Experimental models of sepsis and septic shock: an overview

Sepsis remains a major cause of morbidity and mortality in surgical patients and trauma victims, mainly due to sepsis-induced multiple organ dysfunction. In contrast to preclinical studies, most clinical trials of promising new treatment strategies for sepsis have fails to demonstrate efficacy. Although many reasons could account for this discrepancy, the misinterpretation of preclinical data obtained from experimental studies, and especially the use of animal models that do not adequately mimic human sepsis may have been contributing factors. In this review, the benefits and limitations of various animal models of sepsis are discussed to clarify the extend to which findings are relevant to human sepsis, particularly with respect to the subsequent design and execution of clinical trials. Such models include intravascular infusion of endotoxin or live bacteria, bacterial peritonitis, cecal ligation and perforation, soft tissue infection, pneumonia or meningitis models, using different animal species including rats, mice, rabbits, dogs, pigs, sheep and nonhuman primates. Despite several limitations, animal models remain essential in the development of all new therapies for sepsis and septic shock, because they provide fundamental information about the pharmacokinetics, toxicity, and mechanism of drug action that cannot be duplicated by other methods. New therapeutic agents should be studies in infection models, even after the initiation of the septic process. Furthermore, debility conditions need to be reproduced to avoid the exclusive use of healthy animals, which often do not represent the human septic patient.

A sepse persiste como causa capital de mortalidade e morbidade em pacientes operados e nas vítimas de trauma, principalmente pela disfunção de múltiplos órgãos induzida pela sepse. Em contraste com estudos experimentais, a maioria dos estudos clínicos avaliando potenciais novos tratamentos para a sepse falham em demonstrar eficácia. Apesar de haver diversas possíveis explicações para esta discrepância, a interpretação equivocada dos dados pré-clínicos e. principalmente, o uso de modelos animais que não mimetizam adequadamente a sepse humana podem ter sido fatores contribuintes. Nesta revisão, os benefícios e limitações dos diversos modelos experimentais de sepse são discutidos quanto a relevância com a sepse humana e em relação a futuros ensaios clínicos. Entre os modelos discutidos incluímos a injeção intravascular de endotoxina ou bactérias vivas, peritonite bacteriana, ligadura e punção cecal, infecção de tecidos moles, e modelos de pneumonia e meningite, utilizando várias espécies de animais tais como ratos, camundongos, coelhos, porcos, ovelhas e primatas. Apesar das limitações, modelos animais permanecem essenciais para o desenvolvimento de todas as novas terapias para a sepse e choque séptico, pois fornecem dados fundamentais quanto a farmacocinética, toxicidade e mecanismos de ação das drogas e que não podem ser de outro modo reproduzidos. Os novos agentes terapêuticos devem ser testados mesmo após o início do processo séptico e condições debilitantes devem ser desenvolvidas para evitar o uso exclusivo de animais saudáveis e que freqüentemente não representam a maior parte da população de pacientes sépticos.

Efeitos hemodinâmicos e metabólicos iniciais da perfusão hipotérmica intestinal in situ.: avaliação de um novo modelo canino de autotransplante intestinal

Intestinal transplantation is an acceptable therapy for children and adults with short bowel syndrome. The great majority of large animal experimental models of intestinal transplantation are complex and take a lot of time to be performed. In this study, we developed an alternative model of intestinal autotransplantation and evaluate the initial impact of isolated hypothermic intestinal perfusion with Ringers lactate solution on hemodynamic and metabolic parameters. METHODS: Six pentobarbital anesthetized mongrel dogs were used in this study (22,8±1,4 Kg). Systemic hemodynamic were evaluated through a Swan-Ganz and arterial catheters; while gastrointestinal tract perfusion by superior mesenteric vein blood flow (SMVBF, ultrasonic flowprobe) and intestinal mucosal pCO2 (pCO2-int and pCO2-gap, gas tonometry). Initially, the proximal jejunum and distal ileum were transected; at the basis of the mesentery excepting the superior mesenteric artery and vein. The small bowel was then perfused in situ with cold (4ºC) Ringers lactate solution for 30 minutes, with an automatic pump. The animals where observed for 120 minutes after reperfusion. Blood samples were collected from thoracic aorta for gas blood analysis. RESULTS: Hypothermic intestinal perfusion induced a partial reduction on SMVBF, only in the first 30 min of reperfusion (398±102,8 to 587±70,9 ml/min) and an increase on pCO2-gap (2±2,7 to 29,8±6 mmHg). During the experimental protocol, we did not observe significant alterations on systemic hemodynamic or metabolic parameters (MAP, CO, pH, base excess and hemoglobin levels) as well as on central core temperature. CONCLUSION: The model of intestinal transplantation is very useful to test different preservation solutions and/or antioxidants drugs, which are often used in clinical small bowel transplantation.

O transplante intestinal tem sido utilizado como uma alternativa promissora no tratamento da síndrome do intestino curto em pacientes adultos e pediátricos. Vários modelos experimentais foram desenvolvidos com a finalidade de testar diferentes soluções de preservação. No entanto são modelos complexos que levam, muitas vezes, um tempo prolongado para a sua realização. OBJETIVO: Neste estudo, desenvolvemos um modelo alternativo de autotransplante intestinal in situ analisando os efeitos hemodinâmicos e metabólicos iniciais da perfusão hipotérmica com solução de Ringer lactato. MÉTODOS: Foram utilizados seis cães machos sem raça definida (22,8±1,4 Kg); as variáveis hemodinâmicas sistêmicas foram obtidas por meio de cateter arterial e pelo Swan-Ganz. A perfusão do trato gastrintestinal foi avaliada pela medida do fluxo sangüíneo da veia mesentérica superior (FSVMS, fluxômetro ultra-sônico), e através da medida do pCO2 intestinal (pCO2-int e pCO2-gap, tonometria a gás). Inicialmente realizamos a secção do jejuno proximal e íleo distal e isolamento dos vasos mesentéricos com fitas cardíacas, todo o tecido nervoso e linfático em torno do eixo vascular intestinal foi seccionado. O território mesentérico foi perfundido através da artéria mesentérica superior por 30 minutos com 1000 ml de Ringer lactato a 4ºC, e o efluente drenado através de uma pequena incisão na veia mesentérica superior. Os animais foram observados por 120 min após o inicio do período de reperfusão. Amostras de sangue foram obtidas da aorta abdominal, para análise gasométrica. RESULTADOS: A perfusão intestinal hipotérmica induziu uma redução do FSMVS apenas nos primeiros 30 min de reperfusão (587±70,9 para 398±102,8 ml/min) e um aumento do pCO2-gap (2±2,7 para 29,8±6 mmHg). Não foram observadas alterações significativas em relação a parâmetros hemodinâmicos e metabólicos sistêmicos (PAM, DC, pH, excesso de bases, hemoglobina) assim como na temperatura central. CONCLUSÃO: O modelo de autotransplante intestinal é extremamente útil e de fácil execução, para a avaliação inicial de soluções de preservação e/ou drogas antioxidantes, comumente utilizadas no transplante de intestino.

Telerobotic-assisted laparoscopic operation performed at a remote site: initial experience

Robotic surgery is an option to laparoscopy that may offer some benefits including the possibility of performing surgery when the surgeon is geographically away from the patient and faster tireless repetitive movements with greater precision. At present, robot-assisted surgery has been done routinely in several institutions around the world, however, to the best of our knowledge, it is the first time such procedure is performed in our academic environment and herein is reported the first telerobotic-assisted laparoscopic cystectomy performed in a domestic pig at our institution using the Zeus®robotic system (Computer Motion, EUA). The procedure was performed using two different operating rooms geographically apart from each other. The assistant was in an operating room that was set with the operating table and the pig as well as with the Zeus® robotic arms. In the other operating room, the surgeon was seated in the control console with a three-dimensional imaging five meters away from the operating table connected with electric cables. The assistant surgeon established the pneumoperitoneum and five trocars were placed in a fan configuration. The surgeon started performing the surgery using three out of the five ports taking control of the laparoscope (voice control) and manual control of laparoscopic instruments connected to the robotic arms using the joysticks. The other two ports were used by the assistant for traction and clips placement that was also necessary for exchanging the many laparoscopic instruments connected to the robot. The laparoscopic total cystectomy was successfully performed in 25 minutes with no complications. The truly benefits as well as the cost-effectiveness of the robotic surgery in our environment is yet to be determined after experience acquisition with telerobotic before start performing such procedures routinely in humans. The present report shows the technical feasibility of telerobotic surgery in a developing country.

A cirurgia totalmente robotizada é uma opção à laparoscopia que pode proporcionar alguns benefícios, entre os quais a realização dos incansáveis movimentos de repetição com maior precisão e rapidez e com o cirurgião localizado em ambiente geograficamente diferente do paciente. Relatamos, em nossa instituição, a primeira cistectomia totalmente robotizada à distância em um porco (raça Landrace) doméstico com o sistema robótico Zeus® (Computer Motion, EUA). A cirurgia foi realizada em duas salas geograficamente separadas, sendo que em uma delas, o porco foi posicionado na mesa cirúrgica bem como os braços do sistema Zeus® fixados de forma segura. Na seqüência, o assistente introduziu os cinco trocateres em forma de leque pela via transperitoneal após obtenção do pneumoperitônio pelo método fechado. Em outra sala, o cirurgião principal comandava os braços do robô através de controles manuais sentado dentro do console de comando do sistema Zeus ®, auxiliado por imagem de vídeo em três dimensões transmitida pelo laparoscópio, que era comandado por sistema de voz, pelo cirurgião. A distância do console de comando e da mesa cirúrgica era de 5 metros e estes estavam conectados por cabos elétricos. A cistectomia total foi realizada em 25 minutos sem intercorrências. O assistente auxiliou apenas nas manobras de troca de instrumento do sistema Zeus ®, apresentação dos tecidos e introdução do clipador, utilizando apenas dois trocartes. Os reais benefícios do sistema robótico em nosso meio ainda será determinado através da aquisição de maior experiência com o sistema e pelo início da realização deste procedimento em humanos.

Gas tonometry for evaluation of gastrointestinal mucosal perfusion: experimental and clinical sepsis¹. part 2

Substantial clinical and animal evidences indicate that the mesenteric circulatory bed, particularly the gut mucosa, is highly vulnerable to reductions in oxygen supply and prone to early injury in the course of hemodynamic changes induced by sepsis and septic shock. Gut hypoxia or ischemia is one possible contributing factor to gastrointestinal tract barrier dysfunction that may be associated with the development of systemic inflammatory response and multiple organ dysfunction syndrome, the principal cause of death after sepsis. Monitoring gut perfusion during experimental and clinical sepsis may provide valuable insights over new interventions and therapies highly needed to reduce multiple organ dysfunction and sepsis-related morbidity and mortality. We present our experience with gas tonometry as a monitor of the adequacy of gastrointestinal mucosal perfusion in experimental models sepsis and with the use of vasoactive agents for hemodynamic management in patients with septic shock.

Evidências clínicas e experimentais substanciais indicam que o território circulatório mesentérico, principalmente na mucosa intestinal, é altamente vulnerável a redução na oferta de oxigênio e predisposto a lesão precoce na presença de alterações hemodinâmicas induzidas pela sepse e choque séptico. A hipóxia ou isquemia intestinal é um dos possíveis mecanismos contribuintes para a disfunção da barreira gastrointestinal que pode estar associada com o desenvolvimento da resposta inflamatória sistêmica e com a síndrome da disfunção de múltiplos órgãos, a principal causa comum de morte na sepse. Monitorar a perfusão intestinal na sepse experimental e clínica pode fornecer dados valiosos quanto a novas intervenções e tratamentos altamente necessários para reduzir disfunção de múltiplos órgãos e mortalidade extremamente elevadas na sepse. Apresentamos nossa experiência com a tonometria a gás como monitor da adequação da perfusão da mucosa gastrointestinal na sepse clínica e experimental, e com o uso de drogas vasoativas no controle hemodinâmico em pacientes com choque séptico.

Gas tonometry for evaluation of gastrointestinal mucosal perfusion: experimental models of trauma, shock and complex surgical maneuvers - Part 1

Substantial clinical and animal evidences indicate that the mesenteric circulatory bed, particularly the gut mucosa, is highly vulnerable to reductions in oxygen supply and prone to early injury in the course of hemodynamic changes induced by trauma, shock, sepsis and several complex surgical maneuvers. Gut hypoxia or ischemia is one possible contributing factor to gastrointestinal tract barrier dysfunction that may be associated with the development of systemic inflammatory response and multiple organ dysfunction syndrome, a common cause of death after trauma, sepsis or major surgeries. Monitoring gut perfusion during experiments may provide valuable insights over new interventions and therapies highly needed to reduce trauma and sepsis-related morbidity and mortality. We present our experience with gas tonometry as a monitor of the adequacy of gastrointestinal mucosal perfusion in clinical and experimental models of trauma, shock and surgical maneuvers associated with abrupt hemodynamic changes, such as aortic occlusion and hepatic vascular exclusion. Next issue we will be presenting our experience with gas tonometry in experimental and clinical sepsis.

Evidências clínicas e experimentais substanciais indicam que o território circulatório mesentérico, principalmente na mucosa intestinal, é altamente vulnerável a redução na oferta de oxigênio e predisposto a lesão precoce na presença de alterações hemodinâmicas induzidas por trauma, choque, sepse e diversas manobras cirúrgicas complexas. A hipóxia ou isquemia intestinal é um dos possíveis mecanismos contribuintes para a disfunção da barreira gastrointestinal que pode estar associada com o desenvolvimento da resposta inflamatória sistêmica e com a síndrome da disfunção de múltiplos órgãos, causa comum de morte após trauma, sepse ou cirurgias de grande porte. Monitorar a perfusão intestinal em experimentos pode fornecer dados valiosos quanto a novas intervenções e tratamentos altamente necessários para reduzir a morbidade e mortalidade extremamente elevadas no trauma e na sepse. Apresentamos nossa experiência com a tonometria a gás como monitor da adequação da perfusão da mucosa gastrointestinal clínica e experimental, em modelos de trauma, sepse, e manobras cirúrgicas complexas tais como a oclusão da aorta e a exclusão vascular hepática.