Étude d'un nouveau dispositif clinique pour réduire la température centrale du corps

Introduction:

La capacité de manipuler rapidement et efficacement les températures centrales du corps aurait un impact sur un certain nombre de domaines, avec un véritable potentiel de transformation. De loin, la meilleure façon d'effectuer un changement de température corporelle est la perfusion de sang refroidi ou réchauffé, car le système vasculaire du corps humain s'équilibre magnifiquement bien avec le corps et en particulier les tissus centraux du corps en raison de la microcirculation diffuse. Cependant, ce processus est assez invasif et les techniques non invasives à ce jour ont principalement tourné autour de divers mécanismes de transfert de chaleur de surface qui reposent finalement sur un transfert de chaleur par conduction relativement inférieur.

Grahn, et al., à l'Université de Stanford ont identifié une nouvelle technique pour augmenter le taux de transfert de chaleur entre la peau et le noyau du corps jusqu'à un facteur de dix en exploitant la puissance convective du système circulatoire d'une manière totalement non invasive. 1, 2]. Notre système est dérivé du dispositif de Stanford, mais différent à bien des égards.

Un système bien compris et donc modifiable capable d'un transfert de chaleur artificiel rapide a des applications potentielles presque illimitées, y compris le traitement des traumatismes cérébraux aigus (où le plus grand défi du traitement est d'induire une hypothermie immédiate), l'amélioration des performances sportives, les opérations militaires et l'amélioration de industries dans lesquelles les travailleurs sont soumis à des contraintes thermiques extrêmes.

Description de la technologie/de l'appareil :

La technologie fonctionne comme un processus en deux étapes, consistant d'abord à stimuler le flux sanguin vers les AVA et ensuite à refroidir la peau glabre à travers laquelle le sang circule. En conséquence, le dispositif se compose de deux composants : premièrement une source de stimulation du flux sanguin, et deuxièmement un échangeur de chaleur de surface pour refroidir la peau glabre et ainsi le sang qui la traverse qui retourne ensuite au noyau du corps, où il refroidit ces tissus.

Deux moyens de stimulation distincts seront testés dans l'essai :

• Stimulation nerveuse électrique transcutanée (TENS) - Une unité TENS approuvée par la FDA envoie un courant via des électrodes de surface à travers la peau pour stimuler les nerfs qui contrôlent l'état de vasoconstriction AVA. Cette stimulation va créer un effet de vasodilatation dans les AVA, permettant une augmentation du flux sanguin.
• Stimulation thermique légère le long de la peau recouvrant la colonne cervicale pour envoyer un signal de contrôle pour vasodilater les AVA et fournir un flux sanguin accru vers la peau glabre. Un coussin chauffant électrique approuvé par la FDA est utilisé à cette fin à une température de 42°C ou moins.

Le refroidissement sera accompli en appliquant des vessies de perfusion d'eau sur les mains et les pieds. L'eau recirculera à travers les vessies vers un réservoir de rétention avec une pompe interne, et un refroidisseur thermoélectrique régule la température de l'eau. La température de l'eau sera de 20°C ou plus.

Incitatif à la recherche :

Les structures AVA de la peau glabre (non poilue) sont un composant du système de thermorégulation naturel du corps. L'anatomie et la morphologie des AVA ont été largement décrites dans la littérature, par ex. Shermann [6]. On pense que les sphincters pré-AVA putatifs sont les principaux contrôleurs de la perfusion à travers les AVA, quel que soit le niveau de vasodilatation de l'AVA. Si les AVA sont complètement dilatées, mais que les sphincters sont fermés, le sang s'accumulera dans les AVA dilatées, mais le flux de sang, qui est essentiel pour l'échange de chaleur avec le noyau, sera minime. Contrairement à la perfusion des capillaires, qui est largement régulée par les conditions locales, le flux à travers les AVA semble être principalement à médiation centrale, contrôlé principalement par le tonus vasoconstricteur conféré par une riche innervation sympathique [7-10]. Le tonus vasoconstricteur sympathique, qui semble osciller de manière caractéristique dans le temps, est contrôlé par les centres homéostatiques du système nerveux central qui répondent à divers récepteurs de température centrale situés au centre. Le fonctionnement interne complet de ce système de contrôle et ses mécanismes effecteurs ne sont pas complètement compris ou quantifiés, et d'autres facteurs influencent le flux sanguin AVA dans une certaine mesure, tels que les températures cutanées locales, la présence de métabolites vasoactifs, le niveau d'exercice et la stimulation de divers sites thermaux périphériques. Des travaux récents dans le laboratoire Diller ont indiqué le potentiel inhérent à ce dernier. Le laboratoire a identifié des régions de la peau qui peuvent être stimulées thermiquement de manière non énergétique (chauffage sur une petite surface afin de ne pas réchauffer un volume important) pour induire une vasodilatation de l'AVA. Nous émettons l'hypothèse que ces sites contiennent d'importants capteurs thermoafférents qui ont un impact sur le composant central (hypothalamique) du contrôleur directeur.

La capacité d'induire une hypothermie légère à partir d'un état normothermique représente l'application la plus intéressante pour notre groupe de recherche. S'il est développé de manière optimale, un dispositif capable d'induire une diminution de seulement 2 à 4 °C de la température centrale du corps pourrait avoir un impact considérable sur le traitement de divers états pathologiques et/ou urgences, notamment les arrêts cardiaques, les lésions cérébrales graves et les accidents vasculaires cérébraux. Il est bien connu que la mort tissulaire due à une blessure physique traumatique et/ou à une ischémie peut être réduite avec l'hypothermie thérapeutique en raison de la dépendance à la température du métabolisme cellulaire et des processus biochimiques complexes et destructeurs qui se produisent dans les tissus endommagés [12].

L'hypothermie thérapeutique s'est avérée avoir un grand effet dans divers modèles animaux; cependant, la traduction de ces résultats dans le domaine clinique a été très difficile. En dehors de toute différence physiologique interspécifique possible, les chercheurs sont capables de produire des blessures et de refroidir le noyau des animaux de recherche de manière très contrôlée, et surtout, le refroidissement est induit très peu de temps après la blessure. À partir de ces expériences, il a été suggéré qu'il existe une "fenêtre d'opportunité" d'environ 90 minutes après la blessure, après quoi peu ou pas d'effet thérapeutique se produit en cas d'hypothermie légère. De plus, ce seuil de 90 minutes peut lui-même être exagéré, et un refroidissement dans une fenêtre de 60 minutes peut être le plus approprié. Cliniquement, le refroidissement à l'intérieur de la première et sûrement de la dernière fenêtre n'a presque jamais été atteint. Il y a plusieurs raisons à cela : le délai entre la blessure et la mobilisation du patient, le transport vers un service de soins d'urgence, l'évaluation initiale du patient en milieu hospitalier et, surtout pour la science physiologique, le manque de méthodes rapides et efficaces. pour refroidir le noyau du corps. En raison de sa taille et de sa géométrie simples, le corps humain est beaucoup plus difficile à chauffer ou à refroidir que, par exemple, le modèle du rat. Cela est particulièrement vrai pour les mécanismes de transfert de chaleur par conduction (sur lesquels reposent la plupart des implémentations thérapeutiques non invasives actuelles de l'hypothermie) en raison du rapport relativement faible entre la surface et le volume de la masse thermique [3].

Nous espérons que le problème de la manipulation rapide de la température centrale pourra être considérablement amélioré, en particulier en utilisant le transfert de chaleur par convection à travers les AVA de peau glabre. Dans ces expériences, nous pensons qu'un protocole combinatoire optimisé utilisant une large couverture de régions glabres (les deux paumes et la plante des pieds), la manipulation de la température moyenne de la peau et une stimulation particulièrement optimisée des capteurs thermoafférents périphériques situés dans des régions du corps telles que le long de la colonne vertébrale, peut permettre l'induction d'une légère hypothermie malgré le conflit avec le régulateur de thermorégulation. Nous espérons surtout que la manipulation d'importants thermoafférents nous permettra de "tromper" le contrôleur et de contourner son signal vasoconstricteur efficace.