Undersøgelse af en ny klinisk anordning til reduktion af kropskernetemperatur

Introduktion:

Evnen til at manipulere kropskernetemperaturer hurtigt og effektivt ville påvirke en række felter med et virkeligt transformativt potentiale. Langt den bedste måde at bevirke en ændring i kropstemperatur på er perfusion med afkølet eller opvarmet blod, fordi vaskulaturen i den menneskelige krop afbalancerer storslået godt med kroppen og især kroppens kernevæv på grund af den diffuse mikrocirkulation. Denne proces er imidlertid ret invasiv, og ikke-invasive teknikker til dato har for det meste drejet sig om forskellige overfladevarmeoverførselsmekanismer, der i sidste ende er afhængige af relativt ringere ledningsvarmeoverførsel.

Grahn, et al., ved Stanford University har identificeret en ny teknik til at øge hastigheden af ​​varmeoverførsel mellem huden og kroppens kerne med op til en faktor ti ved at udnytte kredsløbssystemets konvektivitet på en fuldstændig ikke-invasiv måde [ 1, 2]. Vores system er afledt af Stanford-enheden, men anderledes på mange væsentlige måder.

Et velforstået og dermed modificerbart system, der er i stand til hurtig kunstig varmeoverførsel, har næsten ubegrænsede potentielle anvendelser, herunder behandling af akutte hjernetraumer (hvor den største udfordring for behandlingen er at inducere øjeblikkelig hypotermi), forbedring af atletisk præstation, militære operationer og forbedring af industrier, hvor arbejdere er udsat for ekstrem termisk stress.

Beskrivelse af teknologien/enheden:

Teknologien fungerer som en to-trins proces, der består af først at stimulere blodgennemstrømningen til AVA'erne og for det andet at afkøle den glatte hud, som blodet strømmer igennem. Følgelig består enheden af ​​to komponenter: først en kilde til stimulering af blodgennemstrømningen og for det andet en overfladevarmeveksler til at afkøle den glatte hud og derved blodet, der strømmer gennem den, og som efterfølgende strømmer tilbage til kroppens kerne, hvor det afkøler disse væv.

To separate stimuleringsmidler vil blive testet i forsøget:

• Transkutan elektrisk nervestimulation (TENS) - En FDA-godkendt TENS-enhed sender en strøm via overfladeelektroder gennem huden for at stimulere de nerver, der styrer tilstanden af ​​AVA vasokonstriktion. Denne stimulering vil skabe en vasodilatationseffekt i AVA'erne, hvilket tillader en stigning i blodgennemstrømningen.
• Mild termisk stimulation langs huden, der ligger over den cervikale rygsøjle, for at sende et kontrolsignal til at vasodilatere AVA'erne og give en øget blodgennemstrømning til glat hud. En FDA-godkendt elektrisk varmepude bruges til dette formål ved en temperatur på 42°C eller lavere.

Afkøling vil blive opnået ved at påføre vandperfusionsblærer på hænder og fødder. Vandet vil recirkulere gennem blærerne til en holdetank med en intern pumpe, og en termoelektrisk køler regulerer vandtemperaturen. Vandtemperaturen vil være på 20°C eller højere.

Forskningsincitament:

AVA-strukturerne i glat (ikke-håret) hud er en del af kroppens naturlige termoreguleringssystem. AVAs anatomi og morfologi er i høj grad blevet beskrevet i litteraturen, f.eks. Sherman [6]. Formodede præ-AVA sphinctere menes at være de primære kontroller af perfusion gennem AVA'er, uanset niveauet af AVA vasodilatation. Hvis AVA'erne er fuldstændigt udvidede, men lukkemusklerne lukket, vil blod samle sig i de udvidede AVA'er, men blodstrømmen, som er afgørende for varmevekslingen med kernen, vil være minimal. I modsætning til perfusion af kapillærer, som i vid udstrækning er reguleret af lokale forhold, ser flow gennem AVA'er ud til at være for det meste centralt medieret, primært styret af den vasokonstriktor-tone, der gives af rig sympatisk innervation [7-10]. Den sympatiske vasokonstriktortone, som ser ud til at svinge på en karakteristisk måde over tid, styres af centralnervesystemets homøostatiske centre, der reagerer på forskellige centralt placerede kernetemperaturreceptorer. Den fuldstændige indre funktion af dette kontrolsystem og dets effektormekanismer er ikke fuldstændigt forstået eller kvantificeret, og andre faktorer påvirker AVA-blodgennemstrømningen til en vis grad, såsom lokale hudtemperaturer, tilstedeværelsen af ​​vasoaktive metabolitter, træningsniveau og stimulering af forskellige perifere termiske steder. Det seneste arbejde i Diller-laboratoriet har indikeret det potentiale, der ligger i sidstnævnte. Laboratoriet har identificeret områder af huden, der kan være ikke-energetisk termisk stimuleret (opvarmning over et lille område for ikke at opvarme et betydeligt volumen) for at inducere AVA vasodilatation. Vi antager, at disse steder indeholder vigtige termoafferente sensorer, der påvirker den centrale komponent (hypothalamus) af den styrende controller.

Evnen til at inducere mild hypotermi fra en normotermisk tilstand repræsenterer anvendelsen af ​​størst interesse for vores forskningsgruppe. Hvis den er optimalt udviklet, kan en enhed, der kun er i stand til at inducere et fald på 2-4°C i kropskernetemperaturen, have en enorm indflydelse på behandlingen af ​​forskellige medicinske sygdomstilstande og/eller nødsituationer, herunder hjertestop, alvorlig hjerneskade og slagtilfælde. Det er velkendt, at vævsdød på grund af traumatisk fysisk skade og/eller iskæmi kan mindskes med terapeutisk hypotermi på grund af temperaturafhængigheden af ​​cellulær metabolisme og de komplekse, destruktive biokemiske processer, der forekommer i beskadiget væv [12].

Terapeutisk hypotermi har vist sig at have stor effekt i forskellige dyremodeller; oversættelse af disse resultater til det kliniske domæne har imidlertid været meget vanskelig. Bortset fra eventuelle fysiologiske forskelle mellem arter, er forskere i stand til at producere skader og afkøle kernen af ​​forskningsdyrene på en meget kontrolleret måde, og vigtigst af alt, afkøling induceres meget hurtigt efter skaden. Ud fra disse eksperimenter er det blevet foreslået, at der eksisterer et "vindue af muligheder" på omkring 90 minutter efter skaden, hvorefter der opstår ringe eller ingen terapeutisk effekt fra mild hypotermi. Desuden kan denne tærskel på 90 minutter i sig selv være en strækning, og afkøling inden for et 60-minutters vindue kan være mest passende. Klinisk er køling i førstnævnte og sikkert sidstnævnte vinduer næsten aldrig blevet opnået. Der er en række årsager til dette: Tiden mellem skade og mobilisering af patienten, transport til et akutcenter, indledende vurdering af patienten i hospitalsmiljøet, og vigtigst af alt for fysiologisk videnskab, mangel på hurtige og effektive metoder for at afkøle kroppens kerne. Grundet simpel størrelse og geometri er den menneskelige krop meget sværere at opvarme eller afkøle end for eksempel rottemodellen. Dette gælder især for ledende varmeoverførselsmekanismer (hvilket er, hvad de fleste nuværende implementeringer af ikke-invasiv terapeutisk hypotermi er baseret på) på grund af det relativt lille forhold mellem overfladeareal og termisk massevolumen [3].

Vi håber, at problemet med hurtig kernetemperaturmanipulation kan forbedres drastisk, specielt ved at bruge konvektiv varmeoverførsel gennem AVA'er af glat hud. I disse eksperimenter tror vi på en optimeret kombinatorisk protokol, der udnytter stor dækning af glatte områder (både håndflader plus fodsåler), manipulation af gennemsnitlig hudtemperatur og især optimeret stimulering af perifere termoferente sensorer placeret i områder af kroppen som f.eks. rygsøjlen, kan tillade mild hypotermi-induktion på trods af konflikten med den termoregulatoriske regulator. Vi håber især, at manipulation af vigtige termoaffenter vil give os mulighed for at "narre" controlleren og omgå dens effektive vasokonstriktive signal.