Studio di un nuovo dispositivo clinico per la riduzione della temperatura corporea interna

Introduzione:

La capacità di manipolare le temperature interne del corpo in modo rapido ed efficace avrebbe un impatto su una serie di campi, con un vero potenziale di trasformazione. Il modo di gran lunga migliore per effettuare un cambiamento nella temperatura corporea è la perfusione con sangue raffreddato o riscaldato perché la vascolarizzazione del corpo umano si equilibra magnificamente con il corpo e specialmente con i tessuti centrali del corpo a causa della microcircolazione diffusa. Questo processo è piuttosto invasivo, tuttavia, e le tecniche non invasive fino ad oggi hanno ruotato principalmente attorno a vari meccanismi di trasferimento del calore superficiale che alla fine si basano su un trasferimento di calore di conduzione relativamente inferiore.

Grahn, et al., presso la Stanford University, hanno identificato una nuova tecnica per aumentare la velocità di trasferimento del calore tra la pelle e il nucleo del corpo fino a un fattore dieci sfruttando la potenza convettiva del sistema circolatorio in un modo completamente non invasivo. 1, 2]. Il nostro sistema è derivato dal dispositivo di Stanford, ma diverso in molti modi significativi.

Un sistema ben noto e quindi modificabile capace di un rapido trasferimento di calore artificiale ha applicazioni potenziali quasi illimitate, compreso il trattamento di traumi cerebrali acuti (dove la singola sfida più grande per il trattamento è indurre l'ipotermia immediata), il miglioramento delle prestazioni atletiche, le operazioni militari e il miglioramento della industrie in cui i lavoratori sono soggetti a stress termico estremo.

Descrizione della tecnologia/dispositivo:

La tecnologia funziona come un processo in due fasi, consistente nella prima stimolazione del flusso sanguigno agli AVA e nella seconda nel raffreddamento della pelle glabra attraverso la quale scorre il sangue. Di conseguenza, il dispositivo è costituito da due componenti: in primo luogo una fonte di stimolazione del flusso sanguigno, e in secondo luogo uno scambiatore di calore superficiale per raffreddare la pelle glabra e quindi il sangue che scorre attraverso di essa che successivamente rifluisce al centro del corpo, dove raffredda quei tessuti.

Nella sperimentazione verranno testati due distinti mezzi di stimolazione:

• Stimolazione nervosa elettrica transcutanea (TENS) - Un'unità TENS approvata dalla FDA invia una corrente tramite elettrodi di superficie attraverso la pelle per stimolare i nervi che controllano lo stato di vasocostrizione AVA. Questa stimolazione creerà un effetto di vasodilatazione negli AVA, consentendo un aumento del flusso sanguigno.
• Lieve stimolazione termica lungo la pelle sovrastante il rachide cervicale per inviare un segnale di controllo per vasodilatare gli AVA e fornire un aumento del flusso sanguigno alla pelle glabra. A tale scopo viene utilizzato un termoforo elettrico approvato dalla FDA a una temperatura di 42°C o inferiore.

Il raffreddamento sarà realizzato applicando vesciche di perfusione dell'acqua alle mani e ai piedi. L'acqua ricircolerà attraverso le vesciche in un serbatoio di contenimento con una pompa interna e un dispositivo di raffreddamento termoelettrico regola la temperatura dell'acqua. La temperatura dell'acqua sarà di 20°C o superiore.

Incentivo alla ricerca:

Le strutture AVA nella pelle glabra (non pelosa) sono un componente del sistema di termoregolazione naturale del corpo. L'anatomia e la morfologia degli AVA sono state ampiamente descritte in letteratura, ad es. Shermann [6]. Si ritiene che i presunti sfinteri pre-AVA siano i principali controllori della perfusione attraverso gli AVA, indipendentemente dal livello di vasodilatazione dell'AVA. Se gli AVA sono completamente dilatati, ma gli sfinteri chiusi, il sangue si raccoglierà negli AVA dilatati, ma il flusso di sangue, che è essenziale per lo scambio di calore con il nucleo, sarà minimo. Contrariamente alla perfusione dei capillari, che è in gran parte regolata dalle condizioni locali, il flusso attraverso gli AVA sembra essere per lo più mediato centralmente, controllato principalmente dal tono vasocostrittore impartito dalla ricca innervazione simpatica [7-10]. Il tono vasocostrittore simpatico, che sembra oscillare in modo caratteristico nel tempo, è controllato dai centri omeostatici del sistema nervoso centrale che rispondono a vari recettori della temperatura interna situati centralmente. Il funzionamento interno completo di questo sistema di controllo e i suoi meccanismi effettori non sono completamente compresi o quantificati e altri fattori influenzano in una certa misura il flusso sanguigno AVA, come la temperatura cutanea locale, la presenza di metaboliti vasoattivi, il livello di esercizio e la stimolazione di vari siti termali periferici. Un recente lavoro nel laboratorio Diller ha indicato il potenziale insito in quest'ultimo. Il laboratorio ha identificato regioni della pelle che possono essere stimolate termicamente in modo non energetico (riscaldamento su una piccola area in modo da non riscaldare un volume significativo) per indurre la vasodilatazione AVA. Ipotizziamo che questi siti contengano importanti sensori termoafferenti che influenzano il componente centrale (ipotalamico) del controller di governo.

La capacità di indurre lieve ipotermia da uno stato normotermico rappresenta l'applicazione di maggior interesse per il nostro gruppo di ricerca. Se sviluppato in modo ottimale, un dispositivo in grado di indurre solo una diminuzione di 2-4°C della temperatura interna del corpo potrebbe avere un enorme impatto nel trattamento di vari stati patologici e/o emergenze mediche, tra cui arresto cardiaco, gravi lesioni cerebrali e ictus. È ben noto che la morte dei tessuti dovuta a lesioni fisiche traumatiche e/o ischemia può essere ridotta con l'ipotermia terapeutica a causa della dipendenza dalla temperatura del metabolismo cellulare e dei complessi processi biochimici distruttivi che si verificano nei tessuti danneggiati [12].

L'ipotermia terapeutica ha dimostrato di avere un grande effetto in vari modelli animali; tuttavia, la traduzione di questi risultati nel dominio clinico è stata molto difficile. A parte ogni possibile differenza fisiologica interspecie, i ricercatori sono in grado di produrre lesioni e raffreddare il nucleo degli animali di ricerca in modo molto controllato e, cosa più importante, il raffreddamento viene indotto molto presto dopo la lesione. Da questi esperimenti, è stato suggerito che esiste una "finestra di opportunità" di circa 90 minuti dopo l'infortunio, dopo di che si verifica un effetto terapeutico minimo o nullo a causa di una lieve ipotermia. Inoltre, questa soglia di 90 minuti potrebbe essere di per sé un allungamento e il raffreddamento all'interno di una finestra di 60 minuti potrebbe essere più appropriato. Clinicamente, il raffreddamento all'interno della prima e sicuramente della seconda finestra non è quasi mai stato raggiunto. Ci sono una serie di ragioni per questo: il tempo che intercorre tra la lesione e la mobilizzazione del paziente, il trasporto in una struttura di pronto soccorso, la valutazione iniziale del paziente in ambiente ospedaliero e, cosa più importante per la scienza fisiologica, la mancanza di metodi rapidi ed efficaci per raffreddare il nucleo del corpo. A causa delle dimensioni e della geometria semplici, il corpo umano è molto più difficile da riscaldare o raffreddare rispetto, ad esempio, al modello di ratto. Ciò è particolarmente vero per i meccanismi di trasferimento di calore conduttivo (che è ciò su cui si basano la maggior parte delle attuali implementazioni di ipotermia terapeutica non invasiva) a causa del rapporto relativamente piccolo tra area superficiale e volume di massa termica [3].

Ci auguriamo che il problema della rapida manipolazione della temperatura interna possa essere drasticamente migliorato, in particolare utilizzando il trasferimento di calore convettivo attraverso gli AVA della pelle glabra. In questi esperimenti, riteniamo che un protocollo combinatorio ottimizzato utilizzi un'ampia copertura delle regioni glabre (sia i palmi che le piante dei piedi), la manipolazione della temperatura media della pelle e la stimolazione particolarmente ottimizzata dei sensori termoafferenti periferici situati in regioni del corpo come lungo il colonna vertebrale, può consentire una lieve induzione di ipotermia nonostante il conflitto con il controllore termoregolatore. Ci auguriamo in particolare che la manipolazione di importanti termoafferenti ci consenta di "ingannare" il controllore e aggirare il suo efficace segnale vasocostrittore.