Sviluppo di un nuovo micro-ossigenatore in un modello di circolazione extracorporea nell'animale di piccola taglia

Il bypass cardiopolmonare (CPB) è un componente essenziale della cardiochirurgia convenzionale. Sebbene il tasso di morbilità e mortalità sia diminuito nel corso degli ultimi anni, esso continua ad essere associato con un significativo tasso di mortalità, e le interazioni dispositivo/paziente sono in parte ancora sconosciute. Il CPB è noto per indurre un’infiammazione sistemica e una disfunzione del miocardio, che è associata ad una significativa morbidità. Il contatto di sangue con la superficie artificiale del circuito del by-pass, l’arresto cardioplegico, e lo stesso trauma operatorio risultano in una sindrome post-perfusione, che può essere la causa di disfunzione polmonare e renale, di lesioni neurologiche e gastrointestinali, di disturbi della coagulazione, dell'aumento di fluido interstiziale e della suscettibilità alle infezioni Al fine di chiarire i processi fisiopatologici del CPB, in passato sono stati fatti numerosi studi sperimentali, ma la maggior parte di essi sono stati effettuati negli animali di grossa taglia, come cani, ovini e suini. Questi modelli avevano notevoli limiti, perché sono costosi e richiedono importanti risorse, sia umane che economiche. Un modello di CPB nel ratto può ridurre il costo degli animali e delle attrezzature necessarie per eseguire gli esperimenti, è più accessibile e permette una grande disponibilità di test, anche grazie al fatto che i ratti sono specie transgeniche, knock-out e singeniche. In effetti, la ricerca cardiovascolare si è incentrata principalmente su modelli murini e, pertanto, molto più informazioni sono disponibili e sulla sua fisiologia e sulle sue risposte fisiopatologie. Scopo di questo studio è stato lo sviluppo e la convalida di un complesso modello animale di by-pass cardiopolmonare utilizzando un nuovo ossigenatore a fibre cave miniaturizzato, simulando una quadro clinico standard. Esso è un modello riproducibile ed è il punto di partenza per studiare vari effetti legati alla fisiopatologia del CPB, della protezione miocardica e dell’infiammazione sistemica in vivo. Metodi: Un ossigenatore a fibre cave con un ridotto volume di priming (6.3ml) è stato prodotto dal Gruppo Sorin-Dideco, in conformità alle specifiche competenze derivanti dall’ingegneria biomedica, dalla cardiochirurgia e dall’esperienza dei perfusionisti. Esso è dotato delle seguenti caratteristiche: superficie di scambio dei gas: 450cm²; superficie dello scambiatore di calore: 16cm². L'ossigenatore è stato testato prima in vitro e poi in vivo in 5 ratti anestetizzati e ventilati, utilizzando una tecnica a torace aperto, una pompa roller miniaturizzata e uno scambiatore di calore. Le pressioni sono state monitorizzate negli animali, sia prima che dopo l’ossigenatore. Il ritorno venoso è stato ottenuto attraverso la cannulazione della vena cava superiore, la cannulazione arteriosa è stata ottenuta attraverso l’arteria carotide. Risultati: In vitro: l'ossigenazione del sangue è stata di 8 volte (da aria ambiente al 100% di FIO2) e la rimozione di PCO2 è stata di 2,5 volte. In vivo: il CPB è stato eseguito per 90 minuti (di cui 60 senza ventilazione), mantenendo una buona stabilità emodinamica. Il flusso massimo ottenuto è stato 124ml/min/kg. I gradienti artero-venosi di PO2 sono stati di 10 volte (ad una FIO2 di 100%), con solo piccole variazioni in caso di cambiamento dei flussi. Conclusioni: In conclusione, in questo studio abbiamo sviluppato un modello in vivo di By-pass cardiopolmonare nel ratto con un nuovo ossigenatore a fibre cave miniaturizzato con caratteristiche industriali standardizzate. I risultati ottenuti con questo nuovo ossigenatore, insieme al nostro circuito di circolazione extracorporea e alla nostra tecnica di cannulazione, hanno evidenziato un ottimale trasferimento dei gas, con piccole volumi di prime privo di sangue. Questo studio preliminare dimostra che questo modello di CPB nel ratto fornisce dati riproducibili ed è adatto per studiare le problematiche e le complicanze legate alla circolazione extracorporea, alla protezione miocardica e all’infiammazione sistemica.

Objective: Cardiopulmonary bypass (CPB) is an essential component of conventional cardiac surgery. Although the morbidity and mortality rate has decreased during the last few years, CPB continues to be associated with significant mortality, with still unknown device/patient interactions. CPB is known to induce systemic inflammation and myocardial dysfunction, which is associated with a significant morbidity. Contact of blood with the artificial surface of the bypass circuit, cardioplegic arrest, and operative trauma result in a postperfusion syndrome, including pulmonary and renal dysfunction, neurological and gastrointestinal injury, coagulation disorders, increased interstitial fluid, and susceptibility to infections. It has been increasingly recognized that this generalized inflammation and organ dysfunction is implicated in the pathogenesis of post-CPB cardiovascular dysfunction, including myocardial stunning. In order to clarify the patophysiological processes, numerous experimental studies have been developed, but most of them have been performed in larger animal models, such as dogs, sheep, and pigs. These models have substantial limitations because they are expensive and require laboratory staff and resources. A rat model of CPB can reduce the cost of animals and equipments, is more accessible and allows a large availability of assay also with transgenic, knock-out and syngenic species. Indeed cardiovascular research has mainly focused on rat models and, therefore, much more information about its physiological and pathophysiological responses are available and comparable. The present study outlines the development and validation of a complex small animal model of CPB with a new miniaturized hollow fibre oxygenator mimicking current clinical standards. This model is reproducible and it is the starting point to study various pathophysiologic effects related to CPB, myocardial protection and systemic inflammation in vivo. Methods: A hollow-fibre small priming volume (6.3ml) oxygenator was manufactured according to specifications resulting from engineering, heart surgery and perfusionist expertise (Dideco-Sorin Group, Italy) with the following characteristics: Gas Exchange Surface-450cm2, Heat Exchange Surface-16cm2. The oxygenator was tested in vitro and in vivo in 5 anaesthetised, ventilated, open-chest rats using a miniaturized roller pump and heat exchanger. Pressures were monitored in the animal, before and after the oxygenator. Central venous cannulation through the right atrium, and aortic cannulation, through the carotid artery, were used. Results: In vitro: blood oxygenation was 8-fold (room air to 100% FIO2) and PCO2 removal was 2.5-fold. In vivo: ECC was performed without blood prime for 90 minutes (60 minutes without ventilation) maintaining stable haemodynamics. A maximal blood flow rate of 124ml/min/kg was obtained. Arterio-venous PO2 gradients were 10-fold (FIO2@100%) with only small variations when changing blood flow rates. Conclusions: In conclusion, we have developed an in vivo model of rat CPB with a new miniaturized hollow fibre oxygenator with industrial standards characteristics. The results obtained with this oxygenator, cannulation and ECC circuit, achieves optimal gas transfer with small asanguinous priming volumes. This preliminary study shows that this rodent model provides reproducible data and is suitable to study clinically relevant problems related to CPB, myocardial protection and systemic inflammation.