Ectothermy and cardiac shunts profoundly slow the equilibration of inhaled anaesthetics in a multi-compartment model

Abstract

The use of inhalational anaesthesia is ubiquitous in terrestrial vertebrates. Given the dependence of these agents on delivery by the cardiorespiratory system, we developed a new computational model predicting equilibration of inhaled anaesthetics in mammalian and ectotherm conditions including the ability of reptiles to maintain vascular shunts. A multi-compartment model was constructed from simultaneously-solved equations, verified by comparison to the literature for endo and ectotherm physiology. The time to 90% equilibration of anaesthetic in arterial blood (t90) is predicted and used to compare anaesthetics and physiologies. The five to tenfold lower cardiac output and minute ventilation of ectothermic vertebrates is predicted to slow equilibration times by five to ten times leading to 90% equilibration in ectotherm arterial blood of over 200 min, compounded by reduction in body temperature, and the extent of right-to-left vascular shunts. The impact of these findings is also influenced by the solubility coefficient of the anaesthetic, such that at net right-to-left shunt fractions of over 0.8, sevoflurane loses the advantage of faster equilibration, in comparison with isoflurane. We explore clinical strategies to regulate anaesthetic uptake in ectotherms by managing convectional flow especially by supportive ventilation and reduction of the right-to-left shunt.

Aspectos anatomotopográficos e anestesia com sevofluorano para exérese de fibropapilomas em tartarugas verdes (>i<Chelonia mydas>/i<)

“…Foi adotada a ventilação mecânica para as tartarugas pois no plano cirúrgico é comum os animais entrarem em apneia (MANS, SLADKY; SCHUMACHER, 2019), além da necessidade de pressão positiva de insuflação para tartarugas marinhas, que apresentam uma pressão intracelomática de -4cmH2O (GRIMM;MADER, 2001). A ventilação mecânica serve para compensar a redução ou ausência do impulso respiratório central, em combinação com a perda do tônus do músculo esquelético nas tartarugas anestesiadas (WILLIAMS et al, 2020).…”

“…A ação anestésica do sevofluorano nas tartarugas verdes aqui estudadas, ficou sujeita fisiologicamente à elevada fração de ejeção cardíaca sistólica e ao desvio D-E. A alta fração de ejeção cardíaca prolonga a indução porque ela rapidamente esgota o agente anestésico do pulmão e, portanto, retarda a fração do anestésico no SNC dos testudinos (WILLIAMS et al, 2020). O desvio intracardíaco D-E indisponibiliza o pulmão para a troca gasosa e consequente indução, criando essa incompatibilidade da relação ventilação/perfusão (WILLIAMS et al, 2020).…”

“…A ação anestésica do sevofluorano nas tartarugas verdes aqui estudadas, ficou sujeita fisiologicamente à elevada fração de ejeção cardíaca sistólica e ao desvio D-E. A alta fração de ejeção cardíaca prolonga a indução porque ela rapidamente esgota o agente anestésico do pulmão e, portanto, retarda a fração do anestésico no SNC dos testudinos (WILLIAMS et al, 2020). O desvio intracardíaco D-E indisponibiliza o pulmão para a troca gasosa e consequente indução, criando essa incompatibilidade da relação ventilação/perfusão (WILLIAMS et al, 2020). Não se provou a existência do desvio intracardíaco neste trabalho com tartarugas verdes, mas a consequência da demora do equilíbrio entre os compartimentos (uma grande diferença entre as frações inspirada e expirada de anestésico) especialmente no início da monitoração anestésica, levantam a suspeita de ocorrência do desvio D-E.…”

“…Uma assunção da determinação da CAM para mamíferos é que frações expiradas reflitam as frações arteriais (e também no SNC), o que não ocorre nos testudinos que fazem desvio D-E (GREUNZ et al, 2018, WILLIAMS et al, 2020. Répteis que não fazem desvio D-E rotineiros como as pítons e os lagartos varanídeos, a CAM pode ser mais fácil de determinar (BERTELSEN et al,2005); ao contrário das tartarugas marinhas como a verde neste estudo.…”

“…Para acelerar o tempo de equilíbrio para anestesia inalatória em répteis pode-se:1) usar ventilação mecânica com uma frequência maior (MOON;STABENAU,1996;ROONEY et al, 1999); 2) submeter as tartarugas marinhas após a intubação a uma elevada fração inspirada do halogenado para aumentar a concentração de absorção do anestésico e diminuir o tempo necessário para atingir uma determinada concentração necessária para abolir os estímulos dolorosos (WILLIAMS et al, 2020); 3) usar um parassimpatolítico (GREUNZ et al, 2018;MOON;STABENAU, 1996;WILLIAMS et al, 2020) para abolir os efeitos vagais e alterações cardíacas em virtude deles.…”