Ex Vivo Modelo experimental porcino para el estudio y la enseñanza de la mecánica pulmonar
Summary
Presentamos un modelo pulmonar de cerdo ex vivo para la demostración de la mecánica pulmonar y las maniobras de reclutamiento alveolar con fines didácticos. Los pulmones se pueden utilizar durante más de un día (hasta cinco días) con cambios mínimos en las variables de la mecánica pulmonar.
Abstract
La ventilación mecánica es ampliamente utilizada y requiere conocimientos específicos para su comprensión y manejo. Los profesionales de la salud en este campo pueden sentirse inseguros y carecer de conocimientos debido a la formación y los métodos de enseñanza inadecuados. Por lo tanto, el objetivo de este artículo es esbozar los pasos involucrados en la generación de un modelo de pulmón porcino ex vivo para ser utilizado en el futuro, para estudiar y enseñar mecánica pulmonar. Para generar el modelo, cinco pulmones porcinos fueron cuidadosamente extraídos del tórax siguiendo las directrices del Comité de Ética de Investigación Animal con los cuidados adecuados y se conectaron al ventilador mecánico a través de una cánula traqueal. A continuación, estos pulmones se sometieron a la maniobra de reclutamiento alveolar. Se registraron los parámetros de la mecánica respiratoria y se utilizaron cámaras de video para obtener videos de los pulmones durante este proceso. Este proceso se repitió durante cinco días consecutivos. Cuando no se utilizaban, los pulmones se mantenían refrigerados. El modelo mostró una mecánica pulmonar diferente después de la maniobra de reclutamiento alveolar todos los días; no dejarse influenciar por los días, solo por la maniobra. Por lo tanto, concluimos que el modelo pulmonar ex vivo puede proporcionar una mejor comprensión de la mecánica pulmonar y sus efectos, e incluso de la maniobra de reclutamiento alveolar a través de la retroalimentación visual durante todas las etapas del proceso.
Introduction
La ventilación mecánica (VM) es ampliamente utilizada en unidades de cuidados intensivos (UCI) y centros quirúrgicos. Su monitorización es esencial para ayudar a reconocer asincronías y prevenir lesiones en todos los pacientes, especialmente cuando el paciente tiene lesiones pulmonares graves 1,2,3,4,5,6. La monitorización de la mecánica respiratoria también puede contribuir a la comprensión clínica de la progresión de la enfermedad y a las aplicaciones terapéuticas, como el uso de la presión positiva al final de la espiración (PEEP) o la maniobra de reclutamiento alveolar (ARM). Sin embargo, el uso de estas técnicas requiere una comprensión competente de las curvas y de la mecánica pulmonar básica 3,4.
Los estudiantes, residentes y profesionales médicos se sienten inseguros sobre el manejo de la VM, desde el encendido del ventilador y los ajustes iniciales hasta el monitoreo de la meseta y las presiones de conducción, y esta inseguridad se asocia a la falta de conocimiento y de formación previa adecuada 7,8,9,10. Observamos que los profesionales que participaron en simulaciones y utilizaron un modelo pulmonar relataron mayor confianza, comprensión de los parámetros y comprensión de los componentes de la mecánica pulmonar 8,11,12.
Los modelos para el estudio y entrenamiento de la VM con pulmones de prueba, fuelles y pistones pueden simular diferentes presiones y volúmenes, así como diferentes condiciones de la mecánica pulmonar 13,14,15. Los modelos computacionales y de software también contribuyen al estudio de la interacción cardiopulmonar mediante la generación de simulaciones que pueden ser utilizadas para enseñar los principios de la VM11 a los profesionales de la salud16,17.
Mientras que los modelos computacionales pueden presentar dificultades en la representación de la histéresis pulmonar16, los modelos con pulmón de prueba y fuelle 13,14,15 pueden producir curvas de presión-volumen similares a la curva fisiológica y demostrar la dinámica pulmonar. Como ventaja, el pulmón porcino ex vivo presenta una anatomía similar a la de los humanos18, produciendo también curvas MV, histéresis pulmonar y proporcionando retroalimentación visual de los pulmones dentro de la caja acrílica durante el análisis de la mecánica pulmonar. Los modelos visuales son importantes y pueden ayudar a comprender componentes y conceptos difíciles de imaginar. Por lo tanto, los modelos pulmonares ex vivo representan una forma práctica de enseñanza.
Los estudios con pulmones porcinos ex vivo, como los de VM con presión positiva y negativa 19,20,21, el análisis de la distribución de aerosoles22,23, las simulaciones pediátricas24 y la perfusión pulmonar25 pueden mejorar el conocimiento sobre la VM. Estudios recientes que analizan modelos en presión positiva y negativa han demostrado que la ventilación con presión positiva puede conducir a un reclutamiento abrupto con mayor deformación local, mayor distensión, diferencias en la curva de histéresis y posibles lesiones tisulares en comparación con la presión de presión negativa 19,20,21. Sin embargo, los modelos de presión positiva son necesarios porque los pacientes están bajo presión positiva durante la presión de la VM 19,20,21. El desarrollo de un modelo pulmonar para estudios preclínicos abre posibilidades para nuevas investigaciones y aplicaciones, incluida la enseñanza y la formación de MV.
Aquí, presentamos un modelo de pulmón porcino ex vivo para fines de estudio y entrenamiento. Nuestro objetivo principal es describir los pasos para la generación de este modelo de pulmón porcino ex vivo bajo presión positiva MV. Se puede utilizar en el futuro para estudiar y enseñar mecánica pulmonar.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo descrito es útil para producir un modelo de pulmón porcino ex vivo bajo presión positiva MV. Se puede utilizar para estudiar y enseñar mecánica pulmonar a través de la retroalimentación visual de los pulmones durante el reclutamiento y el análisis de las curvas y valores proyectados en la pantalla del dispositivo. Para lograr este resultado, se necesitan estudios piloto para comprender el comportamiento de los pulmones fuera de la caja torácica e identificar la necesidad de adaptaciones.</p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a todos los colegas y profesionales que contribuyeron y apoyaron la construcción de este protocolo modelo de pulmón porcino ex vivo .
Este estudio no contó con fuentes de financiamiento.
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).
