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Bioengineering

출혈성 쇼크의 돼지 모델에서 비침습적 및 침습적 신장 저산소증 모니터링

Published: October 28, 2022 doi: 10.3791/64461
Automatic Translation
1, 2,3, 1,4, 4,5
1Department of Biomedical Engineering, University of Utah, 2Department of Emergency Medicine, University of Utah, 3Nora Eccles Harrison Cardiovascular Research and Training Institute, University of Utah, 4Department of Anesthesiology, University of Utah, 5Geriatric Research, Education, and Clinical Centre, VAMC

ERRATUM NOTICE

Summary

여기에 제시된 프로토콜은 급성 신장 손상(AKI)의 초기 지표이자 새로운 소생적 종점으로서 소변 산소 분압을 설정하기 위해 출혈성 쇼크 돼지 모델에서 수질의 신장 산소 및 비침습적 소변 산소 분압을 측정하는 프로토콜입니다.

Abstract

외상 환자의 최대 50%가 급성 신장 손상(AKI)이 발생하는데, 이는 부분적으로 심각한 출혈 후 신장 관류 불량으로 인한 것입니다. AKI는 현재 기준선에서 혈청 크레아티닌 농도의 변화 또는 장기간의 소변량 감소에 따라 진단됩니다. 불행히도 기준선 혈청 크레아티닌 농도 데이터는 대부분의 외상 환자에서 사용할 수 없으며 현재 추정 방법은 정확하지 않습니다. 또한 혈청 크레아티닌 농도는 손상 후 24-48시간까지 변하지 않을 수 있습니다. 마지막으로, 핍뇨는 AKI를 진단하기 위해 최소 6시간 동안 지속되어야 하므로 조기 진단에는 비실용적입니다. 현재 사용 가능한 AKI 진단 접근법은 외상 환자의 소생술 중 위험을 예측하는 데 유용하지 않습니다. 연구에 따르면 산소 분압(PuO2)이 신장 저산소증을 평가하는 데 유용할 수 있습니다. 비침습적으로PuO2 를 측정하기 위해 요도 카테터와 소변 수집 백을 연결하는 모니터가 개발되었습니다. 이 장치는 발광 소광 원리를 기반으로PuO2 를 추정하는 광학 산소 센서를 통합합니다. 또한이 장치는 소변의 흐름과 온도를 측정하며, 후자는 온도 변화의 교란 효과를 조정합니다. 소변 흐름은 소변 흐름이 낮은 기간 동안 산소 유입의 영향을 보상하기 위해 측정됩니다. 이 기사는 비침습적PuO2, 신장 저산소증 및 AKI 발달 사이의 관계를 연구하기 위해 출혈성 쇼크의 돼지 모델을 설명합니다. 이 모델의 핵심 요소는 피복되지 않은 광학 마이크로 화이버를 기반으로하는 산소 프로브의 신장 수질에 초음파 유도 수술 배치입니다. PuO2 는 또한 방광에서 측정되고 신장 및 비침습적PuO2 측정과 비교됩니다. 이 모델은 AKI의 초기마커로서 PuO2를 테스트하고 전신 산소화보다는 말단 기관을 나타내는 출혈 후 소생 종점으로서PuO2 를 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

Introduction

급성 신장 손상(AKI)은 중환자실에 입원한 외상 환자의 최대 50%에 영향을 미친다1. AKI가 발병한 환자는 입원 및 중환자실 입원 기간이 더 길고 사망 위험이 3배 더 높은 경향이 있습니다 2,3,4. 현재 AKI는 신장 질환 개선 종합 결과(KDIGO) 가이드라인에 의해 가장 일반적으로 정의되며, 이는 기준선 또는 장기간의 핍뇨 기간에서 혈청 크레아티닌 농도의 변화를 기반으로 합니다5. 기준선 크레아티닌 농도 데이터는 대부분의 외상 환자에서 사용할 수 없으며, 추정 방정식은 신뢰할 수 없으며 외상 환자에서 검증되지 않았습니다6. 또한, 혈청 크레아티닌 농도는 손상 후 최소 24시간까지 변하지 않을 수 있어 조기 식별 및 개입이 배제된다7. 연구에 따르면 소변 배출량이 혈청 크레아티닌 농도보다 AKI의 초기 지표인 것으로 나타났지만, KDIGO 기준은 최소 6시간의 핍뇨를 요구하므로 부상 예방을 목표로 하는 중재가 배제된다8. AKI를 정의하기 위한 최적의 시간당 소변량 역치와 핍뇨의 적절한 지속 기간도 논의되어 질병의 초기 마커로서의 효과를 제한합니다 9,10. 따라서 AKI에 대한 현재 진단 조치는 외상 환경에서 유용하지 않고 AKI의 진단이 지연되며 AKI 발병에 대한 환자의 위험 상태에 대한 실시간 정보를 제공하지 않습니다.

외상 환경에서 AKI의 발달은 복잡하고 저혈량증으로 인한 신장 관류 불량, 혈관 수축으로 인한 신장 혈류 감소, 외상 관련 염증 또는 허혈 재관류 손상과 같은 여러 원인과 관련될 가능성이 있지만 신장 저산소증은 대부분의 AKI11,12 형태에서 공통적인 요인입니다. 특히, 신장의 수질 영역은 나트륨 재흡수와 관련된 산소 전달 감소 및 높은 대사 활동으로 인해 외상 환경에서 산소 요구량과 공급 사이의 불균형에 매우 취약합니다. 따라서 신장 수질 산소 공급을 측정 할 수 있다면 AKI 발병에 대한 환자의 위험 상태를 모니터링 할 수 있습니다. 이것이 임상적으로 가능하지는 않지만, 신장 출구의 산소 분압(PuO2)은 수질 조직 산소화와 밀접한 상관관계가 있다13,14. 다른 연구들은 방광PuO2를 측정하는 것이 가능하며, 신장 혈류의 감소와 같은 수질 산소 및 신장 골반PuO2 수준을 변화시키는 자극에 반응하여 변화한다는 것을 보여주었다15,16,17. 이러한 연구는 PuO2 가 말단 장기 관류를 나타낼 수 있으며 외상 환경에서 중재가 신장 기능에 미치는 영향을 모니터링하는 데 유용할 수 있음을 시사합니다.

PuO2를 비침습적으로 모니터링하기 위해 신체 외부의 요로 카테터 끝에 쉽게 연결할 수 있는 비침습적PuO2 모니터가 개발되었습니다. 비침습적PuO2 모니터는 온도 센서, 발광 소멸 산소 센서 및 열 기반 유량 센서의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 각 산소 센서는 광학적으로 기반이 되며 발광과 산소 농도 간의 관계를 정량화하기 위해 Stern-Volmer 관계에 의존하기 때문에 온도 변화의 잠재적인 교란 효과를 상쇄하기 위해 온도 센서가 필요합니다. 유량 센서는 소변 배출량을 정량화하고 소변 흐름의 방향과 크기를 결정하는 데 중요합니다. 세 가지 구성 요소는 모두 암, 암, t자형 루어 잠금 커넥터와 폴리염화비닐(PVC) 플렉시블 튜빙의 조합으로 연결됩니다. 원추형 커넥터가 있는 끝은 요도 카테터의 출구에 연결되고 원추형 커넥터 위의 튜브가 있는 끝은 소변 수집 백의 커넥터 위에 슬라이드를 연결합니다.

방광의 원위까지 측정했음에도 불구하고 최근 연구에 따르면 심장 수술 중 낮은 소변PuO2는 AKI18,19 발병 위험 증가와 관련이 있습니다. 유사하게, 현재의 동물 모델은 주로 심장 수술 및 패혈증동안 AKI의 조기 발견에 초점을 맞추고 있다 14,20,21,22. 따라서 트라우마 환경에서 이 새로운 장치를 사용하는 것에 대한 질문이 남아 있습니다. 이 연구의 목적은PuO2를 AKI의 초기 마커로 확립하고 외상 환자의 소생적 종점으로서의 사용을 조사하는 것입니다. 이 원고는 신장 수질에 비침습적 PuO2 모니터, 방광PuO2 센서 및 조직 산소 센서의 배치를 포함하는 출혈성 쇼크의 돼지 모델을 설명합니다. 비침습적 모니터의 데이터는 방광PuO2 및 침습적 조직 산소 측정과 비교됩니다. 비침습적 모니터에는 소변 유속과 산소 유입 사이의 관계를 이해하는 데 유용한 유량 센서도 포함되어 있어 소변이 요로를 통과할 때 비침습적PuO2로부터 신장 수질 조직 산소화를 추론하는 능력을 감소시킵니다. 또한 세 가지 산소 센서의 데이터를 평균 동맥압과 같은 전신 활력 징후와 비교합니다. 중심 가설은 비침습적PuO2 데이터가 침습성 수질 산소 함량과 강한 상관관계가 있고 소생술 중 수질 저산소증을 반영할 것이라는 것입니다. 비침습적PuO2 모니터링은 AKI를 조기에 식별하고 전신 산소화가 아닌 말단 장기를 나타내는 출혈 후 새로운 소생 종점 역할을 함으로써 외상 관련 결과를 개선할 수 있는 잠재력이 있습니다.

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Protocol

유타 대학교의 기관 동물 관리 및 사용 위원회는 여기에 설명된 모든 실험 프로토콜을 승인했습니다. 실험 전에 체중이 50-75kg이고 생후 6-8개월 사이인 총 12마리의 거세된 수컷 또는 임신하지 않은 암컷 요크셔 돼지를 최소 7일 동안 인클로저에 적응시켰습니다. 이 기간 동안 모든 관리는 수의사가 지시하며 실험 동물의 관리 및 사용 가이드 및 동물 복지법 규정 및 표준에 따라 지시됩니다. 동물들은 마취 유도 전에 밤새 금식하지만 물에 자유롭게 접근 할 수 있습니다.

1. 센서 어셈블리

  1. 열가소성 엘라스토머(TPE) 튜빙 6cm 조각, 1/8인치 및 3/16인치 PVC 튜빙 25mm 조각, 1/8인치 및 3/16인치 PVC 튜빙 31mm 조각을 자릅니다.
  2. 온도 프로브의 노출된 팁에 맞도록 통풍이 되지 않는 캡 상단에 구멍을 뚫습니다. 3/32인치 드릴 비트로 시작한 다음 1/8인치 드릴 비트를 사용합니다.
  3. 5/32인치 드릴 비트를 사용하여 산소 센서에 맞도록 T-커넥터의 상단 부분을 뚫습니다.
  4. 1/8인치 PVC 튜브의 짧은 부분을 유량 센서의 입구 쪽으로 밉니다. 더 긴 1/8인치 PVC 튜브를 유량 센서의 출구 쪽(유량 센서 자체의 화살표로 지정됨) 위로 밉니다. 더 짧고 긴 3/16 인치 PVC 튜브 조각을 1/8인치 PVC 튜브의 해당 길이 위로 밉니다. 수 루어 잠금 커넥터의 가시 끝을 1/8인치 PVC 튜브의 열린 끝에 삽입합니다.
    알림: 필요한 경우 철조망 위로 미끄러지기 전에 히트 건을 사용하여 튜브를 가열하십시오. 이소프로필 알코올을 사용하여 철조망 끝을 윤활하여 철조망 커넥터 위로 튜브를 더 쉽게 밀어 넣을 수도 있습니다.
  5. 생체 적합성 접착제를 혼합하십시오.
  6. 보호 덮개 또는 튜브를 제거하여 온도 프로브의 끝을 노출시킵니다. 서미스터의 튜브 내부를 생체적합성 접착제로 채우되 노출된 팁을 덮지 마십시오.
  7. 그림 1과 같이 부품을 조립합니다. 통풍이 되지 않는 캡에 서미스터를 삽입할 때와 TPE 튜브의 3/8인치를 철조망 끝 위로 밀기 전에 접착제를 사용하여 각 루어 잠금 연결을 고정하십시오.
  8. 살균 전에 산소 스틱의 파란색 캡이 너무 세게 꼬이지 않았는지 확인하거나 살균 후 되돌리기 어려울 수 있습니다.
    알림: 조립된 장치의 이미지는 참조용으로 그림 1 에 나와 있습니다. 이 실험을 위해, 광섬유 케이블은 장치에 사용되는 특정 산소 센서와 함께 작동하도록 설계된 소프트웨어를 포함하는 전기 광학 모듈에 연결되었습니다. 모든 발광 소광질 기반 산소 센서 및 호환 가능한 데이터 수집 장치가 작동합니다. 또한 맞춤형 모듈과 인쇄 회로 기판은 유량 센서와 온도 프로브를 연결하도록 설계되었습니다. 실시간으로 데이터를 수집하고 표시하기 위해 맞춤형 소프트웨어가 사용되었습니다.

2. 실험 절차

  1. 마취 유도 및 모니터링.
    1. 케타민(2.2mg/kg)과 자일라진(2.2mg/kg) 및 텔라졸(4.4mg/kg)을 근육주사하여 동물을 진정시킵니다.
    2. 동물의 크기에 따라 후두경을 사용하여 적절한 크기(대부분 7mm에서 8mm 사이)의 커프가 있는 기관내관을 놓습니다.
    3. 양쪽 눈에 눈 윤활제를 바릅니다.
    4. 유도 후, 산소에 혼합된 1.5%-3.0% 기체 이소플루란으로 마취를 유지하면서 동물을 기계적으로 환기시킵니다. 흡기 산소 분율을 40%-100%, 호기말 양압을 4cm H2O, 일회 호흡량을 6-8mL/kg으로 설정하고 호흡수와 일회 호흡량을 조정하여 호기말CO2 를 35-45mmHg로 유지합니다.
    5. 턱 색조, 약 15분마다 안검 반사, 실험 전반에 걸쳐 자발적인 움직임의 부재를 평가하여 적절한 마취 깊이를 모니터링하고 확인합니다. 또한 조직 관류(점막 색상, 모세혈관 보충 시간, 심박수), 맥박 산소 측정법, 호기말CO2, 심부 체온 및 심전도의 임상 매개변수를 모니터링합니다.
    6. 온난화 담요 위에 동물을 등쪽 누운 자세로 놓고 각 다리를 테이블에 고정하십시오.
    7. 프로토콜은 섹션 5에 설명된 대로 실험이 끝날 때 동물을 안락사시키는 비생존 절차입니다.
  2. 실험을 위해 동물을 준비하십시오.
    1. 클로르헥시딘을 세 번 번갈아 문지르고 알코올을 문질러 피부를 문질러 모든 천자 부위 (2.2.3-2.2.7 단계에 나열됨)를 준비하십시오. 세 번째 스크럽 후 클로르헥시딘을 바르고 완전히 건조시킨 다음 수술 부위를 무균 상태로 드레이프합니다.
    2. 국소 통증 완화를 위해 2% 리도카인으로 모든 천자 및 절개 부위에 국소적으로 침투합니다.
    3. 초음파 유도 및 Seldinger 기술을 사용하여 약물 주입 및 중심 정맥압 모니터링을 위해 오른쪽 외부 경정맥에 9 Fr 카테터를 배치하고 소생술을 위해 오른쪽 대퇴 정맥에 7 Fr 카테터를 배치합니다.
    4. 초음파 유도에 따라 오른쪽 상완 동맥에 7Fr 덮개를 놓습니다.
    5. 초음파 유도에 따라 오른쪽 대퇴 동맥에 7 Fr 덮개를 놓습니다.
    6. 초음파 유도에 따라 왼쪽 대퇴 동맥에 7 Fr 덮개를 놓습니다.
    7. 초음파 유도하에 오른쪽 또는 왼쪽 경동맥에 5Fr 덮개를 놓습니다.
    8. 왼쪽 대퇴 동맥초를 통해 대동맥의 소생성 혈관내 폐색(REBOA) 카테터의 풍선 원위 압력을 모니터링합니다.
      1. 일회용 압력 변환기를 REBOA 풍선 말단에 있는 동맥 카테터에 연결합니다.
    9. 경동맥초를 통해 REBOA 카테터의 풍선에 대한 근위 압력을 모니터링합니다.
      1. 일회용 압력 변환기를 REBOA 풍선 근처에 있는 동맥 카테터에 연결합니다.
    10. 흉골의 하부에서 시작하여 치골에서 끝나는 복부의 정중선을 따라 절개하여 정중선 개복술을 시행합니다.
    11. 복부를 연 상태에서 방광을 확인하고 방광 절개술을 수행하거나 작은 절개를 하여 20Fr 요도 카테터의 끝을 방광에 삽입합니다. 지갑 끈 봉합사를 사용하여 요로 카테터를 제자리에 놓고 방광 절개술을 닫습니다. 카테터를 제자리에 놓은 후 봉합사로 피부에 고정합니다.
    12. 카테터의 출구를 소변 수집 백에 연결하기 전에 비침습적PuO2 모니터의 원뿔 모양 끝을 카테터의 출구에 삽입합니다.
    13. 새로운 PuO2 모니터 끝에 있는 개방형 튜브를 소변 수집 백에 연결된 튜브의 원뿔 모양 커넥터 위에 놓습니다.
    14. 출혈로 인한 자동 수혈을 제거하기 위해 비장을 제거하십시오.
      1. 비장을 찾습니다. 비장의 문턱 또는 비장 동맥과 정맥이 비장으로 들어가는 부위를 확인하십시오. 각 용기를 고정하고 transect합니다.
      2. 절개 후 2-0 봉합사를 사용하여 수정된 Miller 매듭을 사용하여 각 혈관을 결찰합니다.
  3. 방광PuO2 및 조직 산소 공급을 측정하기 위해 기기를 놓습니다.
    1. 방광 출구에서 PuO2를 측정합니다.
      1. 카테터에서 풍선을 식별하십시오. 풍선 바로 아래에서 카테터의 장축을 따라 절개하여 풍선에 연결되는 내강을 자르지 않도록하십시오.
      2. 절개 후 감지 물질이 포함된 t-커넥터를 절개 부위에 삽입합니다.
      3. 티슈 접착제를 사용하여 t-커넥터를 제자리에 고정합니다.
      4. 방광 데이터 수집 장치의 광섬유 케이블을 감지 재료가 포함된 커넥터에 연결합니다.
      5. 데이터 수집 장치에 새 파일을 만들고 독립 실행형 수집 장치와 실험에 사용된 다른 장치 간의 시간 차이를 확인합니다.
        1. 이 연구에 사용된 데이터 수집 장치의 경우: 뒤로 화살표를 눌러 주 메뉴로 이동합니다.
        2. 측정 설정으로 이동하여 확인을 클릭합니다. 화살표를 사용하여 측정 브라우저 상자를 강조 표시하고 확인을 누릅니다.
        3. 오른쪽 화살표를 눌러 새 파일을 만듭니다. 새 파일의 이름을 입력하고 완료를 선택합니다.
        4. 새 파일 이름을 강조 표시하고 확인을 선택합니다. 측정 화면으로 이동하고 확인을 클릭하여 녹음을 시작합니다.
    2. 수질 신장 조직 산소 공급을 측정합니다.
      1. 신장의 위치를 내부적으로 확인하십시오.
      2. 장을 움직여 명확한 부위를 확보하고 전체 신장에 접근 할 수 있도록하십시오.
      3. 센서를 2" 18 게이지 카테터에 삽입합니다. 센서의 끝이 노출되도록 센서의 루어락 커넥터를 조정하십시오. 카테터를 제거하고 18게이지 바늘 위에 놓습니다.
      4. 초음파 유도하에 18게이지 바늘과 2인치 카테터를 신장 수질에 넣습니다.
      5. 카테터를 제자리에 유지하면서 바늘을 제거합니다. 조직 센서를 카테터에 끼우고 루어 잠금 장치를 사용하여 센서를 카테터에 연결합니다.
      6. 티슈 접착제를 사용하여 카테터를 제자리에 고정합니다.
      7. 조직 센서를 데이터 수집 상자에 연결합니다.
      8. 기구 및 동물을 준비한 후 실험 프로토콜을 시작하기 전에 10분 동안 기다리십시오. 이 기간은 기준 기간으로 간주됩니다.
  4. 실험 프로토콜
    1. 실험 절차를 시작하기 전에 평균 동맥압(MAP)이 ≥65mmHg인지 확인하십시오. MAP가 임계값 미만인 경우 등장성 결정질 용액의 5mL/kg 볼루스를 최대 2개까지 포기하십시오. MAP가 65mmHg 미만으로 유지되면 목표 MAP에 도달할 때까지 노르에피네프린(0.02μg/kg/min)을 주입합니다.
    2. 출혈성 쇼크를 유발합니다.
      1. 25분에 걸쳐 오른쪽 상완 동맥초를 통해 동물의 예상 혈액량의 60%(30mL/kg으로 추정)를 부드럽게 교반된 구연산 채혈 백에 제거합니다. 혈액 제거 시작을 t = 0 분으로 표시하십시오.
      2. 제거된 혈액을 37°C의 온수 수조에 보관합니다.
      3. 그런 다음 무작위화를 수행하여 동물을 전혈이 있는 REBOA 또는 결정질이 있는 REBOA 그룹(각 그룹에 대해 n = 6)에 할당합니다.
    3. REBOA 카테터를 놓습니다.
      1. 오른쪽 대퇴 동맥초에 7 Fr REBOA 카테터를 삽입합니다. 카테터의 풍선을 다이어프램 바로 위에 놓고 형광투시법을 이용하여 위치를 확인합니다.
      2. t = 30분에서 REBOA 풍선을 팽창시키고 45분 동안 대동맥을 완전히 폐색합니다.
    4. 소생술을 시작하고 중환자 치료를 시행합니다.
      1. t = 70분에서 각 동물에게 흘린 혈액을 15분 동안 수혈합니다.
      2. 구연산염으로 인한 저칼슘혈증을 예방하기 위해 10분 이상 칼슘을 정맥 주사합니다.
      3. t = 75분에서 REBOA 풍선을 10분 동안 수축시킵니다.
      4. t = 360 분까지 수액과 노르 에피네프린으로 동물을 소생시켜 MAP를 65 mmHg> 유지합니다.
  5. 실험 종료 및 안락사
    1. 남아 있는 혈액 또는 소변 샘플을 수집합니다.
    2. 펜토바르비탈 나트륨(390mg)과 페니토인 나트륨(50mg)(1mL/10lbs)을 함께 주사하여 동물을 안락사시킵니다.

3. 데이터 처리

  1. 모든 데이터 파일을 시간 동기화합니다.
    1. 서로에 대해 각 장치에 기록된 시간 및 실험 시작을 기준으로 t = 0이 실험 시작을 나타내도록 모든 데이터 파일을 정렬합니다.
  2. 유량 센서에서 오류 플래그와 관련된 모든 데이터 포인트를 제거합니다.
    알림: 오류 유형은 High Flow Rate 및 Air-in-Line입니다. 높은 유량 오류는 유량이 센서의 출력 한계를 초과했음을 나타냅니다. Air-in-Line 오류 플래그는 센서가 흐름 채널에서 공기를 감지할 때 발생합니다.
  3. 음수 흐름과 연결된 데이터를 삭제합니다.
    1. 흐름이 음수가 되면 센서를 지나 역방향으로 흐르는 볼륨을 추적합니다.
    2. 흐름이 양수가 된 후 부피를 추적하고 음의 흐름과 비교하여 최근에 배뇨된 소변의 측정값만 포함합니다.

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Representative Results

도 1 은 본 원고에 기술된 비침습적PuO2 모니터의 이미지를 나타낸다. 도 2 는 기재된 돼지 출혈 모델과 유사한 실험 동안 단일 대상체에서 MAP 및 비침습적PuO2 측정치의 플롯을 나타낸다. 실험 시작시 출혈이 시작되면서 MAP와 PuO2 가 감소했습니다. PuO2 의 초기 감소에 이어 REBOA 풍선이 수축될 때까지 점진적으로 증가했습니다. 점진적인 증가는 출혈로 인한 저혈량증으로 인해 소변량이 급격히 감소한 후 대동맥 폐색과 일치했습니다. 소변량이 적은 기간 동안PuO2 데이터는 소변이 신장 출구에서 비침습적 측정 부위로 이동함에 따라 주변 조직 및 공기와의 산소 교환 때문에 신뢰할 수 없었습니다. 중환자 치료 단계에서 PuO2가 크게 감소했으며 이는 소변량 증가와 일치했습니다. 소변량의 증가는 주변 조직과의 산소 교환의 영향을 제한했으며 PuO2 데이터가 유효한 것으로 결정되었습니다. 실험 기간 동안 수집된 비침습적PuO2 데이터는 MAP와 같은 다른 데이터와 비교될 수 있다. 이 대상에서, MAP는 중환자 치료 기간 동안 일정하게 유지되는 것으로 보이며,PuO2 는 약 180분에 최대치에 도달한 후 240분까지 감소하고, 이어서 실험이 끝날 때까지 점진적으로 증가한다.

Figure 1
그림 1: 비침습적PuO2 모니터의 이미지. 장치는 카테터와 수집 백 사이를 연결합니다. 이 장치에는 온도 프로브, 발광 기반 산소 센서 및 관련 광섬유 케이블, 열 기반 유량 센서가 포함되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: 설명된 출혈성 쇼크 돼지 모델 동안 측정된 비침습적PuO2 및 MAP입니다. 모든 데이터는 1Hz에서 샘플링되었습니다. HEM = 출혈, MAP = 평균 동맥압. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

AKI는 외상 환자에게 흔한 합병증이며 현재 신장 조직 산소 공급에 대한 검증된 병상 모니터가 없기 때문에 AKI를 조기에 감지하고 잠재적인 개입을 안내할 수 있습니다. 이 원고는 AKI의 초기 지표이자 외상 환경에서 새로운 소생술 종점으로서 비침습적PuO2 를 확립하기 위한 돼지 출혈성 쇼크 모델의 사용 및 계측을 설명합니다.

이 돼지 모델의 뚜렷한 장점 중 하나는 수질에 직접 있는 것을 포함하여 세 가지 다른 위치에서 산소 측정값을 비교할 수 있다는 것입니다. 인간에서 방광 및 비침습적PuO2를 측정하는 것은 가능하지만, 수질에서 직접 산소 함량을 측정하는 것은 불가능하다. 패혈증 및 심장 수술에서PuO2 모니터링의 적용을 연구한 이전 동물 모델은 일반적으로 비침습적 또는 방광 산소 측정에 의존했으며, 수질 조직 산소 함량을 동시에 측정한 연구는 소수에 불과했습니다23. 또한 이전 연구의 대부분은 생쥐나 토끼와 같은 작은 동물에서 수행되어 번역 영향을 제한합니다. 돼지의 사용은 동물이 중환자가 겪는 것과 유사하게 모니터링 및 중환자 치료를 허용할 만큼 충분히 크기 때문에 유리합니다. 산소 센서는 초음파 유도하에 수질에 배치된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 초음파는 카테터와 센서가 실제로 신장의 수질 영역에 있는지 확인하는 데 사용됩니다. 또한 비침습적 모니터에는 소변 유량 센서가 포함되어 있습니다. 이는 신장 골반 원위부에 있는PuO2를 측정하는 교란 요인 중 하나가 요로를 따라 산소 유입이기 때문에 중요하다24. 산소 유입의 영향은 이전 실험에서 제시된 데이터에서 볼 수 있습니다. 대동맥 폐색 기간 및 이에 상응하는 낮은 소변 흐름 동안 PuO2 는 소변 배출량이 증가한 중환자 치료 단계에 비해 인위적으로 상승했습니다. 소변 유속 데이터를 사용하여, 유효한 비침습적 PuO2 데이터만을 방광 PuO2 및 수질 조직 산소 수준과 비교할 수 있을 뿐만 아니라, 비침습적PuO2 데이터가 더 이상 신장 산소화를 나타내지 않는 유속 역치를 결정할 수 있다.

서로 다른 측정 부위의 산소 데이터를 비교하는 것 외에도 이 모델은 신장 산소 전달, 신장 조직 산소 공급 및 MAP와 같은 전체 관류 지표를 개선하는 데 가장 효과적인 소생술 제품을 비교하는 데 도움이 됩니다. 모델의 현재 반복은 전혈과 결정체를 비교합니다. 현재 가이드라인은 저혈압성 출혈성 외상 환자의 첫 번째 치료법으로 결정질을 사용할 것을 제안한다25. 다른 사람들은 결정체를 사용한 수액 소생술이 신장 조직의 산소 공급을 회복시키지 못했지만 수혈은 회복 시켰다는 것을 보여 주었다26. 그러나 최적의 수혈 종점은 불분명하며 일부 외상 환경(농촌, 원격 또는 무력 충돌 환경)에서는 자원이 제한될 수 있습니다. 이 연구의 데이터를 기반으로 비침습적PuO2 모니터는 외상 환자에서 적절한 수혈 역치를 결정하기 위한 새로운 종점 역할을 할 수 있습니다. 이 연구에서 비침습적PuO2 모니터를 검증한 후, 이 모델의 향후 반복은 고장성 용액 및 합성 콜로이드의 사용과 같은 다른 소생액의 사용을 탐색할 수 있습니다.

다른 소생술 제품을 비교하는 것과 유사하게 이 모델의 데이터를 사용하여 전체 관류 측정을 지역 산소화와 비교하고 전신 및 국소 산소화와 결과 간의 관계를 비교할 수 있습니다. 외상 치료에 대한 현재 지침은 60-65 mmHg25의 MAP를 유지할 것을 권장합니다. 연구에서는 출혈성 쇼크 동안 신장 기능을 보존하기 위한 결정적인 최적 표적 MAP를 찾지 못했다27. 이전 실험의 결과는 MAP가PuO2에 영향을 미치는 한 가지 요인일 수 있음을 시사합니다. 중환자 치료 단계에서 MAP는 일정했지만PuO2 는 다양했으며, 이는PuO2에 영향을 미치는 다른 요인이 있을 수 있음을 의미합니다. 따라서, 비침습적PuO2 모니터링과 같은 신장 산소화를 모니터링하는 방법은 MAP와 같은 전체 관류 측정과 비교하여 중재를 안내하는 데 유용할 수 있습니다. 비침습적PuO2 모니터링은 조직 저산소증을 줄이고 장기 기능 장애를 최소화하여 신장 기능을 보존할 수 있는 잠재력이 있습니다.

이 모델에 사용된 비침습적 모니터의 주요 한계 중 하나는 출혈 또는 대동맥 폐색 단계에서 소변이 생성되지 않는다는 것입니다. 이것은 비침습적 PuO2, 방광PuO2 및 수질 산소 공급 간의 비교를 소생술 단계로 제한하며, 유사한 실험에서 수집된 데이터는 이 기간 동안 소변 흐름이 충분하다는 것을 보여줍니다. 이 모델의 두 번째 한계는 REBOA가 두 치료 그룹 모두에서 사용된다는 것입니다. 현재 임상 실습에 따르면, REBOA는 전형적으로 비압축성 몸통 출혈 시나리오에서만 사용된다28. 따라서 향후 연구에서는 기존의 출혈 제어 및 소생술 방법과 함께 비침습적PuO2 모니터링의 사용을 조사해야 합니다.

이 모델은 AKI의 조기 발견 및 소생술 방법에 대한 반응 평가를 위한 도구로서 비침습적PuO2 모니터링을 검증하는 데 도움이 될 것입니다. 이 새로운 모니터는 외상과 관련된 조기 및 지연 이환율과 사망률을 잠재적으로 줄일 수 있기 때문에 이것은 중요합니다. 이 방법 문서에서는 모델을 구현하는 방법에 대한 단계별 설명을 제공합니다.

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Disclosures

N. Silverton, K. Kuck 및 L. Lofgren은 이 연구에 사용된 비침습적 모니터를 둘러싼 특허 및 특허 출원의 발명가입니다. 이 프로토 타입은 N. Silverton과 K. Kuck이 상업적으로 고려하기 위해 개발 중이지만 아직 상업적 활동은 발생하지 않았습니다. 다른 저자들은 경쟁 이익을 선언하지 않습니다. 이러한 데이터의 해석 및 보고는 전적으로 저자의 책임입니다.

Acknowledgments

이 보조금의 작업은 중개 및 임상 연구 파일럿 프로그램과 의회 주도 의학 연구 프로그램(PR192745)의 국방부 사무실을 통해 유타 대학교 임상 및 중개 과학 연구소에서 자금을 지원합니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1/8" PVC tubing Qosina SKU: T4307 Part of noninvasive PuO2 monitor
3/16" PVC tubing Qosina SKU: T4310 Part of noninvasive PuO2 monitor
3/8" TPE tubing  Qosina SKU: T2204 Part of noninvasive PuO2 monitor
3/32" (1), 1/8" (1), 5/32" (1) drill bit Dewalt N/A For building noninvasive PuO2 monitor
Biocompatible Glue Masterbond EP30MED Part of noninvasive PuO2 monitor
Bladder PuO2 sensor Presens DP-PSt3 Oxygen dipping probe
Bladder oxygen measurement device Presens Fibox 4 Stand-alone fiber optic oxygen meter
Chlorhexidine 4% scrub Vetone N/A For scrubbing insertion or puncture sites
Conical connector with female luer lock Qosina SKU: 51500 Part of noninvasive PuO2 monitor
Cuffed endotracheal tube Vetone 600508 For sedating the subject and providing respiratory support
Euthanasia solution (pentobarbital sodium|pheyntoin sodium) Vetone 11168 For euthanasia after completion of experiment
General purpose temperature probe, 400 series thermistor Novamed 10-1610-040 Part of noninvasive PuO2 monitor
HotDog veterinary warming system HotDog V106 For controlling subject temperature during experiment
Invasive tissue oxygen measurement device Optronix N/A OxyLite™ oxygen monitors
Invasive tissue oxygen sensor Optronix NX-BF/OT/E Oxygen/Temperature bare-fibre sensor
Isoflurane Vetone 501017 To maintain sedation throughout the experiment
Isotonic crystalloid solution HenrySchein 1537930 or 1534612 Used during resuscitation in the critical care period
Liquid flow sensor Sensirion LD20-2600B Part of noninvasive PuO2 monitor
Male luer lock to barb connector Qosina SKU: 11549 Part of noninvasive PuO2 monitor
Male to male luer connector Qosina SKU: 20024 Part of noninvasive PuO2 monitor
Norepinephrine HenrySchein AIN00610 Infusion during resuscitation
Noninvasive oxygen measurement device Presens EOM-O2-mini Electro optical module transmitter for contactless oxygen measurements
Non-vented male luer lock cap  Qosina SKU: 65418 Part of noninvasive PuO2 monitor
O2 sensor stick Presens SST-PSt3-YOP Part of noninvasive PuO2 monitor
PowerLab data acquisition platform AD Instruments N/A For data collection
REBOA catheter Certus Critical Care N/A Used in experimental protocol
Super Sheath arterial catheters (5 Fr, 7 Fr, 9 Fr) Boston Scientific C1894 for intravascular access
Suture Ethicon C013D For securing catheter to skin and closing incisions
T connector, all female luer locks Qosina SKU: 88214 Part of noninvasive PuO2 monitor

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References

  1. Gomes, E., Antunes, R., Dias, C., Araújo, R., Costa-Pereira, A. Acute kidney injury in severe trauma assessed by RIFLE criteria: a common feature without implications on mortality. Scandinavian Journal of Trauma, Resuscitation and Emergency Medicine. 18, 1 (2010).
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  27. Badin, J., et al. Relation between mean arterial pressure and renal function in the early phase of shock: a prospective, explorative cohort study. Critical Care. 15 (3), 135 (2011).
  28. Ribeiro Junio, M. A. F., et al. The complications associated with resuscitative endovascular balloon occlusion of the aorta (REBOA). World Journal of Emergency Surgery. 13, 20 (2018).

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생명 공학 제 188 호

Erratum

Formal Correction: Erratum: Noninvasive and Invasive Renal Hypoxia Monitoring in a Porcine Model of Hemorrhagic Shock
Posted by JoVE Editors on 05/09/2023. Citeable Link.

An erratum was issued for: Noninvasive and Invasive Renal Hypoxia Monitoring in a Porcine Model of Hemorrhagic Shock. The Protocol section was updated.

Step 2.3.1 - 2.3.1.2 of the Protocol was updated from:

  1. Measure PuO2 in the bladder.
    1. Remove all air from the bladder by slowly squeezing the bladder while ensuring urine does not leak out.
    2. Place the tip of the luminescence quenching-based PuO2 sensor in the bladder via a cystotomy, similar to the catheter.
    3. Connect the fiber optic cable from the bladder sensor to the data collection device.

to:

  1.  Measure PuO2 at the outlet of the bladder
    1. Identify the balloon on the catheter. Just below the balloon make an incision along the long axis of the catheter, ensuring that you do not cut the lumen that connects to the balloon. 
    2. After making the incision, insert a t-connector that contains the sensing material into the incision. 
    3. Use tissue glue to secure the t-connector in place. 
    4. Connect the fiber optic cable from the bladder data collection device to the connector that contains the sensing material. 

Step 2.3.2.2 - 2.3.2.7 of the Protocol was updated from:

  1. Make a flank incision large enough to expose the kidney (approx. 2-3 in) on the side of the pig at approximately the same location where the kidney was identified.
  2. With the tips of a retractor together, introduce the retractor into the incision and then spread the tips of the retractor to expose the kidney.
  3. Use a micro-manipulator or similar tool to hold the oxygen probe steady. If possible, attach this tool to the end of an articulating arm.
  4. Attach the other end of the articulating arm to the surgical table so that the other end that will hold the oxygen probe is near the opened incision. If the tool that is used to hold the oxygen probe is not connected to an articulating arm, position the tool so the oxygen sensor is near the opened incision and is stable.
  5. Unlock all articulating joints of the arm. Using ultrasound, place the tip of the oxygen probe in the medulla region of the kidney. Lock all articulating joints on the arm.
  6. After confirming placement of the tip of the sensor in the medulla with ultrasound, use the micromanipulator to retract the needle housing the luminescence-based oxygen sensor. Connect the other end of the sensor to the data collection device connected to the computer running the data collection software. Start recording.

to:

  1. Move the bowel so that you have a clear line of site and access to the entire kidney. 
  2. Insert the sensor into 2" 18 gauge catheter. Adjust the luer lock connector on the sensor so that the tip of the sensor is exposed. Remove the catheter and place it over an 18 gauge needle.
  3. Place the 18 gauge needle and 2 in catheter into the renal medulla under ultrasound guidance.
  4. Remove the needle, keeping the catheter in place. Thread the tissue sensor through the catheter and use the luer lock to connect the sensor to the catheter. 
  5. Use tissue glue to secure the catheter in place. 
  6. Connect the tissue sensor to the data collection box.

The Table of Materials was updated from:

Name Company Catalog Number Comments
1/8" PVC tubing Qosina SKU: T4307 Part of noninvasive PuO2 monitor
3/16" PVC tubing Qosina SKU: T4310 Part of noninvasive PuO2 monitor
3/32" (1), 1/8" (1), 5/32" (1) drill bit Dewalt N/A For building noninvasive PuO2 monitor
3/8" TPE tubing  Qosina SKU: T2204 Part of noninvasive PuO2 monitor
Biocompatible Glue Masterbond EP30MED Part of noninvasive PuO2 monitor
Bladder oxygen measurement device Presens Fibox 4 Stand-alone fiber optic oxygen meter
Bladder PuO2 sensor Presens DP-PSt3 Oxygen dipping probe
Chlorhexidine 4% scrub Vetone N/A For scrubbing insertion or puncture sites
Conical connector with female luer lock Qosina SKU: 51500 Part of noninvasive PuO2 monitor
Cuffed endotracheal tube Vetone 600508 For sedating the subject and providing respiratory support
Euthanasia solution (pentobarbital sodium|pheyntoin sodium) Vetone 11168 For euthanasia after completion of experiment
General purpose temperature probe, 400 series thermistor Novamed 10-1610-040 Part of noninvasive PuO2 monitor
Hemmtop Magic Arm 11 inch Amazon B08JTZRKYN Holding invasive oxygen sensor in place
HotDog veterinary warming system HotDog V106 For controlling subject temperature during experiment
Invasive tissue oxygen measurement device Presens Oxy-1 ST  Compact oxygen transmitter
Invasive tissue oxygen sensor Presens PM-PSt7 Profiling oxygen microsensor
Isoflurane Vetone 501017 To maintain sedation throughout the experiment
Isotonic crystalloid solution HenrySchein 1537930 or 1534612 Used during resuscitation in the critical care period
Liquid flow sensor Sensirion LD20-2600B Part of noninvasive PuO2 monitor
Male luer lock to barb connector Qosina SKU: 11549 Part of noninvasive PuO2 monitor
Male to male luer connector Qosina SKU: 20024 Part of noninvasive PuO2 monitor
Noninvasive oxygen measurement device Presens EOM-O2-mini Electro optical module transmitter for contactless oxygen measurements
Non-vented male luer lock cap Qosina SKU: 65418 Part of noninvasive PuO2 monitor
Norepinephrine HenrySchein AIN00610 Infusion during resuscitation
O2 sensor stick Presens SST-PSt3-YOP Part of noninvasive PuO2 monitor
PowerLab data acquisition platform AD Instruments N/A For data collection
REBOA catheter Certus Critical Care N/A Used in experimental protocol
Super Sheath arterial catheters (5 Fr, 7 Fr, 9 Fr) Boston Scientific C1894 For intravascular access
Suture Ethicon C013D For securing catheter to skin and closing incisions
T connector, all female luer locks Qosina SKU: 88214 Part of noninvasive PuO2 monitor

to:

Name Company Catalog Number Comments
1/8" PVC tubing Qosina SKU: T4307 Part of noninvasive PuO2 monitor
3/16" PVC tubing Qosina SKU: T4310 Part of noninvasive PuO2 monitor
3/8" TPE tubing  Qosina SKU: T2204 Part of noninvasive PuO2 monitor
3/32" (1), 1/8" (1), 5/32" (1) drill bit Dewalt N/A For building noninvasive PuO2 monitor
Biocompatible Glue Masterbond EP30MED Part of noninvasive PuO2 monitor
Bladder PuO2 sensor Presens DP-PSt3 Oxygen dipping probe
Bladder oxygen measurement device Presens Fibox 4 Stand-alone fiber optic oxygen meter
Chlorhexidine 4% scrub Vetone N/A For scrubbing insertion or puncture sites
Conical connector with female luer lock Qosina SKU: 51500 Part of noninvasive PuO2 monitor
Cuffed endotracheal tube Vetone 600508 For sedating the subject and providing respiratory support
Euthanasia solution (pentobarbital sodium|pheyntoin sodium) Vetone 11168 For euthanasia after completion of experiment
General purpose temperature probe, 400 series thermistor Novamed 10-1610-040 Part of noninvasive PuO2 monitor
HotDog veterinary warming system HotDog V106 For controlling subject temperature during experiment
Invasive tissue oxygen measurement device Optronix N/A OxyLite™ oxygen monitors
Invasive tissue oxygen sensor Optronix NX-BF/OT/E Oxygen/Temperature bare-fibre sensor
Isoflurane Vetone 501017 To maintain sedation throughout the experiment
Isotonic crystalloid solution HenrySchein 1537930 or 1534612 Used during resuscitation in the critical care period
Liquid flow sensor Sensirion LD20-2600B Part of noninvasive PuO2 monitor
Male luer lock to barb connector Qosina SKU: 11549 Part of noninvasive PuO2 monitor
Male to male luer connector Qosina SKU: 20024 Part of noninvasive PuO2 monitor
Norepinephrine HenrySchein AIN00610 Infusion during resuscitation
Noninvasive oxygen measurement device Presens EOM-O2-mini Electro optical module transmitter for contactless oxygen measurements
Non-vented male luer lock cap  Qosina SKU: 65418 Part of noninvasive PuO2 monitor
O2 sensor stick Presens SST-PSt3-YOP Part of noninvasive PuO2 monitor
PowerLab data acquisition platform AD Instruments N/A For data collection
REBOA catheter Certus Critical Care N/A Used in experimental protocol
Super Sheath arterial catheters (5 Fr, 7 Fr, 9 Fr) Boston Scientific C1894 for intravascular access
Suture Ethicon C013D For securing catheter to skin and closing incisions
T connector, all female luer locks Qosina SKU: 88214 Part of noninvasive PuO2 monitor
출혈성 쇼크의 돼지 모델에서 비침습적 및 침습적 신장 저산소증 모니터링
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Lofgren, L. R., Hoareau, G. L.,… More

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