Studie van een nieuw klinisch apparaat voor het verlagen van de kerntemperatuur van het lichaam

Invoering:

Het vermogen om de kerntemperaturen van het lichaam snel en effectief te manipuleren, zou een aantal velden beïnvloeden, met echt transformatief potentieel. Verreweg de beste manier om een ​​verandering in lichaamstemperatuur te bewerkstelligen is perfusie met gekoeld of opgewarmd bloed, omdat het vaatstelsel van het menselijk lichaam prachtig in evenwicht komt met het lichaam en vooral met de kernweefsels van het lichaam dankzij de diffuse microcirculatie. Dit proces is echter behoorlijk invasief en niet-invasieve technieken hebben tot nu toe voornamelijk gedraaid rond verschillende mechanismen voor warmteoverdracht aan het oppervlak die uiteindelijk berusten op relatief inferieure warmteoverdracht via geleiding.

Grahn, et al., van Stanford University hebben een nieuwe techniek geïdentificeerd om de snelheid van warmteoverdracht tussen de huid en de lichaamskern met een factor tien te verhogen door de convectiekracht van de bloedsomloop op een volledig niet-invasieve manier te benutten [ 1, 2]. Ons systeem is afgeleid van het Stanford-apparaat, maar verschilt op veel belangrijke manieren.

Een goed begrepen en dus aanpasbaar systeem dat in staat is tot snelle kunstmatige warmteoverdracht heeft bijna onbeperkte potentiële toepassingen, waaronder de behandeling van acuut hersentrauma (waarbij de grootste uitdaging voor de behandeling het induceren van onmiddellijke onderkoeling is), atletische prestatieverbetering, militaire operaties en verbetering van industrieën waarin werknemers onderhevig zijn aan extreme thermische stress.

Beschrijving van de technologie/het apparaat:

De technologie werkt als een proces in twee stappen, bestaande uit het eerst stimuleren van de bloedtoevoer naar de AVA's en ten tweede het koelen van de kale huid waar het bloed doorheen stroomt. Dienovereenkomstig bestaat het apparaat uit twee componenten: ten eerste een stimulatiebron voor de bloedstroom en ten tweede een warmtewisselaar aan het oppervlak om de kale huid af te koelen en daardoor het bloed dat er doorheen stroomt, dat vervolgens terugvloeit naar de lichaamskern, waar het die weefsels afkoelt.

In de proef worden twee afzonderlijke stimulatiemiddelen getest:

• Transcutane elektrische zenuwstimulatie (TENS) - Een door de FDA goedgekeurd TENS-apparaat stuurt een stroom via oppervlakte-elektroden door de huid om de zenuwen te stimuleren die de staat van AVA-vasoconstrictie beheersen. Deze stimulatie zorgt voor een vaatverwijdend effect in de AVA's, waardoor de bloedstroom toeneemt.
• Milde thermische stimulatie langs de huid die over de cervicale wervelkolom ligt om een ​​controlesignaal te sturen om de AVA's te verwijden en een verhoogde bloedtoevoer naar de kale huid te geven. Hiervoor wordt een door de FDA goedgekeurd elektrisch verwarmingskussen gebruikt bij een temperatuur van 42°C of lager.

De koeling wordt bewerkstelligd door waterdoorlatende blazen op de handen en voeten aan te brengen. Het water zal door de blazen recirculeren naar een opslagtank met een interne pomp, en een thermo-elektrische koeler regelt de watertemperatuur. De watertemperatuur zal 20°C of hoger zijn.

Onderzoeksstimulans:

De AVA-structuren in de kale (niet-behaarde) huid zijn een onderdeel van het natuurlijke thermoregulatiesysteem van het lichaam. De anatomie en morfologie van AVA's zijn voor een groot deel beschreven in de literatuur, b.v. Sherman [6]. Aangenomen wordt dat vermeende pre-AVA-sluitspieren de primaire controllers zijn van perfusie door AVA's, ongeacht het niveau van AVA-vasodilatatie. Als de AVA's volledig zijn uitgezet, maar de sfincters gesloten zijn, zal er bloed in de uitgezette AVA's komen, maar de bloedstroom, die essentieel is voor warmte-uitwisseling met de kern, zal minimaal zijn. In tegenstelling tot perfusie van capillairen, die grotendeels wordt gereguleerd door lokale omstandigheden, lijkt stroming door AVA's grotendeels centraal te worden gemedieerd, voornamelijk gecontroleerd door de vasoconstrictieve tonus die wordt verleend door rijke sympathische innervatie [7-10]. De sympathische vasoconstrictieve toon, die in de loop van de tijd op een karakteristieke manier lijkt te oscilleren, wordt gecontroleerd door de homeostatische centra van het centrale zenuwstelsel die reageren op verschillende centraal gelegen kerntemperatuurreceptoren. De volledige interne werking van dit controlesysteem en zijn effectormechanismen worden niet volledig begrepen of gekwantificeerd, en andere factoren beïnvloeden de AVA-bloedstroom tot op zekere hoogte, zoals lokale huidtemperaturen, de aanwezigheid van vasoactieve metabolieten, mate van lichaamsbeweging en stimulatie van verschillende perifere thermische sites. Recent werk in het Diller-lab heeft gewezen op het potentieel dat inherent is aan de laatste. Het laboratorium heeft delen van de huid geïdentificeerd die mogelijk niet-energetisch thermisch worden gestimuleerd (verwarmen over een klein gebied om geen significant volume te verwarmen) om AVA-vasodilatatie te induceren. We veronderstellen dat deze sites belangrijke thermoafferente sensoren bevatten die van invloed zijn op de centrale component (hypothalamus) van de regerende controller.

Het vermogen om milde hypothermie te induceren vanuit een normothermische toestand vertegenwoordigt de toepassing die van het grootste belang is voor onze onderzoeksgroep. Indien optimaal ontwikkeld, kan een apparaat dat in staat is om slechts een daling van 2-4°C in de kerntemperatuur van het lichaam teweeg te brengen, een enorme impact hebben op de behandeling van verschillende medische ziektetoestanden en/of noodsituaties, waaronder hartstilstand, ernstig hersenletsel en beroerte. Het is algemeen bekend dat weefselsterfte als gevolg van traumatisch lichamelijk letsel en/of ischemie kan worden verminderd met therapeutische hypothermie vanwege de temperatuurafhankelijkheid van cellulair metabolisme en de complexe, destructieve biochemische processen die optreden in beschadigde weefsels [12].

Therapeutische onderkoeling blijkt een groot effect te hebben in verschillende diermodellen; de vertaling van deze resultaten naar het klinische domein was echter erg moeilijk. Afgezien van mogelijke fysiologische verschillen tussen soorten, zijn onderzoekers in staat om verwondingen te veroorzaken en de kern van de onderzoeksdieren op een zeer gecontroleerde manier af te koelen, en het belangrijkste is dat koeling zeer snel na verwonding wordt veroorzaakt. Uit deze experimenten is gesuggereerd dat er een "window of opportunity" bestaat van ongeveer 90 minuten na het letsel, waarna er weinig tot geen therapeutisch effect optreedt door milde onderkoeling. Bovendien kan deze drempel van 90 minuten op zichzelf al lang zijn, en koeling binnen een tijdsbestek van 60 minuten kan het meest geschikt zijn. Klinisch is koeling binnen de eerste en zeker de laatste vensters bijna nooit bereikt. Hier zijn een aantal redenen voor: de tijd tussen verwonding en mobilisatie van de patiënt, vervoer naar een spoedeisende hulpfaciliteit, eerste beoordeling van de patiënt in de ziekenhuisomgeving, en vooral voor fysiologische wetenschap, een gebrek aan snelle en effectieve methoden om de lichaamskern af te koelen. Door de eenvoudige grootte en geometrie is het menselijk lichaam veel moeilijker te verwarmen of te koelen dan bijvoorbeeld het rattenmodel. Dit geldt met name voor geleidende warmteoverdrachtsmechanismen (waar de meeste huidige niet-invasieve therapeutische hypothermie-implementaties op zijn gebaseerd) vanwege de relatief kleine verhouding tussen oppervlak en thermisch massavolume [3].

We hopen dat het probleem van snelle manipulatie van de kerntemperatuur drastisch kan worden verbeterd, met name door gebruik te maken van convectieve warmteoverdracht door AVA's van de kale huid. In deze experimenten geloven we dat een geoptimaliseerd combinatorisch protocol gebruikmaakt van een grote dekking van kale gebieden (zowel handpalmen als voetzolen), manipulatie van de gemiddelde huidtemperatuur en vooral geoptimaliseerde stimulatie van perifere thermoafferente sensoren die zich in delen van het lichaam bevinden, zoals langs de ruggengraat, kan ondanks het conflict met de thermoregulerende controller milde hypothermie-inductie mogelijk maken. We hopen vooral dat manipulatie van belangrijke thermoafferenten ons in staat zal stellen de controller te "bedriegen" en zijn effectieve vasoconstrictieve signaal te omzeilen.