Ex Vivo Modèle expérimental porcin pour l’étude et l’enseignement de la mécanique pulmonaire
Summary
Nous présentons un modèle ex vivo de poumon de porc pour la démonstration de la mécanique pulmonaire et des manœuvres de recrutement alvéolaire à des fins pédagogiques. Les poumons peuvent être utilisés pendant plus d’une journée (jusqu’à cinq jours) avec des changements minimes dans les variables de la mécanique pulmonaire.
Abstract
La ventilation mécanique est largement utilisée et nécessite des connaissances spécifiques pour sa compréhension et sa gestion. Les professionnels de la santé dans ce domaine peuvent se sentir en insécurité et manquer de connaissances en raison d’une formation et de méthodes d’enseignement inadéquates. Par conséquent, l’objectif de cet article est de décrire les étapes impliquées dans la génération d’un modèle de poumon porcin ex vivo qui sera utilisé à l’avenir, pour étudier et enseigner la mécanique pulmonaire. Pour générer le modèle, cinq poumons porcins ont été soigneusement retirés du thorax en suivant les directives du Comité d’éthique de la recherche animale avec les soins adéquats et ont été connectés au ventilateur mécanique par une canule trachéale. Ces poumons ont ensuite été soumis à la manœuvre de recrutement alvéolaire. Les paramètres de la mécanique respiratoire ont été enregistrés, et des caméras vidéo ont été utilisées pour obtenir des vidéos des poumons au cours de ce processus. Ce processus a été répété pendant cinq jours consécutifs. Lorsqu’ils n’étaient pas utilisés, les poumons étaient conservés au réfrigérateur. Le modèle a montré une mécanique pulmonaire différente après la manœuvre de recrutement alvéolaire chaque jour ; n’étant pas influencé par les jours, seulement par la manœuvre. Par conséquent, nous concluons que le modèle pulmonaire ex vivo peut fournir une meilleure compréhension de la mécanique pulmonaire et de ses effets, et même de la manœuvre de recrutement alvéolaire par rétroaction visuelle à toutes les étapes du processus.
Introduction
La ventilation mécanique (MT) est largement utilisée dans les unités de soins intensifs (USI) et les centres chirurgicaux. Sa surveillance est essentielle pour aider à reconnaître les asynchronies et à prévenir les blessures pour tous les patients, en particulier lorsque le patient présente des lésions pulmonaires graves 1,2,3,4,5,6. La surveillance de la mécanique respiratoire peut également contribuer à la compréhension clinique de la progression de la maladie et aux applications thérapeutiques, telles que l’utilisation de la pression expiratoire positive (PEEP) ou de la manœuvre de recrutement alvéolaire (ARM). Cependant, l’utilisation de ces techniques nécessite une compréhension approfondie des courbes et de la mécanique pulmonaire de base 3,4.
Les étudiants, les résidents et les professionnels de la santé ne se sentent pas en sécurité à l’égard de la gestion des MV, de la mise en marche du ventilateur et des ajustements initiaux à la surveillance du plateau et des pressions de conduite, et cette insécurité est associée à un manque de connaissances et à une formation préalable adéquate 7,8,9,10. Nous avons observé que les professionnels qui ont participé à des simulations et utilisé un modèle pulmonaire ont fait état d’une plus grande confiance, d’une meilleure compréhension des paramètres et d’une meilleure compréhension des composantes de la mécanique pulmonaire 8,11,12.
Les modèles d’étude et d’entraînement de la MV avec des poumons d’essai, des soufflets et des pistons peuvent simuler différentes pressions et volumes, ainsi que différentes conditions de mécanique pulmonaire 13,14,15. Les modèles computationnels et logiciels contribuent également à l’étude de l’interaction cardiopulmonaire en générant des simulations qui peuvent être utilisées pour enseigner les principes de MV11 aux professionnels de la santé16,17.
Alors que les modèles informatiques peuvent présenter des difficultés à représenter l’hystérésis pulmonaire16, les modèles avec poumon d’essai et soufflet 13,14,15 peuvent produire des courbes pression-volume similaires à la courbe physiologique et démontrer la dynamique pulmonaire. Comme avantage, le poumon porcin ex vivo présente une anatomie similaire à celle de l’homme18, produisant également des courbes MV, une hystérésis pulmonaire et fournissant un retour visuel des poumons à l’intérieur de la boîte acrylique lors de l’analyse de la mécanique pulmonaire. Les modèles visuels sont importants et peuvent aider à comprendre des composants et des concepts difficiles à imaginer. Ainsi, les modèles pulmonaires ex vivo représentent une méthode pratique d’enseignement.
Des études sur des poumons porcins ex vivo, tels que ceux sur MV à pression positive et négative 19,20,21, l’analyse de la distribution des aérosols 22,23, des simulations pédiatriques24 et la perfusion pulmonaire25 peuvent améliorer les connaissances sur la MV. Des études récentes analysant des modèles en pression positive et négative ont montré que la ventilation à pression positive peut conduire à un recrutement brutal avec une plus grande déformation locale, une plus grande distension, des différences de courbe d’hystérésis et d’éventuelles lésions tissulaires par rapport à la pression négative 19,20,21. Néanmoins, les modèles à pression positive sont nécessaires car les patients sont sous pression positive pendant la pression MT 19,20,21. Le développement d’un modèle pulmonaire pour les études précliniques ouvre des possibilités pour de nouvelles recherches et applications, y compris l’enseignement et la formation MV.
Nous présentons ici un modèle de poumon porcin ex vivo à des fins d’étude et de formation. Notre objectif principal est de décrire les étapes de la génération de ce modèle de poumon porcin ex vivo sous MV à pression positive. Il peut être utilisé à l’avenir pour étudier et enseigner la mécanique pulmonaire.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole décrit est utile pour produire un modèle de poumon porcin ex vivo sous MV à pression positive. Il peut être utilisé pour l’étude et l’enseignement de la mécanique pulmonaire grâce à un retour visuel des poumons lors du recrutement et de l’analyse des courbes et des valeurs projetées sur l’écran de l’appareil. Pour arriver à ce résultat, des études pilotes sont nécessaires pour comprendre le comportement des poumons à l’extérieur de la cage thoracique et identifier le bes…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions tous les collègues et professionnels qui ont contribué et soutenu la construction de ce protocole de modèle de poumon porcin ex vivo .
Cette étude n’avait pas de sources de financement.
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).
