Studie über ein neues klinisches Gerät zur Senkung der Körperkerntemperatur

Einführung:

Die Fähigkeit, die Körperkerntemperatur schnell und effektiv zu manipulieren, würde sich auf eine Reihe von Bereichen auswirken, die ein wahrhaft transformatives Potenzial haben. Der bei weitem beste Weg, eine Änderung der Körpertemperatur zu bewirken, ist die Perfusion mit gekühltem oder erwärmtem Blut, da sich das Gefäßsystem des menschlichen Körpers aufgrund der diffusen Mikrozirkulation hervorragend mit dem Körper und insbesondere mit den Körperkerngeweben ins Gleichgewicht bringt. Dieser Prozess ist jedoch ziemlich invasiv, und nichtinvasive Techniken haben sich bisher hauptsächlich um verschiedene Oberflächenwärmeübertragungsmechanismen gedreht, die letztendlich auf einer relativ minderwertigen Wärmeleitungsübertragung beruhen.

Grahn et al. von der Stanford University haben eine neue Technik identifiziert, um die Wärmeübertragungsrate zwischen der Haut und dem Körperkern um bis zu den Faktor zehn zu erhöhen, indem die Konvektionskraft des Kreislaufsystems auf völlig nicht-invasive Weise genutzt wird [ 1, 2]. Unser System ist von der Stanford-Vorrichtung abgeleitet, unterscheidet sich jedoch in vielerlei Hinsicht.

Ein gut verstandenes und somit modifizierbares System, das zu einer schnellen künstlichen Wärmeübertragung in der Lage ist, hat nahezu unbegrenzte potenzielle Anwendungen, einschließlich der Behandlung von akuten Hirnverletzungen (bei denen die größte Herausforderung für die Behandlung eine sofortige Hypothermie ist), sportliche Leistungssteigerung, militärische Operationen und die Verbesserung von Industrien, in denen Arbeiter extremen thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

Beschreibung der Technologie/des Geräts:

Die Technologie funktioniert in einem zweistufigen Prozess, der darin besteht, erstens den Blutfluss zu den AVAs zu stimulieren und zweitens die kahle Haut, durch die das Blut fließt, zu kühlen. Dementsprechend besteht das Gerät aus zwei Komponenten: erstens einer Durchblutungsstimulationsquelle und zweitens einem Oberflächenwärmetauscher, um die unbehaarte Haut und damit das durch sie fließende Blut zu kühlen, das anschließend zum Körperkern zurückfließt, wo es diese Gewebe kühlt.

In der Studie werden zwei verschiedene Stimulationsmethoden getestet:

• Transkutane elektrische Nervenstimulation (TENS) – Ein von der FDA zugelassenes TENS-Gerät sendet einen Strom über Oberflächenelektroden durch die Haut, um die Nerven zu stimulieren, die den Zustand der AVA-Vasokonstriktion steuern. Diese Stimulation erzeugt einen Vasodilatationseffekt in den AVAs, was eine Erhöhung des Blutflusses ermöglicht.
• Milde thermische Stimulation entlang der Haut, die über der Halswirbelsäule liegt, um ein Steuersignal zur Vasodilatation der AVAs zu senden und eine erhöhte Durchblutung der kahlen Haut zu gewährleisten. Zu diesem Zweck wird ein von der FDA zugelassenes elektrisches Heizkissen mit einer Temperatur von 42 °C oder niedriger verwendet.

Die Kühlung erfolgt durch Anlegen von Wasserperfusionsblasen an Händen und Füßen. Das Wasser zirkuliert durch die Blasen zu einem Vorratstank mit einer internen Pumpe, und ein thermoelektrischer Kühler reguliert die Wassertemperatur. Die Wassertemperatur liegt bei 20°C oder höher.

Forschungsanreiz:

Die AVA-Strukturen in unbehaarter (nicht behaarter) Haut sind eine Komponente des natürlichen Thermoregulationssystems des Körpers. Die Anatomie und Morphologie von AVAs wurde in großem Umfang in der Literatur beschrieben, z. Schermann [6]. Mutmaßliche Pre-AVA-Schließmuskeln gelten als die primären Controller der Perfusion durch AVAs, unabhängig vom Grad der AVA-Vasodilatation. Wenn die AVAs vollständig erweitert sind, aber die Schließmuskeln geschlossen sind, sammelt sich Blut in den erweiterten AVAs, aber der Blutfluss, der für den Wärmeaustausch mit dem Kern wesentlich ist, wird minimal sein. Im Gegensatz zur Perfusion von Kapillaren, die weitgehend durch lokale Bedingungen reguliert wird, scheint der Fluss durch AVAs hauptsächlich zentral vermittelt zu sein und hauptsächlich durch den vasokonstriktorischen Tonus gesteuert zu werden, der durch eine reichhaltige sympathische Innervation vermittelt wird [7-10]. Der sympathische Vasokonstriktortonus, der in charakteristischer Weise über die Zeit zu oszillieren scheint, wird von den homöostatischen Zentren des zentralen Nervensystems gesteuert, die auf verschiedene zentral gelegene Kerntemperaturrezeptoren reagieren. Die vollständigen inneren Abläufe dieses Kontrollsystems und seiner Effektormechanismen sind nicht vollständig verstanden oder quantifiziert, und andere Faktoren beeinflussen den AVA-Blutfluss bis zu einem gewissen Grad, wie z periphere thermische Standorte. Jüngste Arbeiten im Diller-Labor haben das Potenzial aufgezeigt, das Letzterem innewohnt. Das Labor hat Bereiche der Haut identifiziert, die nicht energetisch thermisch stimuliert werden können (Erhitzen über einen kleinen Bereich, um kein signifikantes Volumen zu erwärmen), um eine AVA-Vasodilatation zu induzieren. Wir nehmen an, dass diese Stellen wichtige thermoafferente Sensoren enthalten, die die zentrale Komponente (Hypothalamus) des regierenden Controllers beeinflussen.

Die Fähigkeit, aus einem normothermischen Zustand eine milde Hypothermie zu induzieren, stellt die Anwendung von größtem Interesse für unsere Forschungsgruppe dar. Bei optimaler Entwicklung könnte ein Gerät, das in der Lage ist, die Körperkerntemperatur nur um 2–4 °C zu senken, einen enormen Einfluss auf die Behandlung verschiedener medizinischer Krankheitszustände und/oder Notfälle haben, einschließlich Herzstillstand, schwerer Hirnverletzung und Schlaganfall. Es ist bekannt, dass der Gewebetod aufgrund einer traumatischen körperlichen Verletzung und/oder Ischämie durch therapeutische Hypothermie aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Zellstoffwechsels und der komplexen, destruktiven biochemischen Prozesse, die in geschädigtem Gewebe ablaufen, verringert werden kann [12].

Therapeutische Hypothermie hat in verschiedenen Tiermodellen eine große Wirkung gezeigt; Die Übertragung dieser Ergebnisse auf den klinischen Bereich war jedoch sehr schwierig. Abgesehen von möglichen physiologischen Unterschieden zwischen den Arten sind die Forscher in der Lage, Verletzungen zu erzeugen und den Kern der Versuchstiere auf sehr kontrollierte Weise zu kühlen, und am wichtigsten ist, dass die Kühlung sehr bald nach der Verletzung induziert wird. Aus diesen Experimenten wurde nahegelegt, dass ein "Gelegenheitsfenster" von etwa 90 Minuten nach der Verletzung besteht, nach dem wenig bis gar keine therapeutische Wirkung durch leichte Hypothermie eintritt. Darüber hinaus kann diese 90-Minuten-Schwelle selbst eine Strecke sein, und eine Kühlung innerhalb eines 60-Minuten-Fensters kann am besten geeignet sein. Klinisch wurde eine Kühlung innerhalb des ersteren und sicherlich des letzteren Fensters fast nie erreicht. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen: die Zeit zwischen Verletzung und Mobilisierung des Patienten, den Transport in eine Notfallversorgungseinrichtung, die Erstbeurteilung des Patienten im Krankenhaus und vor allem für die physiologische Wissenschaft das Fehlen schneller und effektiver Methoden um den Körperkern zu kühlen. Aufgrund der einfachen Größe und Geometrie ist der menschliche Körper viel schwieriger zu erwärmen oder zu kühlen als beispielsweise das Rattenmodell. Dies gilt insbesondere für konduktive Wärmeübertragungsmechanismen (auf denen die meisten aktuellen nicht-invasiven therapeutischen Hypothermie-Implementierungen basieren) aufgrund des relativ kleinen Verhältnisses von Oberfläche zu thermischem Massenvolumen [3].

Wir hoffen, dass das Problem der schnellen Manipulation der Kerntemperatur drastisch verbessert werden kann, insbesondere durch Nutzung der konvektiven Wärmeübertragung durch AVAs von unbehaarter Haut. In diesen Experimenten glauben wir, dass ein optimiertes kombinatorisches Protokoll eine große Abdeckung kahler Regionen (beide Handflächen plus Fußsohlen), eine Manipulation der mittleren Hauttemperatur und eine besonders optimierte Stimulation von peripheren thermoafferenten Sensoren verwendet, die sich in Regionen des Körpers befinden, wie z Wirbelsäule, kann trotz des Konflikts mit dem thermoregulatorischen Controller eine leichte Hypothermieinduktion ermöglichen. Wir hoffen insbesondere, dass die Manipulation wichtiger Thermoafferenzen es uns ermöglichen wird, den Controller zu "tricksen" und sein effektives vasokonstriktives Signal zu umgehen.