We presenteren een protocol voor het opzetten van een langdurig wakker extracorporaal membraanoxygenatie (ECMO) model bij schapen. Tijdens het ECMO-model wordt speciale aandacht besteed aan het beheer en de evaluatie van het stollingssysteem.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
We presenteren een protocol voor het opzetten van een langdurig wakker extracorporaal membraanoxygenatie (ECMO) model bij schapen. Tijdens het ECMO-model wordt speciale aandacht besteed aan het beheer en de evaluatie van het stollingssysteem.
Deze studie had tot doel de effecten te onderzoeken van langdurige wakkere extracorporale membraanoxygenatie (ECMO) op het stollingssysteem in een schapenmodel. In totaal werden tien gezonde schapen in het onderzoek opgenomen, met 5 schapen in elke groep. In de veno-arteriële ECMO (V-A ECMO) groep werd cannulatie uitgevoerd in de rechter halsslagader en de rechter uitwendige halsader. In de veno-veneuze ECMO (V-V ECMO)-groep werd een katheter met twee lumen gebruikt om in de rechter externe halsader in te brengen. Na het starten van ECMO werden de schapen hersteld van de narcose en bleven ze 7 dagen wakker. Het doel van de geactiveerde stollingstijd (ACT) werd gesteld op 220-250 s. In beide groepen schommelde de werkelijke ACT rond de 250 s, waarbij de dosis heparine geleidelijk toenam tot bijna 60 IE/kg/min aan het einde van de experimenten. Bovendien waren de waarden voor geactiveerde partiële tromboplastinetijd (APTT) en trombinetijd (TT) significant hoger in de V-A ECMO-groep in vergelijking met de V-V ECMO-groep, ondanks het feit dat ze dezelfde doses heparine kregen. Hoewel de resultaten van laboratoriumtests binnen een normaal en redelijk bereik fluctueerden, werden aan het einde van het onderzoek in beide groepen infarcthaarden in de nieren waargenomen.
Extracorporale membraanoxygenatie (ECMO) dient als een levensreddende interventie en biedt cardiopulmonale ondersteuning aan ernstig zieke patiënten. Het wordt ingedeeld in twee primaire vormen: veno-arteriële ECMO (V-A ECMO) en veno-veneuze ECMO (V-V ECMO)1,2. V-A ECMO wordt gebruikt voor patiënten met falen van de bloedsomloop, terwijl V-V ECMO de voorkeur heeft voor patiënten met respiratoire insufficiëntie, maar zonder ernstige cardiovasculaire disfunctie 3,4.
Trombose en bloeding komen vaak voor bij ECMO-patiënten5. Het ECMO-circuit stelt bloed bloot aan kunstmatige oppervlakken, waardoor complexe stollingsreacties worden geïnitieerd6. Deze processen kunnen leiden tot endotheelbeschadiging en microcirculatiestoornissen, resulterend in daaropvolgende disfunctie in vitale organen 7,8. Daarom wordt een effectief systemisch antistollingsbeheer als cruciaal beschouwd voor ECMO-patiënten. Desondanks blijft er een gebrek aan bewijs om antistollingsstrategieën te begeleiden in verschillende ECMO-gerelateerde klinische omgevingen.
Het opzetten van een stabiel ECMO-diermodel kan inzicht geven in de impact van ECMO op het lichaam, wat aanzienlijk kan bijdragen aan de optimalisatie van ECMO-managementstrategieën, het verminderen van ECMO-gerelateerde complicaties en het verbeteren van de patiëntresultaten in de klinische praktijk. Grote dieren, zoals schapen en varkens, zijn de primaire keuzes voor het opstellen van ECMO-modellen vanwege hun fysiologische parameters die sterk lijken op die van mensen 9,10. Eerdere ECMO-modellen met grote dieren hadden echter een onderhoudstijd van minder dan 24 uur, waardoor het een uitdaging is om de impact van ECMO op het stollingssysteem11 volledig te evalueren. Daarom is het nodig om ECMO-modellen voor grote dieren op lange termijn op te stellen om de pathofysiologische mechanismen van ECMO grondig te onderzoeken. Het gebruik van grote diermodellen op de lange termijn om de effecten van ECMO op het stollingssysteem te onderzoeken, kan robuuster bewijs opleveren voor de klinische praktijk.
Deze studie heeft tot doel een langdurig (7 dagen) wakker V-A en V-V ECMO-model op te stellen bij gezonde schapen. De centrale focus van het opstellen en evalueren van het model is het beheer van antistolling.
Dit experimentele protocol kreeg goedkeuring van de Institutional Animal Care and Use Committee van het Fuwai Hospital (nr. 0101-2-20-HX(X)). Alle procedures voldeden aan de richtlijnen die zijn uiteengezet in de National Institutes of Health's Guide for the Use and Care of Laboratory Animals. Het experiment vond plaats in het Beijing Key Laboratory of Pre-clinical Research and Evaluation for Cardiovascular Implant Materials, Animal Experimental Center van het Fuwai Hospital (registratienr. CNAS LA0009). In het onderzoek werden gezonde schapen gebruikt die voldeden aan de vereiste quarantainenormen in het Animal Experimental Center van het Fuwai Hospital. Bovendien volgde dit onderzoek de richtlijnen voor dieronderzoek: rapportage van in vivo experimenten. Mannelijke Small Tail Han-schapen met een gewicht van 50-65 kg en een leeftijd van 12-24 maanden (zie materiaaltabel) werden gehuisvest in een specifieke pathogeenvrije omgeving met vrije toegang tot voedsel en water gedurende ten minste een week voor de operatie. De schapen werden willekeurig toegewezen aan twee groepen, elk bestaande uit 5 individuen: de Veno-Arteriële ECMO (V-A ECMO) groep en de Veno-Veneuze ECMO (V-V ECMO) groep. De selectie van gezonde schapen werd gerechtvaardigd door de noodzaak om de effecten van ECMO-ondersteuning op het organisme nauwkeurig te beoordelen. De apparatuur en reagentia die in het onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.
1. Voorbereiding van dieren
2. Cannulatie
3. Initiatie van ECMO
4. Postoperatief beheer en monitoring
5. Euthanasie
In totaal werden tijdens het hele experiment tien schapen geëvalueerd, met vijf schapen in elke groep (Tabel 1). Na de start van ECMO herstelden alle schapen van de anesthesie en bleven ze 7 dagen wakker. In beide groepen bedroeg de ECMO-stroom meer dan 1,8 l/min. In de V-V ECMO-groep schommelde het debiet rond de 1,8 l/min, terwijl het in de v-a ecmo-groep varieerde van 2,3 l/min tot 1,8 l/min (Figuur 1A). De vitale functies van elk schaap bleven stabiel. Het melkzuurgehalte in het bloed was in beide groepen tussen 60 uur en 180 uur na het ontwaken lager dan 1 mmol/L (Figuur 1B). Gedurende de 7 dagen was het ernaar gestreefd om het ACT-niveau rond de 220-250 s te houden, en de werkelijke ACT schommelde rond de 250 s (Figuur 1C), waarbij de dosis heparine geleidelijk toenam en aan het einde van de experimenten bijna 60 IU/kg/min bereikte (Figuur 1D).
De protrombinetijd (PT) voor beide groepen varieerde van 15 s tot 32 s (Figuur 2A). De geactiveerde partiële tromboplastinetijd (APTT) en trombinetijd (TT) in de V-V ECMO-groep waren lager dan die in de V-A ECMO-groep (statistisch significant verschil voor APTT) op bepaalde tijdstippen gedurende het experiment (Figuur 2B,C). De internationaal genormaliseerde ratio in elke groep schommelde rond de 1,5 (Figuur 2D). Fibrinogeen, fibrine-afbraakproducten, D-dimeren en bloedplaatjes fluctueerden op dezelfde manier tussen de twee groepen en bleven binnen het normale bereik (Figuur 3).
De bloedspiegels van creatinine en bloedureumstikstof in beide groepen bleven gedurende het hele experiment binnen normale grenzen, zonder statistisch verschil tussen de twee groepen (Figuur 4). Bovendien werd waargenomen dat de vochtbalans in beide groepen minimale fluctuaties rond 0 vertoonde, en dat de CVP-metingen van beide groepen gedurende het hele onderzoek binnen het normale bereik bleven (Figuur 5). Aan het einde van het experiment vertoonden schapen in beide groepen infarcthaarden in de nieren, hoewel de laboratoriumresultaten fluctueerden binnen normale en redelijke marges (Figuur 6 en Tabel 1).

Figuur 1: Basisbewaking van de parameter. (A) ECMO-stroom. (b) Lac. (C) ACT. (D) Dosis heparine. Lak, Melkzuur; ACT, geactiveerde stollingstijd; V-V ECMO, veno-veneuze extracorporale membraanoxygenatie; V-A ECMO, veno-arteriële extracorporale membraanoxygenatie. Waarden: gemiddelde ± SEM. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2: Resultaten van de stollingsfunctie. (A) PT. (B) APTT. (C) TT. (D) INR. PT, protrombinetijd; APTT, geactiveerde partiële tromboplastinetijd; TT, trombinetijd; INR, internationaal genormaliseerde ratio; V-V ECMO, veno-veneuze extracorporale membraanoxygenatie; V-A ECMO, veno-arteriële extracorporale membraanoxygenatie. Een ongepaarde t-test werd uitgevoerd om de twee groepen op elk tijdstip te vergelijken. Waarden: gemiddelde ± SEM; *P < 0,05; P > 0,05 werd niet weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Fibrinogeen, fibrineafbraakproducten, D-dimeren en aantal bloedplaatjes in beide groepen. (A) FIB. (B) FDP. (C) D-dimeer. (D) PLT. FIB, fibrinogeen; FDP, fibrine-afbraakproducten; PLT, aantal bloedplaatjes; V-V ECMO, veno-veneuze extracorporale membraanoxygenatie; V-A ECMO, veno-arteriële extracorporale membraanoxygenatie. Een ongepaarde t-test werd uitgevoerd om de twee groepen op elk tijdstip te vergelijken. Waarden: gemiddelde ± SEM; P > 0,05 werd niet weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Monitoring van de nierfunctie. (A) Creatinine. (B) BROODJE. V-V ECMO, veno-veneuze extracorporale membraanoxygenatie; V-A ECMO, veno-arteriële extracorporale membraanoxygenatie; BUN, Bloedureum stikstof. Een ongepaarde t-test werd uitgevoerd om de twee groepen op elk tijdstip te vergelijken. Waarden: gemiddelde ± SEM; P > 0,05 werd niet weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Dynamische veranderingen in de vochtbalans en CVP-waarden. (A) Dagelijkse veranderingen in de vochtbalans van de V-V ECMO-groep. (B) Dagelijkse veranderingen in de vochtbalans van de V-A ECMO-groep. (C) CVP-monitoring. Een ongepaarde t-test werd uitgevoerd om de CVP van de twee groepen op elk tijdstip te vergelijken. Waarden: gemiddelde ± SEM; P > 0,05 werd niet weergegeven. CVP, centrale veneuze druk; V-V ECMO, veno-veneuze extracorporale membraanoxygenatie; V-A ECMO, veno-arteriële extracorporale membraanoxygenatie; PSD, dag na de operatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Renale anatomie en hematoxyline-eosinekleuring in beide groepen. Schaal staven: 400 μm; inzetstukken: 100 μm. V-V ECMO, veno-veneuze extracorporale membraanoxygenatie; V-A ECMO, veno-arteriële extracorporale membraanoxygenatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Aantal schapen | Geslacht | Gewicht (kg) | Pathologische resultaten van de nieren* |
| VA1 | Mannelijk | 58 | Geen |
| VA2 | Mannelijk | 54 | Geen |
| VA3 | Mannelijk | 55 | Focale klein infarct |
| VA4 | Mannelijk | 56 | Focale klein infarct |
| VA5 | Mannelijk | 57 | Focale klein infarct |
| VV1 | Mannelijk | 56 | Geen |
| VV2 | Mannelijk | 60 | Geen |
| VV3 | Mannelijk | 63 | Geen |
| VV4 | Mannelijk | 59 | Geen |
| VV5 | Mannelijk | 60 | Focale klein infarct |
| *De renale pathologische diagnose werd gesteld door twee onafhankelijke pathologen om een objectieve beoordeling te krijgen. | |||
Tabel 1: Renale pathologische resultaten voor de twee groepen.
Deze studie schetst de procedure voor het opstellen van robuuste overlevingsmodellen op lange termijn voor V-V en V-A ECMO bij schapen. Alle overlevende dieren vertoonden stabiele vitale functies en er traden geen ernstige bloedingen of stollingsvoorvallen op. De ECMO-flow en oxygenatieprestaties bleven stabiel, zonder ernstige pathologische letsels waargenomen. De studie biedt gedetailleerde informatie over antistollingsbeheer.
Antistollingsmanagement speelt een cruciale rol in de perioperatieve zorg van ECMO. Aanvankelijk, op basis van eerdere studies, werd het doel ACT vastgesteld op 180-220 s 14,15,16,17. Tijdens de pre-experimentfase werden echter fibrineafzetting en trombose in de oxygenator (zie materiaaltabel) waargenomen, wat aangeeft dat hogere antistollingsniveaus nodig waren voor de schapen. Ondanks de afwezigheid van significante bloedingsverschijnselen en een relatief stabiel aantal bloedplaatjes, werd de streefwaarde ACT aangepast naar 220-250 s. Deze aanpassing van de antistollingsdoelen benadrukt hematologische verschillen tussen schapen en mensen. Na deze aanpassing werden de fibrineafzetting en trombusvorming in de oxygenator verminderd, wat leidde tot stabiele prestaties van de oxygenator.
Gedurende het hele experiment werd een trend waargenomen in het aantal bloedplaatjes van de schapen, gekenmerkt door een aanvankelijke afname gevolgd door een toename. Opmerkelijk is dat zonder volbloed- of bloedplaatjestransfusies te ontvangen, het aantal bloedplaatjes zich herstelde en het basisniveau overtrof op de 7edag. De aanvankelijke daling van het aantal bloedplaatjes bij gezonde schapen die een continue heparine-infusie ondergaan, kan worden toegeschreven aan door heparine geïnduceerde trombocytopenie18. De daaropvolgende toename kan worden verklaard door compensatiemechanismen binnen de stollings- en hematopoëtische systemen van schapen.
Bovendien waren de APTT- en TT-waarden aanzienlijk hoger in V-A ECMO in vergelijking met V-V ECMO bij toediening van dezelfde doses heparine aan gezonde schapen. Deze observatie suggereert dat V-A ECMO beter reageert op stollingsparameters na heparine-antistolling. In een eerdere cohortstudie werd opgemerkt dat patiënten die V-A ECMO-ondersteuning kregen, lagere doses heparine nodig hadden in vergelijking met degenen die V-V ECMO-ondersteuning kregen om vergelijkbare APTT-niveaus te bereiken. Bovendien vertoonden V-A ECMO-patiënten een verhoogde consumptie van stollingsfactoren19. Deze bevindingen geven samen de noodzaak aan van verschillende overwegingen bij coagulatiebeheer tussen deze twee ECMO-modaliteiten.
Hoewel bijna alle laboratoriumtestresultaten binnen normale en redelijke waarden fluctueerden, werden aan het einde van het experiment infarcthaarden geïdentificeerd in de nieren van beide groepen. Dit benadrukt dat perfusie en coagulatie van vitale organen de aandachtspunten blijven van ECMO-beheer, en benadrukt dat laboratoriumtests alleen niet kunnen worden gebruikt om de orgaanstatus te beoordelen.
Tijdens de behandeling van dit model nam de dosis heparine geleidelijk toe, wat wijst op dynamische antistolling voor langdurige ECMO-behandeling. Het is echter mogelijk dat de ECMO-antistollingsstrategie die voor normale schapen wordt gebruikt, niet direct toepasbaar is op de klinische scenario's van ernstig zieke patiënten. De complexiteit van kritieke ziekte en de ontstekingsreactie ervan kunnen de hemostase van de patiënt verder verstoren, vooral in gevallen van verworven hypercoagulabiliteit en hyperinflammatie, zoals waargenomen bij COVID-19-patiënten 7,20. De antistollingsstrategie voor ECMO in diverse klinische situaties blijft een cruciale klinische overweging. Toekomstige gedetailleerde klinische onderzoeken zijn nodig om ECMO-antistollingsstrategieën te onderzoeken voor patiënten met verschillende preoperatieve stollingsstatussen bij aanvang en patiënten die verschillende klinische situaties ondergaan (V-V- en V-A-modellen).
In deze studie bleven verschillende beperkingen bestaan. Ten eerste was er geen schijngroep opgenomen. Ten tweede werd om de bloedconsumptie te minimaliseren geen dynamische monitoring van ontstekingsmarkers uitgevoerd. Bovendien heeft deze studie geen ziektediermodel vastgesteld dat verband houdt met ECMO, en de postoperatieve behandeling van ECMO die in dit artikel wordt beschreven, kan afwijken van de klinische praktijk.
Concluderend is gebleken dat het ECMO-model voor langdurig wakkere schapen met doel-ACT-waarden tussen 220-250 s voor antistollingsbeheer haalbaar en stabiel is. Naast het nauwlettend monitoren van de stollingsfunctie, blijft de perfusiefunctie van vitale organen een aandachtspunt in de ECMO-behandeling. Verdere experimenten in de toekomst zijn nodig om zich te verdiepen in geschikte antistollingsmanagementstrategieën in ECMO-modellen voor ziektedieren.
De auteurs hebben niets te onthullen.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| ACT analyzer | Hemochron, USA | Jr Signature | |
| Anaesthesia machine | Drager, Germany | Primus | |
| Arterial catheter | Edwards Lifescience, USA | 18-Fr | Biedt toegang voor retournering in een slagader voor VA-EMCO |
| Blood chemistry analyzer | IDEXX Laboratories, USA | Catalyst One | |
| Blood gas analyzer | Abbott, USA | Abbott i-STAT1 | |
| Centrifugal pump | Jiangsu STMed Technologies, China | STM CP-24 I | |
| Centrifugal pump drive and console | Jiangsu STMed Technologies, China | OASSIST STM001 | |
| Coagulation test analyzer | Beijing Succeeder Technology, China | SF-8050 | |
| Complete blood count analyzer | Siemens Healthcare, Germany | ADVIA 2120i | |
| Dual-channel micro-injection pump | Zhejiang Smith Medical Instrument, China | WZS-50F6 | |
| Dual-lumen catheter | MAQUET Avalon Elite, Germany | 23-Fr | Biedt toegang voor retournering en drainage in de rechter externe halsslagader voor VV-ECMO |
| Flurbiprofen | Beijing Tide Pharmaceutical Co., Ltd., China | 5ml: 50mg | |
| GraphPad software | GraphPad Software, USA | GraphPad Prism v9.0 | Statistische analyse |
| Heparin | Shanghai Shangyao No.1 Biochemical Pharmaceutical Co., Ltd., China | 2ml: 12500IU | |
| High-frequency electrosurgical | COVIDIEN, USA | Force F | |
| Multi-parameter medical monitor | Philips, Netherlands | MP60 | |
| Oxygenator kit | Medos, Germany | Hilite 7000LT | |
| Oxygenator kit | Maquet, Germany | BE-PLS 2050 | |
| Propofol | Xi’an Libang Pharmaceutical Co. Ltd, China | 20ml: 0.2g | |
| Single-lumen central venous catheter | TuoRen, China | 18Fr | Inbrengen in de linker halsslagader voor hemodynamisch bewaking en bloedmonsters. |
| Small Tail Han sheep | Jinyutongfeng Commercial and Trade Co. Ltd, China | gewicht: 50-65 kg, leeftijd: 12-24 maanden | |
| Triple-lumen central venous catheter | TuoRen, China | 7Fr | Inbrengen in de linker halsader voor intraveneuze vloeistof toediening, medicijninjectie, en bloedmonsters. |
| Ultrasound machine | GE, USA | E9 | |
| Venous catheter | Edwards Lifescience, USA | 24-Fr | Biedt de drainage toegang in een ader voor VA-ECMO |
| Ventilator | Drager, Germany | Savina |
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen