이 기계식 인공호흡기 화면에서 직접 수집된 최고 압력, 고원 압력, 저항, 구동 압력 및 동적 순응도 변수를 분석하여 폐 역학을 연구하는 데 유용하다는 것입니다. 모델 순서도는 그림 1에 나와 있습니다.

폐는 프로토콜의 항목 7.2, 8.1, 8.2, 9.1, 9.2 및 9.3에 설명된 전체 과정을 반복하여 연속 5일 동안 분석되었습니다. 우리는 폐 변수가 모집 전후에 어떻게 작용하는지 보여주고, 확립된 기간 동안 체외 폐 모델의 내구성을 검증하려고 노력했다.

유의한 차이(p < 0.05)는 ARM 전과 후 사이의 모든 변수에서 관찰되었습니다. 기동 후 최고 압력, 고원 압력(...

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토론

설명된 프로토콜은 양압 MV 하에서 생체외 돼지 폐 모델을 생성하는데 유용하다. 장치 화면에 투사된 곡선과 값을 모집하고 분석하는 동안 폐의 시각적 피드백을 통해 폐 역학을 연구하고 가르치는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 결과를 얻기 위해서는 흉곽 밖에서 폐의 거동을 이해하고 적응의 필요성을 확인하기 위한 파일럿 연구가 필요합니다.

임계점은 기계식 인공호흡기를 연결할 때 시각화된 흉막의 기포, 누공, 병변의 형성이며, 흡입된 TV와 만료된 TV의 차이와 볼륨 곡선의 변화로 확인되었습니다. 따라서 첫 번째 프로토콜 수정 중 하나는 심폐 장기를 절개하는 동안 절차 시작 시 횡격막 절개와 함께 흉부의 넓은 수술 개구부를 사용하는 것이었고, 이는 구조의 시각화를 개선하고 하부 폐 인대의 신중한 방출을 도와 폐 무결성을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 더욱이, 구조물을 해부한 후 파일럿 폐의 수동 팽창은 이 팽창이 압력 한계를 초과하여 물집과 누공의 형성에 기여한다...

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공개 사항

저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.

감사의 글

우리는 이 생체 외 돼지 폐 모델 프로토콜의 구축에 기여하고 지원한 모든 동료와 전문가에게 감사드립니다.

이 연구는 자금 출처가 없었다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
0.9 % 식염수2500ml
마취 기계 - PrimusDragerREF 8603800-18절차에 사용되는 마취 워크 스테이션
흉부의 혈액 흡인을 위한흡인기
침대 옆 모니터 - Life ScopeNihon KohdenBSM-7363절차 중에 사용되는 다중 매개 변수 모니터
Bonney Tissue Forceps모든 조직 겸자가 적합한
일회용 암표, # 23모든 암표는 적합한
일회용 주사기 바늘, 18G x 1 1/2 ", 23G x 1"BD302814널리 사용 가능한
일회용 주사기, 10ml널리 사용 가능한
전기 수술 장치 - SS-501WEM절단 및 응고에 적합합니다. 흉부 절개
펜타닐10mcg/kg 볼루스 + 10mcg/kg/hour 연속 주입
Finochietto 견인모든 finochietto 견인기가 적합합니다
헤파린3ml
주입 세트모든 주입 세트가
Isoflurane1.5%
Kelly Forceps Curved모든 켈리 집게가 적합합니다
: 케타민5mg / kg
젖산 링거 용액500ml
기계식 인공 호흡기 - 서보 IMaquetREF 6449701절차에 사용되는 기계식 인공 호흡기
Metzenbaum 가위 (직선 및 곡선)모든 metzenbaum 가위가 적합합니다
.0.25mg/kg
구강 기관 삽관 캐뉼라, #6.5Rusch112282널리 사용 가능한
플렉시 유리맞춤형 플렉시 유리 상자: 30x45x60cm
폴리에스터 봉합사, 2-0널리 사용 가능한
칼륨 코라이드10ml, 19.1% 염화칼륨.
프로포폴5mg/kg
3방향 마개널리 사용 가능한
정맥 카테터, G20 x 1"BD38183314널리 사용 가능
기 적합합니다

참고문헌

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