Tutkimus uudesta kliinisestä laitteesta kehon sisälämpötilan alentamiseksi

Esittely:

Kyky manipuloida kehon sisälämpötiloja nopeasti ja tehokkaasti vaikuttaisi useisiin kenttiin, joilla on todella muutospotentiaalia. Ylivoimaisesti paras tapa saada aikaan kehon lämpötilan muutos on perfuusio jäähtyneellä tai lämmitetyllä verellä, koska ihmiskehon verisuonisto tasapainottuu upeasti kehon ja erityisesti kehon ydinkudosten kanssa diffuusin mikroverenkierron ansiosta. Tämä prosessi on kuitenkin melko invasiivinen, ja tähän mennessä ei-invasiiviset tekniikat ovat enimmäkseen pyörineet erilaisten pintalämmönsiirtomekanismien ympärillä, jotka viime kädessä riippuvat suhteellisen huonosti johtavasta lämmönsiirrosta.

Grahn ym. Stanfordin yliopistosta ovat tunnistaneet uuden tekniikan lisätä lämmönsiirtonopeutta ihon ja kehon ytimen välillä jopa kymmenkertaiseksi hyödyntämällä verenkiertojärjestelmän konvektiivista voimaa täysin ei-invasiivisella tavalla. 1, 2]. Järjestelmämme on johdannainen Stanfordin laitteesta, mutta erilainen monella merkittävällä tavalla.

Hyvin ymmärrettävällä ja siten muunnettavissa olevalla järjestelmällä, joka kykenee nopeaan keinotekoiseen lämmönsiirtoon, on lähes rajattomat sovellukset, mukaan lukien akuutin aivovamman hoito (jossa hoidon suurin haaste on välittömän hypotermian aiheuttaminen), urheilullisen suorituskyvyn parantaminen, sotilaalliset operaatiot ja aivotoiminnan parantaminen. aloilla, joilla työntekijät ovat alttiina äärimmäiselle lämpörasitukselle.

Tekniikan/laitteen kuvaus:

Tekniikka toimii kaksivaiheisena prosessina, jossa ensin stimuloidaan verenkiertoa AVA:iin ja toiseksi jäähdytetään kalju iho, jonka läpi veri virtaa. Laite koostuu siis kahdesta osasta: ensin verenvirtausta stimuloivasta lähteestä ja toiseksi pintalämmönvaihtimesta kaljuun ihon ja siten sen läpi virtaavan veren jäähdyttämiseksi, joka virtaa sitten takaisin kehon ytimeen, jossa se jäähdyttää näitä kudoksia.

Kokeessa testataan kahta erilaista stimulaatiokeinoa:

• Transkutaaninen sähköinen hermostimulaatio (TENS) - FDA:n hyväksymä TENS-yksikkö lähettää virran pintaelektrodien kautta ihon läpi stimuloidakseen hermoja, jotka hallitsevat AVA-vasokonstriktiota. Tämä stimulaatio saa aikaan verisuonia laajentavan vaikutuksen AVA:issa, mikä mahdollistaa verenkierron lisääntymisen.
• Lievä lämpöstimulaatio kaularangan päällä olevaa ihoa pitkin ohjaussignaalin lähettämiseksi AVA:iden verisuonten laajentamiseksi ja veren virtauksen lisäämiseksi kaljuun ihoon. Tähän tarkoitukseen käytetään FDA:n hyväksymää sähkölämmitystyynyä, jonka lämpötila on 42 °C tai sitä alhaisempi.

Jäähdytys suoritetaan laittamalla vesiperfuusiorakkuloita käsiin ja jalkoihin. Vesi kierrättää rakkojen kautta säiliösäiliöön, jossa on sisäinen pumppu, ja lämpösähköinen jäähdytin säätelee veden lämpötilaa. Veden lämpötila on 20°C tai korkeampi.

Tutkimuskannustin:

AVA-rakenteet kaljassa (ei-karvaisessa) ihossa ovat yksi osa kehon luonnollista lämmönsäätelyjärjestelmää. AVA:iden anatomiaa ja morfologiaa on kuvattu laajasti kirjallisuudessa, mm. Sherman [6]. Oletettujen pre-AVA-sulkijalihasten uskotaan olevan AVA:iden kautta tapahtuvan perfuusion ensisijaisia ​​säätimiä AVA:n vasodilataatiotasosta riippumatta. Jos AVA:t ovat täysin laajentuneet, mutta sulkijalihakset kiinni, veri kerääntyy laajentuneisiin AVA:ihin, mutta veren virtaus, joka on välttämätöntä lämmönvaihdolle ytimen kanssa, on minimaalinen. Toisin kuin kapillaarien perfuusio, jota säätelevät suurelta osin paikalliset olosuhteet, virtaus AVA:iden läpi näyttää olevan enimmäkseen keskitetysti välitettyä, ja sitä ohjaa ensisijaisesti vasokonstriktorisävy, jonka antaa rikas sympaattinen hermotus [7-10]. Sympaattista verisuonia supistavaa sävyä, joka näyttää värähtelevän tyypillisellä tavalla ajan myötä, ohjaavat keskushermoston homeostaattiset keskukset, jotka reagoivat erilaisiin keskeisesti sijaitseviin ydinlämpötilareseptoreihin. Tämän ohjausjärjestelmän ja sen efektorimekanismien täydellistä sisäistä toimintaa ei täysin ymmärretä tai mitata, ja muut tekijät vaikuttavat jossain määrin AVA-verenkiertoon, kuten paikalliset ihon lämpötilat, vasoaktiivisten aineenvaihduntatuotteiden läsnäolo, harjoituksen taso ja erilaisten aineiden stimulaatio. perifeeriset lämpökohteet. Viimeaikainen työ Diller-laboratoriossa on osoittanut viimeksi mainitun potentiaalin. Laboratorio on tunnistanut ihon alueita, joita voidaan stimuloida ei-energeettisesti lämpöstimuloimalla (lämpeneminen pienellä alueella, jotta se ei lämmitä merkittävää määrää) AVA-vasodilataatioiden indusoimiseksi. Oletamme, että nämä paikat sisältävät tärkeitä lämpöafferentteja antureita, jotka vaikuttavat hallitsevan ohjaimen keskuskomponenttiin (hypotalamiseen).

Kyky indusoida lievä hypotermia normotermisestä tilasta edustaa tutkimusryhmäämme eniten kiinnostavaa sovellusta. Optimaalisesti kehitettynä laitteella, joka pystyy alentamaan kehon sisälämpötilaa vain 2–4 °C, voi olla valtava vaikutus erilaisten lääketieteellisten sairauksien ja/tai hätätilanteiden hoidossa, mukaan lukien sydämenpysähdys, vakava aivovamma ja aivohalvaus. On hyvin tunnettua, että traumaattisesta fyysisestä vammasta ja/tai iskemiasta johtuvaa kudoskuolemaa voidaan vähentää terapeuttisella hypotermialla, koska solujen aineenvaihdunta on lämpötilariippuvainen ja vaurioituneissa kudoksissa esiintyvät monimutkaiset, tuhoavat biokemialliset prosessit [12].

Terapeuttisella hypotermialla on osoitettu olevan suuri vaikutus erilaisissa eläinmalleissa; näiden tulosten muuntaminen kliiniselle alueelle on kuitenkin ollut hyvin vaikeaa. Mahdollisten lajien välisten fysiologisten erojen lisäksi tutkijat pystyvät aiheuttamaan vammoja ja jäähdyttämään tutkimuseläinten ydintä hyvin hallitusti, ja mikä tärkeintä, jäähdytys indusoituu hyvin pian loukkaantumisen jälkeen. Näistä kokeista on ehdotettu, että "mahdollisuuksien ikkuna" on olemassa noin 90 minuuttia vamman jälkeen, minkä jälkeen lievästä hypotermiasta ilmenee vain vähän tai ei ollenkaan terapeuttista vaikutusta. Lisäksi tämä 90 minuutin kynnys voi itsessään olla venytys, ja jäähdytys 60 minuutin ikkunan sisällä voi olla sopivin. Kliinisesti jäähdytystä edellisen ja varmasti jälkimmäisen ikkunan sisällä ei ole lähes koskaan saavutettu. Tähän on useita syitä: vamman ja potilaan mobilisoinnin välinen aika, kuljetus ensiapuun, potilaan alustava arviointi sairaalaympäristössä, ja mikä tärkeintä fysiologian kannalta, nopeiden ja tehokkaiden menetelmien puute jäähdyttämään kehon ydintä. Yksinkertaisen koon ja geometrian vuoksi ihmiskehoa on paljon vaikeampi lämmittää tai jäähdyttää kuin esimerkiksi rottamallissa. Tämä pätee erityisesti johtaviin lämmönsiirtomekanismeihin (johon useimmat nykyiset noninvasiiviset terapeuttiset hypotermian toteutukset perustuvat), koska pinta-alan suhde lämpömassan tilavuuteen on suhteellisen pieni [3].

Toivomme, että nopean ydinlämpötilan manipuloinnin ongelmaa voidaan parantaa huomattavasti, erityisesti käyttämällä konvektiivista lämmönsiirtoa kaljun ihon AVA:iden läpi. Näissä kokeissa uskomme optimoituun kombinatoriseen protokollaan, jossa hyödynnetään laajaa kaljujen alueiden (molemmat kämmenissä ja jalkapohjissa) peittoa, keskimääräisen ihon lämpötilan manipulointia ja erityisesti kehon alueilla, kuten esim. selkärangan, voi mahdollistaa lievän hypotermian induktion huolimatta ristiriidasta lämmönsäätimen kanssa. Toivomme erityisesti, että tärkeiden lämpöafferenttien manipulointi antaa meille mahdollisuuden "huijata" säädintä ja ohittaa sen tehokkaan vasokonstriktiivisen signaalin.