Estudio de un nuevo dispositivo clínico para reducir la temperatura corporal central

Introducción:

La capacidad de manipular la temperatura central del cuerpo de forma rápida y eficaz afectaría a una serie de campos, con un potencial verdaderamente transformador. Con mucho, la mejor manera de efectuar un cambio en la temperatura corporal es la perfusión con sangre enfriada o calentada porque la vasculatura del cuerpo humano se equilibra magníficamente bien con el cuerpo y especialmente con los tejidos centrales del cuerpo debido a la microcirculación difusa. Sin embargo, este proceso es bastante invasivo y las técnicas no invasivas hasta la fecha han girado principalmente en torno a varios mecanismos de transferencia de calor superficial que, en última instancia, se basan en una transferencia de calor por conducción relativamente inferior.

Grahn, et al., de la Universidad de Stanford, han identificado una nueva técnica para aumentar la tasa de transferencia de calor entre la piel y el núcleo del cuerpo hasta en un factor de diez al aprovechar el poder convectivo del sistema circulatorio de una manera completamente no invasiva [ 1, 2]. Nuestro sistema es un derivado del dispositivo de Stanford, pero diferente en muchos aspectos significativos.

Un sistema bien conocido y, por lo tanto, modificable, capaz de una transferencia de calor artificial rápida, tiene aplicaciones potenciales casi ilimitadas, incluido el tratamiento de traumatismos cerebrales agudos (donde el mayor desafío para el tratamiento es la inducción de hipotermia inmediata), mejora del rendimiento atlético, operaciones militares y mejora de la Industrias en las que los trabajadores están sujetos a estrés térmico extremo.

Descripción de la Tecnología/Dispositivo:

La tecnología funciona como un proceso de dos pasos, que consiste primero en estimular el flujo de sangre a los AVA y segundo en enfriar la piel glabra a través de la cual fluye la sangre. En consecuencia, el dispositivo consta de dos componentes: primero, una fuente de estimulación del flujo sanguíneo y, segundo, un intercambiador de calor de superficie para enfriar la piel glabra y, por lo tanto, la sangre que fluye a través de ella, que posteriormente regresa al núcleo del cuerpo, donde enfría esos tejidos.

Se probarán dos medios separados de estimulación en la prueba:

• Estimulación nerviosa eléctrica transcutánea (TENS): una unidad TENS aprobada por la FDA envía una corriente a través de electrodos de superficie a través de la piel para estimular los nervios que controlan el estado de vasoconstricción AVA. Esta estimulación creará un efecto de vasodilatación en las AVA, permitiendo un aumento del flujo sanguíneo.
• Estimulación térmica suave a lo largo de la piel que recubre la columna cervical para enviar una señal de control para vasodilatar los AVA y proporcionar un mayor flujo sanguíneo a la piel glabra. Para este fin, se utiliza una almohadilla térmica eléctrica aprobada por la FDA a una temperatura de 42 °C o menos.

El enfriamiento se logrará mediante la aplicación de vejigas de perfusión de agua en las manos y los pies. El agua recirculará a través de las vejigas a un tanque de retención con una bomba interna y un enfriador termoeléctrico regula la temperatura del agua. La temperatura del agua será de 20°C o superior.

Incentivo a la investigación:

Las estructuras AVA en la piel glabra (sin vello) son un componente del sistema termorregulador natural del cuerpo. La anatomía y la morfología de los AVA se han descrito en gran medida en la literatura, p. Shermann [6]. Se cree que los esfínteres pre-AVA putativos son los principales controladores de la perfusión a través de los AVA, independientemente del nivel de vasodilatación del AVA. Si las AVA están completamente dilatadas, pero los esfínteres están cerrados, la sangre se acumulará en las AVA dilatadas, pero el flujo de sangre, que es esencial para el intercambio de calor con el núcleo, será mínimo. A diferencia de la perfusión de los capilares, que está regulada en gran medida por las condiciones locales, el flujo a través de los AVA parece estar mayormente mediado centralmente, controlado principalmente por el tono vasoconstrictor impartido por la rica inervación simpática [7-10]. El tono vasoconstrictor simpático, que parece oscilar de manera característica con el tiempo, está controlado por los centros homeostáticos del sistema nervioso central que responden a varios receptores de temperatura central ubicados centralmente. El funcionamiento interno completo de este sistema de control y sus mecanismos efectores no se comprenden o cuantifican por completo, y otros factores influyen en el flujo sanguíneo AVA hasta cierto punto, como la temperatura local de la piel, la presencia de metabolitos vasoactivos, el nivel de ejercicio y la estimulación de varios sitios termales periféricos. El trabajo reciente en el laboratorio de Diller ha indicado el potencial inherente a este último. El laboratorio ha identificado regiones de la piel que pueden ser estimuladas térmicamente sin energía (calentando sobre un área pequeña para no calentar un volumen significativo) para inducir la vasodilatación del AVA. Nuestra hipótesis es que estos sitios contienen importantes sensores termoaferentes que impactan el componente central (hipotalámico) del controlador de gobierno.

La capacidad de inducir hipotermia leve desde un estado normotérmico representa la aplicación de mayor interés para nuestro grupo de investigación. Si se desarrolla de manera óptima, un dispositivo capaz de inducir solo una disminución de 2 a 4 °C en la temperatura central del cuerpo podría tener un gran impacto en el tratamiento de varios estados de enfermedades médicas y/o emergencias, incluido el paro cardíaco, la lesión cerebral grave y el accidente cerebrovascular. Es bien sabido que la muerte del tejido debido a lesiones físicas traumáticas y/o isquemia puede disminuir con la hipotermia terapéutica debido a la dependencia de la temperatura del metabolismo celular y los procesos bioquímicos complejos y destructivos que ocurren en los tejidos dañados [12].

Se ha demostrado que la hipotermia terapéutica tiene un gran efecto en varios modelos animales; sin embargo, la traducción de estos resultados al dominio clínico ha sido muy difícil. Además de cualquier posible diferencia fisiológica entre especies, los investigadores pueden producir lesiones y enfriar el núcleo de los animales de investigación de una manera muy controlada y, lo que es más importante, el enfriamiento se induce muy pronto después de la lesión. A partir de estos experimentos, se ha sugerido que existe una "ventana de oportunidad" de aproximadamente 90 minutos después de la lesión, después de la cual se produce poco o ningún efecto terapéutico debido a la hipotermia leve. Además, este umbral de 90 minutos puede ser en sí mismo una exageración, y el enfriamiento dentro de una ventana de 60 minutos puede ser lo más apropiado. Clínicamente, casi nunca se ha logrado el enfriamiento dentro de la primera y, seguramente, de la última ventana. Hay una serie de razones para esto: el tiempo entre la lesión y la movilización del paciente, el transporte a un centro de atención de emergencia, la evaluación inicial del paciente en el entorno hospitalario y, lo que es más importante para la ciencia fisiológica, la falta de métodos rápidos y efectivos. para enfriar el núcleo del cuerpo. Debido al tamaño y la geometría simples, el cuerpo humano es mucho más difícil de calentar o enfriar que, por ejemplo, el modelo de rata. Esto es especialmente cierto para los mecanismos conductivos de transferencia de calor (que es en lo que se basan la mayoría de las implementaciones actuales de hipotermia terapéutica no invasiva) debido a la relación relativamente pequeña entre el área de superficie y el volumen de masa térmica [3].

Esperamos que el problema de la manipulación rápida de la temperatura central pueda mejorarse drásticamente, específicamente utilizando la transferencia de calor por convección a través de AVA de piel glabra. En estos experimentos, creemos que un protocolo combinatorio optimizado utiliza una gran cobertura de regiones glabras (ambas palmas y plantas de los pies), manipulación de la temperatura media de la piel y estimulación especialmente optimizada de sensores termoaferentes periféricos ubicados en regiones del cuerpo como a lo largo de la espina dorsal, puede permitir la inducción de hipotermia leve a pesar del conflicto con el controlador termorregulador. Esperamos especialmente que la manipulación de termoaferentes importantes nos permita "engañar" al controlador y eludir su señal vasoconstrictora efectiva.