Studie nového klinického zařízení pro snížení tělesné teploty

Úvod:

Schopnost rychle a efektivně manipulovat s teplotami tělesného jádra by ovlivnila řadu polí se skutečně transformačním potenciálem. Zdaleka nejlepším způsobem, jak dosáhnout změny tělesné teploty, je perfuze ochlazenou nebo ohřátou krví, protože vaskulatura lidského těla se díky difúzní mikrocirkulaci skvěle vyrovnává s tělem a zejména s tělesnými tkáněmi. Tento proces je však dosti invazivní a neinvazivní techniky se dosud většinou točí kolem různých mechanismů povrchového přenosu tepla, které nakonec spoléhají na relativně horší přenos tepla vedením.

Grahn a kol. ze Stanfordské univerzity identifikovali novou techniku, jak zvýšit rychlost přenosu tepla mezi kůží a tělesným jádrem až o faktor deset využitím konvekční síly oběhového systému zcela neinvazivním způsobem. 1, 2]. Náš systém je odvozen od Stanfordova zařízení, ale v mnoha významných ohledech se liší.

Dobře pochopený a tedy modifikovatelný systém schopný rychlého umělého přenosu tepla má téměř neomezené potenciální aplikace, včetně léčby akutního mozkového traumatu (kde jedinou největší výzvou pro léčbu je vyvolání okamžité hypotermie), zvýšení sportovní výkonnosti, vojenské operace a zlepšení odvětví, ve kterých jsou pracovníci vystaveni extrémní tepelné zátěži.

Popis technologie/zařízení:

Technologie funguje jako dvoustupňový proces, který se skládá z první stimulace průtoku krve do AVA a druhého ochlazení lysé kůže, kterou krev proudí. V souladu s tím se zařízení skládá ze dvou komponent: za prvé zdroj stimulace průtoku krve a za druhé povrchový výměník tepla pro chlazení lysé kůže a tím i krve protékající skrz ni, která následně proudí zpět do tělesného jádra, kde tyto tkáně ochlazuje.

Ve studii budou testovány dva samostatné způsoby stimulace:

• Transkutánní elektrická nervová stimulace (TENS) – Jednotka TENS schválená FDA vysílá proud přes povrchové elektrody přes kůži, aby stimuloval nervy, které kontrolují stav AVA vazokonstrikce. Tato stimulace vytvoří vazodilatační účinek v AVA, což umožní zvýšení průtoku krve.
• Mírná tepelná stimulace podél kůže překrývající krční páteř k vyslání kontrolního signálu k vazodilataci AVA a zajištění zvýšeného průtoku krve do lysé kůže. K tomuto účelu se používá elektrická vyhřívací podložka schválená FDA při teplotě 42 °C nebo nižší.

Chlazení bude provedeno aplikací vodních perfuzních měchýřů na ruce a nohy. Voda bude recirkulovat přes vaky do záchytné nádrže s vnitřním čerpadlem a termoelektrický chladič reguluje teplotu vody. Teplota vody bude 20°C nebo vyšší.

Pobídka k výzkumu:

Struktury AVA v lysé (neochlupené) kůži jsou jednou složkou přirozeného termoregulačního systému těla. Anatomie a morfologie AVA byly do značné míry popsány v literatuře, např. Sherman [6]. Předpokládá se, že domnělé pre-AVA svěrače jsou primárními kontrolory perfuze prostřednictvím AVA, bez ohledu na úroveň vazodilatace AVA. Pokud jsou AVA zcela dilatované, ale svěrače uzavřeny, krev se bude shromažďovat v dilatovaných AVA, ale průtok krve, který je nezbytný pro výměnu tepla s jádrem, bude minimální. Na rozdíl od perfuze kapilár, která je do značné míry regulována místními podmínkami, se zdá, že průtok AVAs je většinou centrálně zprostředkovaný, řízený primárně vazokonstrikčním tonusem udělovaným bohatou sympatickou inervací [7–10]. Sympatický vazokonstrikční tonus, který, jak se zdá, v průběhu času charakteristickým způsobem osciluje, je řízen homeostatickými centry centrálního nervového systému, které reagují na různé centrálně umístěné receptory teploty jádra. Úplné vnitřní fungování tohoto řídicího systému a jeho efektorových mechanismů není zcela pochopeno nebo kvantifikováno a další faktory ovlivňují průtok krve AVA do určité míry, jako je místní teplota kůže, přítomnost vazoaktivních metabolitů, úroveň cvičení a stimulace různých periferní termální místa. Nedávná práce v Dillerově laboratoři naznačila potenciál, který je v posledně jmenované. Laboratoř identifikovala oblasti kůže, které mohou být neenergeticky tepelně stimulovány (zahřívání na malé ploše, aby nedošlo k zahřátí významného objemu), aby se vyvolala vazodilatace AVA. Předpokládáme, že tato místa obsahují důležité termoaferentní senzory, které ovlivňují centrální složku (hypotalamickou) řídícího regulátoru.

Schopnost navodit mírnou hypotermii z normotermního stavu představuje aplikaci největšího zájmu naší výzkumné skupiny. Je-li optimálně vyvinuto, zařízení schopné vyvolat pouze 2–4 °C snížení teploty tělesného jádra by mohlo mít obrovský dopad na léčbu různých chorobných stavů a/nebo mimořádných událostí, včetně zástavy srdce, vážného poranění mozku a mrtvice. Je dobře známo, že smrt tkáně v důsledku traumatického fyzického poranění a/nebo ischemie může být snížena terapeutickou hypotermií kvůli teplotní závislosti buněčného metabolismu a složitých, destruktivních biochemických procesů, které se vyskytují v poškozených tkáních [12].

U různých zvířecích modelů se ukázalo, že terapeutická hypotermie má velký účinek; převod těchto výsledků do klinické domény byl však velmi obtížný. Kromě všech možných mezidruhových fyziologických rozdílů jsou vědci schopni způsobit zranění a ochlazovat jádro výzkumných zvířat velmi kontrolovaným způsobem, a co je nejdůležitější, ochlazení je vyvoláno velmi brzy po zranění. Z těchto experimentů bylo navrženo, že "okno příležitosti" existuje asi 90 minut po poranění, po kterém se objeví malý nebo žádný terapeutický účinek z mírné hypotermie. Navíc tento 90minutový práh může být sám o sobě natahovací a ochlazení v rámci 60minutového okna může být nejvhodnější. Klinicky nebylo téměř nikdy dosaženo chlazení v prvním a jistě i v druhém okně. Důvodů je celá řada: doba mezi úrazem a mobilizací pacienta, převoz do zdravotnického zařízení, prvotní posouzení pacienta v nemocničním prostředí a pro fyziologickou vědu především nedostatek rychlých a účinných metod k ochlazení tělesného jádra. Vzhledem k jednoduché velikosti a geometrii je lidské tělo mnohem obtížnější ohřívat nebo chladit než například model krysy. To platí zejména pro konduktivní mechanismy přenosu tepla (na kterých je založena většina současných implementací neinvazivní terapeutické hypotermie) kvůli relativně malému poměru plochy povrchu k objemu tepelné hmoty [3].

Doufáme, že problém rychlé manipulace s teplotou jádra lze drasticky zlepšit, konkrétně využitím konvekčního přenosu tepla přes AVAs lysé kůže. V těchto experimentech věříme v optimalizovaný kombinatorický protokol využívající velké pokrytí lysých oblastí (obě dlaně a plosky nohou), manipulaci s průměrnou teplotou kůže a zejména optimalizovanou stimulaci periferních termoaferentních senzorů umístěných v oblastech těla, např. páteře, může umožnit indukci mírné hypotermie i přes konflikt s termoregulačním regulátorem. Zejména doufáme, že manipulace s důležitými termoaferenty nám umožní regulátor „oklamat“ a obejít jeho účinný vazokonstrikční signál.