Ex vivo Porcine eksperimentel model til at studere og undervise i lungemekanik
Summary
Vi præsenterer en ex vivo griselungemodel til demonstration af lungemekanik og alveolære rekrutteringsmanøvrer til undervisningsformål. Lungerne kan bruges i mere end en dag (op til fem dage) med minimale ændringer i lungemekaniske variabler.
Abstract
Mekanisk ventilation er meget udbredt og kræver specifik viden for forståelse og styring. Sundhedspersonale på dette område kan føle sig usikre og mangle viden på grund af utilstrækkelige trænings- og undervisningsmetoder. Derfor er formålet med denne artikel at skitsere de trin, der er involveret i generering af en ex vivo svinelungemodel, der skal bruges i fremtiden, til at studere og undervise i lungemekanik. For at generere modellen blev fem svinelunger omhyggeligt fjernet fra brystkassen efter retningslinjerne fra Animal Research Ethics Committee med tilstrækkelig omhu og blev forbundet til den mekaniske ventilator gennem en trakealkanyle. Disse lunger blev derefter udsat for den alveolære rekrutteringsmanøvre. Respiratoriske mekaniske parametre blev optaget, og videokameraer blev brugt til at få videoer af lungerne under denne proces. Denne proces blev gentaget i fem på hinanden følgende dage. Når de ikke blev brugt, blev lungerne holdt nedkølet. Modellen viste forskellige lungemekanikker efter den alveolære rekrutteringsmanøvre hver dag; ikke at blive påvirket af dagene, kun af manøvren. Derfor konkluderer vi, at ex vivo-lungemodellen kan give en bedre forståelse af lungemekanikken og dens virkninger og endda af den alveolære rekrutteringsmanøvre gennem visuel feedback i alle faser af processen.
Introduction
Mekanisk ventilation (MV) anvendes i vid udstrækning i intensivafdelinger (ICU’er) og kirurgiske centre. Dens overvågning er afgørende for at hjælpe med at genkende asynkronier og forhindre skader for alle patienter, især når patienten har alvorlige lungeskader 1,2,3,4,5,6. Overvågning af respiratorisk mekanik kan også bidrage til den kliniske forståelse af sygdomsprogression og terapeutiske anvendelser, såsom brugen af positivt slutekspiratorisk tryk (PEEP) eller den alveolære rekrutteringsmanøvre (ARM). Brugen af disse teknikker kræver imidlertid en dygtig forståelse af kurver og grundlæggende lungemekanik 3,4.
Studerende, beboere og læger føler sig usikre på MV-styring, fra at tænde for respiratoren og indledende justeringer til overvågning af plateau og kørselstryk, og denne usikkerhed er forbundet med manglende viden og tilstrækkelig forudgående træning 7,8,9,10. Vi observerede, at fagfolk, der deltog i simuleringer og brugte en lungemodel, rapporterede større tillid, forståelse af parametrene og forståelse af komponenterne i lungemekanik 8,11,12.
Modeller til undersøgelse og træning af MV med testlunger, bælge og stempler kan simulere forskellige tryk og volumener samt forskellige lungemekaniske forhold 13,14,15. Beregnings- og softwaremodeller bidrager også til studiet af kardiopulmonal interaktion ved at generere simuleringer, der kan bruges til at undervise principperne i MV11 til sundhedspersonale16,17.
Mens beregningsmodeller kan udgøre vanskeligheder med at repræsentere lungehysterese16, kan modeller med testlunge og bælge 13,14,15 producere trykvolumenkurver svarende til den fysiologiske kurve og demonstrere lungedynamik. Som en fordel præsenterer ex vivo svinelungen lignende anatomi som mennesker18, der også producerer MV-kurver, lungehysterese og giver visuel feedback af lungerne inde i akrylkassen under lungemekanikanalysen. Visuelle modeller er vigtige og kan hjælpe med at forstå komponenter og begreber, der er svære at forestille sig. Således repræsenterer ex vivo lungemodeller en praktisk måde at undervise på.
Undersøgelser med ex vivo svinelunger, såsom dem på MV med positivt og negativt tryk 19,20,21, analyse af aerosolfordeling 22,23, pædiatriske simuleringer24 og lungeperfusion25 kan forbedre kendskabet til MV. Nylige undersøgelser, der analyserer modeller i positivt og negativt tryk, har vist, at ventilation med positivt tryk kan føre til abrupt rekruttering med større lokal deformation, større distension, hysteresekurveforskelle og mulige vævslæsioner sammenlignet med undertrykstryk 19,20,21. Ikke desto mindre er modeller med positivt tryk nødvendige, fordi patienterne er under positivt tryk under MV-tryk 19,20,21. Udviklingen af en lungemodel til prækliniske studier åbner muligheder for ny forskning og anvendelse, herunder MV-undervisning og -træning.
Her præsenterer vi en ex vivo svinelungemodel til studie- og træningsformål. Vores primære mål er at beskrive trinene til generering af denne ex vivo svinelungemodel under positivt tryk MV. Det kan bruges i fremtiden til at studere og undervise i lungemekanik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den beskrevne protokol er nyttig til fremstilling af en ex vivo svinelungemodel under positivt tryk MV. Det kan bruges til at studere og undervise i lungemekanik gennem visuel feedback fra lungerne under rekruttering og analyse af kurver og værdier, der projiceres på enhedens skærm. For at opnå dette resultat er pilotundersøgelser nødvendige for at forstå lungernes adfærd uden for brystkassen og for at identificere behovet for tilpasninger.
Vi identificerede, at det kritiske p…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker alle kolleger og fagfolk, der har bidraget til og støttet konstruktionen af denne ex vivo svinelungemodelprotokol.
Denne undersøgelse havde ingen finansieringskilder.
Materials
| 0.9% Saline solution | 2500ml | ||
| Anesthesia machine – Primus | Drager | REF 8603800-18 | Anesthesia work station used in the procedure |
| Aspirator | For blood aspiration from thorax | ||
| Bedside Monitor – Life Scope | Nihon Kohden | BSM-7363 | Multiparameter monitor used during the procedure |
| Bonney Tissue Forceps | Any tissue forceps is suitable | ||
| Disposable scalper, #23 | Any scalper is suitable | ||
| Disposable syringe needles, 18G x 1 1/2", 23G x 1" | BD | 302814 | Widely available |
| Disposable syringes, 10ml | Widely available | ||
| Electrosurgical unit – SS-501 | WEM | For cutting and coagulation during thorax incision | |
| Fentanyl | 10 mcg/kg bolus + 10 mcg/kg/hour continuous infusion | ||
| Finochietto retractor | Any finochietto retractor is suitable | ||
| heparin | 3ml | ||
| Infusion set | Any infusion set is suitable | ||
| Isoflurane | 1.5% | ||
| Kelly Forceps Curved | Any kelly forceps is suitable | ||
| Ketamine | 5mg/kg | ||
| Lactated Ringer solution | 500ml | ||
| Mechanical ventilator – Servo I | Maquet | REF 6449701 | Mechanical ventilator used in the procedure |
| Metzenbaum Scissor (Straight and curved) | Any metzenbaum scissor is suitable | ||
| Midazolam | 0.25mg/kg | ||
| Orotracheal intubation cannula, #6.5 | Rusch | 112282 | Widely available |
| Plexiglass | Custom made plexiglass box: 30x45x60cm | ||
| Polyester suture, 2-0 | Widely available | ||
| Potassium choride | 10 ml, 19.1% potassium chloride. | ||
| propofol | 5mg/kg | ||
| Three way stopcock | Widely available | ||
| Venous catheter, G20 x 1" | BD | 38183314 | Widely available |
References
- Roberto, C., Carvalho, R., Toufen Jr, C., Franca, S. A. Mechanical Ventilation: Principles, graphic analysis and ventilation modalities. Jornal Brasileiro de Pneumologia. 33 (2), 54-55 (2007).
- Barbas, C. S. V., et al. Brazilian recommendations for mechanical ventilation 2013. Part I. Revista Brasileira de Terapia Intensiva. 26 (2), 89-121 (2014).
- Walter, J. M., Corbridge, T. C., Singer, B. D. Invasive mechanical ventilation. Southern Medical Journal. 111 (12), 746-753 (2018).
- Faustino, E. A. Concepts and monitoring of pulmonary mechanics in patients under ventilatory support in the intensive care unit. Revista Brasileira de Terapia Intensiva. 19 (2), 161-169 (2007).
- Holanda, M. A., Vasconcelos, R. S., Ferreira, J. C., Pinheiro, B. V. Patient-ventilator asynchrony. Jornal Brasileiro de Pneumologia. 44 (2), 321-333 (2018).
- Rezoagli, E., Laffey, J. G., Bellani, G. Monitoring lung injury severity and ventilation intensity during mechanical ventilation. Seminars in Respiratory and Critical Care Medicine. 43 (3), 346-368 (2022).
- Tallo, F. S. Evaluation of self-perception of mechanical ventilation knowledge among Brazilian final-year medical students, residents, and emergency physicians. Clinics. 72 (2), 65-70 (2017).
- Schroedl, C. J., et al. Impact of simulation-based mastery learning on resident skill managing mechanical ventilators. American Thoracic Society Scholar. 2 (1), 34-48 (2021).
- Wilcox, S. R., et al. Academic emergency medicine physicians’ knowledge of mechanical ventilation. The Western Journal of Emergency Medicine. 17 (3), 271-279 (2016).
- Cox, C. E., et al. Effectiveness of medical resident education in mechanical ventilation. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 167 (1), 32-38 (2003).
- Keegan, R., Henderson, T., Brown, G. Use of the virtual ventilator, a screen-based computer simulation, to teach the principles of mechanical ventilation. Journal of Veterinary Medical Education. 36 (4), 436-443 (2009).
- Spadaro, S., et al. Simulation training for residents focused on mechanical ventilation: A randomized trial using mannequin-based versus computer-based simulation. Simulation in Healthcare. 12 (6), 349-355 (2017).
- Chase, J. G., Yuta, T., Mulligan, K. J., Shaw, G. M., Horn, B. A novel mechanical lung model of pulmonary diseases to assist with teaching and training. BMC Pulmonary Medicine. 6 (21), 1-11 (2006).
- Kuebler, W. M., Mertens, M., Pries, A. R. A two-component simulation model to teach respiratory mechanics. Advances in Physiology Education. 31 (2), 218-222 (2007).
- Heili-Frades, S., Peces-Barba, G., Rodríguez-Nieto, M. J. Design of a lung simulator for learning lung mechanics in mechanical ventilation. Archivos de Bronconeumología. 43 (12), 674-679 (2007).
- Ngo, C., Dahlmanns, S., Vollmer, T., Misgeld, B., Leonhardt, S. An object-oriented computational model to study cardiopulmonary hemodynamic interactions in humans. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 159, 167-183 (2018).
- Lazzari, C. D., Genuini, I., Pisanelli, D. M., D’Ambrosi, A., Fedele, F. Interactive simulator for e-Learning environments: a teaching software for health care professionals. Biomedical Engineering Online. 13 (172), 1-18 (2014).
- Perinel, S., et al. Development of an ex vivo human-porcine respiratory model for preclinical studies. Scientific Reports. 7, 1-6 (2017).
- Aboelnazar, N. S., et al. Negative pressure ventilation decreases inflammation and lung edema during normothermic ex-vivo lung perfusion. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 37 (4), 520-530 (2018).
- Sattari, S., et al. Introducing a custom-designed volume-pressure machine for novel measurements of whole lung organ viscoelasticity and direct comparisons between positive- and negative-pressure ventilation. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, 1-12 (2020).
- Sattari, S., et al. Positive- and negative-pressure ventilation characterized by local and global pulmonary mechanics. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 207 (5), 577-586 (2023).
- Montigaud, Y., et al. Development of an ex vivo preclinical respiratory model of idiopathic pulmonary fibrosis for aerosol regional studies. Scientific Reports. 9 (1), 17949 (2019).
- Montigaud, Y., et al. Aerosol delivery during invasive mechanical ventilation: development of a preclinical ex vivo respiratory model for aerosol regional deposition. Scientific Reports. 9 (1), 17930 (2019).
- Montigaud, Y., et al. Development of an ex vivo respiratory pediatric model of bronchopulmonary dysplasia for aerosol deposition studies. Scientific Reports. 9 (1), 5720 (2019).
- Buchko, M. T., et al. A low-cost perfusate alternative for ex vivo. lung perfusion. transplantation proceedings. 52 (10), 2941-2946 (2020).
- Kondo, N. Development of an effective method utilizing fibrin glue to repair pleural defects in an ex-vivo pig model. Journal of Cardiothoracic Surgery. 15 (1), 110 (2020).
- Gasek, N., et al. Development of alginate and gelatin-based pleural and tracheal sealants. Acta Biomaterialia. 131, 222-235 (2021).
- Li, X., et al. Effects of individualized positive end-expiratory pressure combined with recruitment maneuver on intraoperative ventilation during abdominal surgery: a systematic review and network meta-analysis of randomized controlled trials. Journal of Anesthesia. 36 (2), 303-315 (2022).
- Hu, M. C., Yang, Y. L., Chen, T. T., Lee, C. I., Tam, K. W. T. Recruitment maneuvers to reduce pulmonary atelectasis after cardiac surgery: A meta-analysis of randomized trials. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 164 (1), 171-181 (2020).
- Hu, M. C., et al. Recruitment maneuvers in patients undergoing thoracic surgery: a meta-analysis. General Thoracic and Cardiovascular Surgery. 69 (12), 1553-1559 (2021).
- Zeng, C., Lagier, D., Lee, J. W., Melo, M. F. V. Perioperative pulmonary atelectasis: Part I. Biology and mechanisms. Anesthesiology. 136 (1), 181-205 (2022).
- Niman, E., et al. Lung recruitment after cardiac arrest during procurement of atelectatic donor lungs is a protective measure in lung transplantation. Journal of Thoracic Disease. 14 (8), 2802-2811 (2022).
- Calvo, R. N., et al. Comparison of the efficacy of two alveolar recruitment maneuvers in improving the lung mechanics and the degree of atelectasis in anesthetized healthy sheep. Research in Veterinary Science. 150 (5), 164-169 (2022).
- Pensier, J., et al. Effect of lung recruitment maneuver on oxygenation, physiological parameters and mortality in acute respiratory distress syndrome patients: a systematic review and meta-analysis. Intensive Care Medicine. 45 (12), 1691-1702 (2019).
- Mariano, C. A., Sattari, S., Quiros, K. A. M., Nelson, T. M., Eskandari, M. Examining lung mechanical strains as influenced by breathing volumes and rates using experimental digital image correlation. Respiratory Research. 23 (1), 92 (2022).
