Normotherme Unterdruckbeatmung ex situ Lungenperfusion: Beurteilung der Lungenfunktion und des Lungenstoffwechsels
Summary
In diesem Artikel wird ein porcines Modell der Unterdruckbeatmung ex situ Lungenperfusion beschrieben, einschließlich Beschaffung, Befestigung und Management auf der maßgeschneiderten Plattform. Der Fokus liegt auf Anästhesie- und Operationstechniken sowie auf der Fehlersuche.
Abstract
Die Lungentransplantation (LTx) ist nach wie vor der Behandlungsstandard für Lungenerkrankungen im Endstadium. Ein Mangel an geeigneten Spenderorganen und Bedenken hinsichtlich der Qualität der Spenderorgane, die durch übermäßige geografische Transportdistanzen und strenge Aufnahmekriterien für Spenderorgane verschärft werden, schränken die derzeitigen LTx-Bemühungen ein. Die Ex-situ-Lungenperfusion (ESLP) ist eine innovative Technologie, die sich als vielversprechend erwiesen hat, um diese Einschränkungen abzuschwächen. Die physiologische Beatmung und Perfusion der Lunge außerhalb des Entzündungsmilieus des Spenderkörpers bietet der ESLP mehrere Vorteile gegenüber der traditionellen kaltstatischen Konservierung (CSP). Es gibt Hinweise darauf, dass die Unterdruckbeatmung (NPV) ESLP der Überdruckbeatmung (PPV) ESLP überlegen ist, wobei PPV eine signifikantere beatmungsinduzierte Lungenschädigung, eine proinflammatorische Zytokinproduktion, ein Lungenödem und eine Bullae-Bildung induziert. Der NPV-Vorteil ist möglicherweise auf die homogene Verteilung des intrathorakalen Drucks über die gesamte Lungenoberfläche zurückzuführen. Die klinische Sicherheit und Machbarkeit eines kundenspezifischen NPV-ESLP-Geräts wurde kürzlich in einer klinischen Studie mit menschlichen Lungen mit Extender-Kriterien (ECD) nachgewiesen. In dieser Arbeit wird die Verwendung dieser kundenspezifischen Vorrichtung in einem juvenilen Schweinemodell von normothermem NPV-ESLP über eine Dauer von 12 Stunden beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf Managementtechniken gelegt wird. Die präoperative Vorbereitung, einschließlich der Initialisierung der ESLP-Software, des Primings und der Entlüftung des ESLP-Schaltkreises sowie der Zugabe von antithrombotischen, antimikrobiellen und entzündungshemmenden Wirkstoffen, wird spezifiziert. Die intraoperativen Techniken der zentralen Entnahme von Leitungen, der Lungenbiopsie, der Ausblutung, der Blutentnahme, der Kardiktomie und der Pneumonektomie werden beschrieben. Darüber hinaus wird ein besonderer Fokus auf anästhesische Überlegungen gelegt, wobei die Anästhesieeinleitung, -erhaltung und -dynamik skizziert werden. Das Protokoll gibt auch die Initialisierung, Wartung und Beendigung der Perfusion und Beatmung durch das benutzerdefinierte Gerät an. Dynamische Organmanagementtechniken, einschließlich Veränderungen der Beatmung und der Stoffwechselparameter zur Optimierung der Organfunktion, werden ausführlich beschrieben. Abschließend wird die physiologische und metabolische Beurteilung der Lungenfunktion charakterisiert und in den repräsentativen Ergebnissen dargestellt.
Introduction
Die Lungentransplantation (LTx) ist nach wie vor die Standardtherapie bei Lungenerkrankungen im Endstadium1; LTx weist jedoch erhebliche Einschränkungen auf, darunter eine unzureichende Nutzung der Spenderorgane2 und eine Wartelistensterblichkeit von 40 %3, die höher ist als bei jeder anderen Transplantation solider Organe 4,5. Die Nutzungsraten der Spenderorgane sind aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Organqualität niedrig (20-30%). Übermäßige geografische Transportdistanzen und strenge Kriterien für die Akzeptanz von Spenderorganen verschärfen diese Qualitätsbedenken. LTx hinkt auch anderen soliden Organtransplantationen in Bezug auf langfristige Transplantate und Patientenergebnisse hinterher2. Die primäre Transplantatdysfunktion (PID), die am häufigsten durch eine ischämische Reperfusionsschädigung (IRI) verursacht wird, stellt die Hauptursache für die 30-Tage-Mortalität und Morbidität nach LTx dar und erhöht das Risiko für eine chronische Transplantatdysfunktion 6,7. Bemühungen, IRI zu verringern und sichere Transportzeiten zu verlängern, sind von größter Bedeutung, um die Patientenergebnisse zu verbessern.
Die Ex-situ-Lungenperfusion (ESLP) ist eine innovative Technologie, die sich als vielversprechend erwiesen hat, um diese Einschränkungen abzuschwächen. ESLP erleichtert die Erhaltung, Beurteilung und Rekonditionierung von Spenderlungen vor der Transplantation. Es hat zufriedenstellende kurz- und langfristige Ergebnisse nach der Transplantation von ECD-Lungen (Extended Criteria Donor) gezeigt, was zu einer Erhöhung der Anzahl geeigneter Spenderlungen für LTx beigetragen hat, wobei die Organnutzungsraten in einigen Zentren um 20 % gestiegensind 8,9,10. Im Vergleich zum aktuellen klinischen Standard für LTx, der kaltstatischen Konservierung (CSP), bietet ESLP mehrere Vorteile: Die Organerhaltungszeit ist nicht auf 6 h begrenzt, die Beurteilung der Organfunktion ist vor der Implantation möglich, und aufgrund der kontinuierlichen Organperfusion können Modifikationen am Perfusat vorgenommen werden, die die Organfunktion optimieren11.
Die überwiegende Mehrheit der aktuellen ESLP-Geräte, die für den menschlichen Gebrauch entwickelt wurden, verwenden eine Überdruckbeatmung (PPV). Neuere Literatur hat jedoch gezeigt, dass diese Beatmungsstrategie der ESLP der Unterdruckbeatmung (NPV) unterlegen ist, wobei PPV eine signifikantere beatmungsinduzierte Lungenschädigung induziert12,13,14,15. Sowohl in der menschlichen als auch in der Schweinelunge zeigt NPV-ESLP im Vergleich zur Überdruck-Ex-situ-Lungenperfusion (PPV-ESLP) eine überlegene Organfunktion in verschiedenen physiologischen Bereichen, einschließlich der proinflammatorischen Zytokinproduktion, des Lungenödems und der Bullae-Bildung15. Die homogene Verteilung des intrathorakalen Drucks über die gesamte Lungenoberfläche in NPV-ESLP wurde als ein signifikanter Faktor vorgeschlagen, der diesem Vorteil zugrunde liegt15,16. Zusätzlich zu den präklinischen Vorteilen wurden die klinische Sicherheit und Durchführbarkeit von NPV-ESLP in einer kürzlich durchgeführten klinischen Studie nachgewiesen17. Unter Verwendung eines neuartigen NPV-ESLP-Geräts wurden zwölf menschliche Spenderlungen mit erweiterten Kriterien erfolgreich erhalten, bewertet und anschließend mit einer Überlebensrate von 100 % nach 30 Tagen und 1 Jahr transplantiert.
Das Ziel des vorliegenden Manuskripts ist es, ein Arbeitsprotokoll des NPV-ESLP-Geräts unseres Labors unter Verwendung von juvenilen Schweinelungen unter normothermen Bedingungen über einen Zeitraum von 12 Stunden zu demonstrieren. Die chirurgische Entnahme wird ausführlich behandelt, und die Einleitung, Verwaltung und Beendigung unserer kundenspezifischen Softwareplattform werden ebenfalls beschrieben. Die Strategie für die Gewebeentnahme und das Management der Proben wird ebenfalls erläutert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es gibt mehrere kritische chirurgische Schritte zusammen mit der Fehlerbehebung, die erforderlich sind, um einen erfolgreichen ESLP-Lauf zu gewährleisten. Juvenile Schweinelungen sind im Vergleich zu erwachsenen menschlichen Lungen extrem empfindlich, daher muss der beschaffende Chirurg beim Umgang mit Schweinelungen vorsichtig sein. Es ist wichtig, eine “No-Touch”-Technik auszuprobieren, um ein Trauma und eine Atelektase beim Sezieren der Lunge zu vermeiden. “No-Touch” bedeutet, dass bei der Beschaffung nur ein Minimum…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde im Auftrag der Hospital Research Foundation finanziert.
Materials
| 0 ETHIBOND Green 1 x 36" Endo Loop 0 | ETHICON | D8573 | |
| 2-0 SILK Black 12" x 18" Strands | ETHICON | SA77G | |
| ABL 800 FLEX Blood Gas Analyzer | Radiometer | 989-963 | |
| Adult-Pediatric Electrostatic Filter HME – Small | Covidien | 352/5877 | |
| Arterial Filter | SORIN GROUP | 01706/03 | |
| Backhaus Towel Clamp | Pilling | 454300 | |
| Biomedicus Pump | Maquet | BPX-80 | |
| Cable Ties – White 12” | HUASU International | HS4830001 | |
| Calcium Chloride | Fisher Scientific | C69-500G | |
| Cooley Sternal Retractor | Pilling | 341162 | |
| CUSHING Gutschdressing Forceps | Pilling | 466200 | |
| D-glucose | Sigma-Aldrich | G5767-500G | |
| Deep Deaver Retractor | Pilling | 481826 | |
| Debakey Straight Vascular Tissue Forceps | Pilling | 351808 | |
| Debakey-Metzenbaum Dissecting | Pilling | 342202 | |
| Scissors | Pilling | 342202 | |
| Endotracheal Tube 9.0mm CUFD | Mallinckrodt | 9590E | Cuff removed for ESLP apparatus |
| Flow Transducer | BIO-PROBE | TX 40 | |
| Human Albumin Serum | Grifols Therapeutics | 2223708 | |
| Infusion Pump | Baxter | AS50 | |
| Inspire 7 M Hollow Fiber Membrane Oxygenator | SORIN GROUP | K190690 | |
| Intercept Tubing 1/4" x 1/16" x 8' | Medtronic | 3108 | |
| Intercept Tubing 3/8" x 3/32" x 6' | Medtronic | 3506 | |
| Intercept Tubing Connector 3/8" x 1/2" | Medtronic | 6013 | |
| MAYO Dissecting Scissors | Pilling | 460420 | |
| Medical Carbon Dioxide Tank | Praxair | 5823115 | |
| Medical Nitrogen Tank | Praxair | NI M-K | |
| Medical Oxygen Tank | Praxair | 2014408 | |
| Organ Chamber | Tevosol | ||
| PlasmaLyte A | Baxter | TB2544 | |
| Poole Suction Tube | Pilling | 162212 | |
| Potassium Phosphate | Fischer Scientific | P285-500G | |
| Scale | TANITA | KD4063611 | |
| Silicon Support Membrane | Tevosol | ||
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | 792519-1KG | |
| Sodium Chloride 0.9% | Baxter | JB1324 | |
| Sorin XTRA Cell Saver | SORIN GROUP | 75221 | |
| Sternal Saw | Stryker | 6207 | |
| Surgical Electrocautery Device | Kls Martin | ME411 | |
| Temperature Sensor probe | Omniacell Tertia Srl | 1777288F | |
| THAM Buffer | Thermo Fisher Scientific | 15504020 | made from UltraPureTM Tris |
| TruWave Pressure Transducer | Edwards | VSYPX272 | |
| Two-Lumen Central Venous Catheter 7fr | Arrowg+ard | CS-12702-E | |
| Vorse Tubing Clamp | Pilling | 351377 | |
| Willauer-Deaver Retractor | Pilling | 341720 | |
| Yankauer Suction Tube | Pilling | 162300 |
Riferimenti
- Chambers, D. C., et al. The international thoracic organ transplant registry of the international society for heart and lung transplantation: Thirty-fifth adult lung and heart-lung transplant report-2018; focus theme: Multiorgan transplantation. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 37 (10), 1169-1183 (2018).
- Valapour, M., et al. OPTN/SRTR 2017 annual data report: Lung. American Journal of Transplantation. 19, 404-484 (2019).
- Chambers, D. C., et al. The registry of the international society for heart and lung transplantation: Thirty-fourth adult lung and heart-lung transplantation report-2017; focus theme: Allograft ischemic time. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 36 (10), 1047-1059 (2017).
- Klein, A. S., et al. Organ donation and utilization in the united states, 1999-2008. American Journal of Transplantation. 10 (4), 973-986 (2010).
- Singh, E., et al. Sequence of refusals for donor quality, organ utilization, and survival after lung transplantation. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 38 (1), 35-42 (2019).
- Bhorade, S. M., Vigneswaran, W., McCabe, M. A., Garrity, E. R. Liberalization of donor criteria may expand the donor pool without adverse consequence in lung transplantation. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 19 (12), 1199-1204 (2000).
- Snell, G. I., Griffiths, A., Levvey, B. J., Oto, T. Availability of lungs for transplantation: Exploring the real potential of the donor pool. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 27 (6), 662-667 (2008).
- Cypel, M., et al. Normothermic ex vivo lung perfusion in clinical lung transplantation. The New England Journal of Medicine. 364 (15), 1431-1440 (2011).
- Wallinder, A., et al. Early results in transplantation of initially rejected donor lungs after ex vivo lung perfusion: A case-control study. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 45 (1), 40-45 (2014).
- Cypel, M., et al. Experience with the first 50 ex vivo lung perfusions in clinical transplantation. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 144 (1), 1200-1206 (2012).
- Buchko, M. T., et al. Total parenteral nutrition in ex vivo lung perfusion: Addressing metabolism improves both inflammation and oxygenation. American Journal of Transplantation. 19 (12), 3390-3397 (2019).
- Andreasson, A. S. I., et al. Profiling inflammation and tissue injury markers in perfusate and bronchoalveolar lavage fluid during human ex vivo lung perfusion. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 51 (3), 577-586 (2017).
- Sadaria, M. R., et al. Cytokine expression profile in human lungs undergoing normothermic ex-vivo lung perfusion. The Annals of Thoracic Surgery. 92 (2), 478-484 (2011).
- Ricard, J. D., Dreyfuss, D., Saumon, G. Ventilator-induced lung injury. European Respiratory Journal. 42, 2-9 (2003).
- 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).
- Lai-Fook, S. J., Rodarte, J. R. Pleural pressure distribution and its relationship to lung volume and interstitial pressure. Journal of Applied Physiology. 70 (3), 967-978 (1991).
- Buchko, M. T., et al. Clinical transplantation using negative pressure ventilation ex situ lung perfusion with extended criteria donor lungs. Nature Communications. 11 (1), 5765 (2020).
- Buchko, M. T., et al. A low-cost perfusate alternative for ex vivo perfusion. Transplantation Proceedings. 52 (10), 2941-2946 (2020).
- Forgie, K. A., et al. Left lung orthotopic transplantation in a juvenile porcine model for ESLP. The Journal of Visualized Experiments. , (2021).
