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该协议的目标是展示猪放血心脏骤停模型和专门构建的用于转化研究的选择性主动脉弓灌注回路。
出血占可能可预防的创伤死亡的大多数。人们对血管内复苏技术越来越感兴趣,例如用于心脏骤停患者的选择性主动脉弓灌注 (SAAP)。这涉及通过胸主动脉球囊导管对冠状动脉循环进行主动灌注,并即将进入临床应用。然而,该技术很复杂,需要在动物模型中进行改进,然后才能考虑人类使用。本文描述了一种使用定制 SAAP 系统治疗的失血性心脏骤停的大型动物模型。
对猪进行麻醉、器械检查并进行脾切除术,然后开始受控的对数放血。将动物肝素化,并将流出的血液收集在储液器中。一旦观察到心脏骤停,血液就通过体外回路泵入氧合器,然后通过放置在胸主动脉中的 10 Fr 球囊导管输送。
这导致自主循环 (ROSC) 恢复,如 ECG 和主动脉根部压力波形所示。该模型和随附的 SAAP 系统允许从失血性心脏骤停中实现标准化和可重复的恢复。
出血占潜在可预防创伤死亡的大部分1。在失血的终末期,冠状动脉灌注减少,导致心脏骤停和死亡。目前的策略——静脉输血和心脏按摩——是无效的,因为它们没有解决冠状动脉灌注失败的问题。
SAAP 是一种基于导管的复苏技术,旨在通过将含氧复苏液和药物直接注入主动脉近端,灌注冠状动脉和脑循环来解决这个问题。有限的猪研究表明,在心室颤动和出血性心脏骤停后恢复心脏活动方面取得了有希望的结果 2,3,4。然而,SAAP 研究正在进行中,该技术仍处于临床前阶段。
SAAP 存在一些技术挑战。通过导管以精确的输注速率输送一定量的灌注液至关重要,目前没有市售的 FDA 批准的用于 SAAP 的导管。该技术需要一个特定的回路,该回路能够在 SAAP 期间有效地储存、充氧和输送灌注液。本研究的目的是提出一种创伤性无脉电活动 (PEA) 心脏骤停动物模型和定制的、可靠的 SAAP 系统,用于在放血动物研究中探索该工具。
这项研究是在医学院教学设施(MSTF,马里兰大学,巴尔的摩,马里兰州,美国)进行的,该设施获得了美国实验动物科学协会的认可。该研究方案得到了当地机构动物护理和使用委员会的批准。
1. 动物选择和饲养
2. 全身麻醉的镇静和诱导
3. 手术
4. 仪表
注意: 有关连接 SAAP 电路的关键步骤,请参见 表 1 。
5. 放血
6. SAAP
7. 外周灌注
注意:根据研究方案,在成功进行 SAAP 复苏后,可以使用 SAAP 回路继续在外周进行进一步的容量置换。
8. 安乐死
基线时主动脉根部血压为 83/58 mmHg,放血时逐渐降至 0-10 mmHg。在无脉电活动 (PEA) 开始后,进行 SAAP,在此期间,在 SAAP 持续时间内收缩压迅速升高至 120 mmHg(图4)。在 SAAP 停止和主动脉球囊放气后,BSP 降至约 60 mmHg,但在 SAAP 后期间,它再次逐渐增加至基线水平,有几个峰值代表静脉液体推注(箭头)。
图 1:展示了猪中用于数据收集和监控的访问点的图表。 放置在左侧颈内静脉 (IJV) 中的 7 Fr 鞘可用于药物输送,具体取决于方案需要。右侧 IJV 中的 7 Fr 护套允许将压力传感器放置在右心房中,右颈动脉中的 7 Fr 护套允许将压力传感器放置在主动脉弓中。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 2:SAAP 电路示意图,展示了电路元件的设置,包括储血器、氧合器、离心泵和蠕动泵,以及再灌注肢、主灌注肢、SAAP 肢和外周肢。 *未显示放血管 请点击这里查看此图的放大版本。
图 3:展示 SAAP 电路元件的图表:SAAP 灌注肢体和外周灌注肢体,经皮通路和猪模型中设置的 SAAP 导管。 主动脉瓣 (AV) 闭合推注和 SAAP 球囊充气推注注射器被证明连接到 SAAP 导管中的相应端口。放置在右股动脉中的 15 Fr ECMO 插管连接到放血管。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 4:整个放血过程中、心脏骤停后选择性主动脉弓灌注 (SAAP) 和 SAAP 后主动脉根部血压 (BP) 的趋势。 虚线显示 SAAP 球囊放气后 SBP 显着暂时降低。 请单击此处查看此图的较大版本。
关键步骤 | 关键组件 | |
使用带倒钩的 Y 和直连接器构建电路管,以包含再灌注肢、主灌注肢、SAAP 灌注肢和外周灌注肢(图 1) | 3/8“ 内径管,倒钩连接器 | |
用电缆扎带固定连接器 | 电缆扎带 | |
将近端管连接到储液槽 | 储血器 | |
将管道连接到离心泵 | 离心泵 | |
将管道连接到氧合器 | 肺 | |
将氧合器连接到氧气源 | 氧气源、燃气管 | |
将管道装入蠕动泵头 | 蠕动泵 | |
将 SAAP 灌注肢连接到 SAAP 导管,将外周灌注肢连接到静脉导管(图 2) | SAAP 导管 静脉导管 3 通和 2 通旋塞阀 |
表 1:构建 SAAP 电路的关键步骤和组件。
充足的灌注液氧合是 SAAP12 的一项关键能力。我们使用与储液器集成的过滤器。过滤器通过标准氧气管连接到氧气瓶。氧气流量以 6 L/min 的速度输送到氧合器。回路中的离心泵推动血液,血液通过氧合器过滤。可以通过对回路灌注端的样本进行血气分析来确认足够的氧合。使用该模型进行实验期间进行的血气样本证实氧合充足,结果为:pO2 746 mmHg,sO2 100.0%,FO2Hbe 99.2%。必须使用 SAAP 回路实现足够的灌注才能获得 ROSC。Manning 及其同事证明,每分钟 10 mL/kg 体重的流速是提高冠状动脉灌注压 (CPP) 并导致 ROSC6 的最佳流速。研究还表明,导致灌注液过多的较高流速可能导致心脏超负荷或肺水肿3。回路泵必须有足够的功率,不仅可以通过 3/8 英寸内径的管输送灌注液,还可以通过 SAAP 导管相对较长且较窄的管腔输送灌注液,该管腔长 81 厘米,内径为 10 Fr。我们发现,在这种情况下,单独的离心泵无法提供足够的流量,因此在回路中加入了蠕动泵。在 SAAP 中加入主动脉内肾上腺素已被证明会导致更快的 ROSC2。这最好在 SAAP 灌注之前立即进行,可以通过连接到SAAP导管主动脉腔的三通旋塞阀注射小剂量(0.2-0.5 mg)来实现(图 2)并用 SAAP 灌注冲洗。SAAP 导管本身是整个设备的关键元件。然而,目前尚无市售 FDA 批准的用于执行 SAAP 的导管。我们使用了一种原型导管,其内径为 10 Fr,外径为 13 Fr,在尖端附近包含一个柔顺性球囊,可容纳高达 50 mL 的体积。导管有两个端口:一个球囊端口和一个动脉腔端口,这两个端口都可以容纳标准的 IV 管连接器。
该系统的局限性包括需要校准血液设备。大多数商用非临床级泵都经过水校准,鉴于血液具有不同的粘度,这可能会导致不同的血流动力学行为。构建 SAAP 回路中描述的设备不是无菌的,在考虑生存研究时应考虑这一点。由于猪和人类的解剖学和生理相容性,猪模型已广泛用于创伤和心血管研究。但是,确实存在一些可能影响结果的差异,在应用此模型时应考虑这些差异。该电路由 3/8 英寸 ID(内径)管组成,没有表面涂层;然而,在收集库中加入普通肝素并结合回路内的血液再循环似乎可以降低血栓形成的风险。虽然外伤患者可表现为凝血病7,但全身肝素化是禁忌的,应考虑抗血栓形成措施,如管道涂层,用于临床级应用。然而,对于非存活的动物研究,该模型可以安全地应用。需要肝素化进行全身肝素化以防止回路血栓形成,这可能会造成重大限制,具体取决于研究方案。全身肝素化对心肌和神经损伤的可能影响尚未研究,不能排除作为混杂因素,在使用所述回路设计研究时应考虑。另一种方法是使用肝素粘合管。此外,模型中使用的全身抗凝药并未通过实验室测试正式确认,仅通过在回路中观察到没有血栓形成来验证。所应用的放血模型是一种快速放血。放血的速度和速度可能会对 SAAP 成功复苏后的生存率和代谢以及生理标志物产生影响。在设计基于放血模型的研究时,应考虑这一点。应进行进一步研究以充分阐明出血率和出血速度对复苏后获得和维持良好 ROSC 的能力的影响。
目前没有专门为提供 SAAP 而开发的商用电路。SAAP 回路必须具有以下功能:能够在没有血栓形成风险的情况下储存灌注液(血液)、充足的氧合以及以特定流速高效输送灌注液。在考虑将血液储存在回路中时,防止凝血至关重要,即使时间很短。虽然市售的临床用回路管具有表面涂层以防止血小板粘附,但这种类型的管子设计为一次性使用,抗血栓涂层通常在大约 14 天后失效8。Barnard、Hoops 及其同事 9,10 构建了改进的回路,他们利用了一个 3 L 储液罐、一个蠕动泵和一个带有 HLS-7 回路的 Cardiohelp 系统——通常用于 ECMO。然而,临床级电路元件价格昂贵,成本在 30,000.00 美元到 130,000.00 美元之间,具体取决于制造商(美敦力和云顶,个人通信,2020 年 4 月 14 日)。此外,由于这些电路元件不是专门为 SAAP 设计的,因此它们仍然需要一些修改,以及蠕动泵等附加设备。这里的电路成本要低得多,为 13,500.00 美元,其中泵占大部分。
目前的报告提出了一个创伤性 PEA 失血性心脏骤停的猪模型和一个可以有效提供 SAAP 的特殊电路(图 1)。本研究中使用的控制性放血模型利用了对数趋势,最初出血速度很快,然后逐渐减慢至平台期。该模型的开发是为了提供可重复的出血,它反映了由于低血压引起的出血率降低,以及由此产生的生理性后遗症。该算法可用于产生不同长度的出血到心脏骤停的对数率,具体取决于研究方案。SAAP 复苏已在创伤性和非创伤性心脏骤停的动物模型中显示出有希望的结果 2,3,4,11。该技术在新兴血管内复苏时代提供了一个有吸引力的辅助手段。在该技术被应用于临床领域之前,需要进一步的研究来进一步探索其在心脏骤停患者复苏中的有效性。目前所描述的 SAAP 电路是一种在专用电路可用之前研究该技术的经济高效且可靠的方法。对数非线性出血模型为研究创伤性 PEA 的复苏提供了一种可重复且可靠的模型。
所描述的方案中的关键步骤是相对快速的对数放血12 和 SAAP 复苏。使用可编程泵以对数方式进行放血,其中计算的出血率基于动物的体重每分钟减少。虽然这可以手动完成,但计算机控制的设计允许精确和更平滑的图案。为确保足够的流速,应使用足够口径的回路管和动脉通路插管进行放血。SAAP 技术需要集中精力连续执行多个快速任务,首先要确保回路做好充分准备,以快速手动输注房室闭合推注,以平稳快速地过渡到 SAAP 灌注。如果可以进行透视,在 SAAP 球囊和 AV 闭合推注中添加造影剂有助于观察初始灌注。但是,它不是强制性的,可以根据研究方案省略。
JJ Morrison 是 Prytime Medical Inc. 的临床顾问委员会成员。所有其他作者都没有什么可披露的。
本文所表达的观点是作者的观点,不反映陆军/海军/空军部、国防部或美国政府的官方政策。
这项研究的资金由马里兰大学医学院获得。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3/8” ID tubing | Saint-Gobain | E-3603 | This tubing is used throughout the circuit. |
1/4" Tubing | Tygon | E-3603 | 2" segment for a connector between Exsanguination tubing and ECMO cannula |
2-way stopcocks | Harvard Apparatus | 72-2650 | standard stopcock |
3-way | Harvard Apparatus | 72-2658 | Standard stopcock |
Barbed Connectors | Harvard Apparatus | 72-1587 | Y connectors |
Barbed Connectors | Harvard Apparatus | 72-1575 | Straight connectors |
Blood Reservoir | LivaNova | 50715 | This is sold together with the oxygenator |
Cable ties | Commercial Electric | GT-200ST | Standard cable ties. |
Centrifugal pump BVP-Z | ISMATEC | ISM 446 | Centrifugal Pump used for recirculation of blood |
Controlled Peristaltic Dispensing Pump | New Era Pump Systems | NE-9000B | Peristaltic pump for Exsanguination |
ECMO Cannula | Medtronic | 96570-015 | Exsanguination cannula |
Gas tubing | AirLife | 1302 | Standard oxygen tubing |
Oxygen source | AirGas | OX USP300 | Standard oxygen tank with flowmeter |
Oxygenator | LivaNova | 50715 | This is sold together with the reservoir |
Peristaltic pump 1 MCP | ISMATEC | ISM 405 | SAAP peristaltic pump |
SAAP catheter | n/a | n/a | Proprietary catheter designed by Dr. Manning |
Venous catheter | Teleflex | CDC-29903-1A | 9 French single lumen catheter |
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