Studie av en ny klinisk enhet for å redusere kroppskjernetemperaturen

Introduksjon:

Evnen til å manipulere kroppskjernetemperaturer raskt og effektivt vil påvirke en rekke felt, med virkelig transformativt potensial. Den desidert beste måten å bevirke en endring i kroppstemperatur på er perfusjon med avkjølt eller oppvarmet blod fordi vaskulaturen til menneskekroppen er fantastisk godt ekvilibrert med kroppen og spesielt kroppens kjernevev på grunn av den diffuse mikrosirkulasjonen. Denne prosessen er imidlertid ganske invasiv, og ikke-invasive teknikker til dags dato har stort sett dreid seg om forskjellige overflatevarmeoverføringsmekanismer som til slutt er avhengige av relativt dårlig ledningsvarmeoverføring.

Grahn, et al., ved Stanford University har identifisert en ny teknikk for å øke hastigheten på varmeoverføring mellom huden og kroppens kjerne med opptil en faktor på ti ved å utnytte den konvektive kraften til sirkulasjonssystemet på en fullstendig ikke-invasiv måte [ 1, 2]. Systemet vårt er avledet av Stanford-enheten, men forskjellig på mange viktige måter.

Et godt forstått og dermed modifiserbart system som er i stand til rask kunstig varmeoverføring har nesten ubegrensede potensielle anvendelser, inkludert behandling av akutte hjernetraumer (hvor den største utfordringen for behandling er å indusere umiddelbar hypotermi), forbedring av atletisk ytelse, militære operasjoner og forbedring av bransjer der arbeidstakere er utsatt for ekstrem termisk stress.

Beskrivelse av teknologien/enheten:

Teknologien fungerer som en to-trinns prosess, som består av først å stimulere blodstrømmen til AVA-ene og deretter avkjøle den glatte huden som blodet strømmer gjennom. Følgelig består enheten av to komponenter: først en blodstrømstimuleringskilde, og for det andre en overflatevarmeveksler for å kjøle ned den glatte huden og derved blodet som strømmer gjennom den som deretter strømmer tilbake til kroppskjernen, hvor det avkjøler disse vevene.

To separate metoder for stimulering vil bli testet i forsøket:

• Transkutan elektrisk nervestimulering (TENS) - En FDA-godkjent TENS-enhet sender en strøm via overflateelektroder gjennom huden for å stimulere nervene som kontrollerer tilstanden til AVA vasokonstriksjon. Denne stimuleringen vil skape en vasodilatasjonseffekt i AVA-ene, noe som tillater en økning i blodstrømmen.
• Mild termisk stimulering langs huden som ligger over cervikal ryggraden for å sende et kontrollsignal for å vasodilatere AVAene og gi økt blodstrøm til glatt hud. En FDA-godkjent elektrisk varmepute brukes til dette formålet ved en temperatur på 42°C eller lavere.

Avkjøling vil bli oppnådd ved å påføre vannperfusjonsblærer på hender og føtter. Vannet vil resirkulere gjennom blærene til en oppbevaringstank med en intern pumpe, og en termoelektrisk kjøler regulerer vanntemperaturen. Vanntemperaturen vil være på 20°C eller høyere.

Forskningsincentiv:

AVA-strukturene i glatt (ikke-håret) hud er en komponent i kroppens naturlige termoregulatoriske system. Anatomien og morfologien til AVA er i stor grad blitt beskrevet i litteraturen, bl.a. Sherman [6]. Formodede pre-AVA-sfinktere antas å være de primære kontrollerne for perfusjon gjennom AVA, uavhengig av nivået av AVA vasodilatasjon. Hvis AVA-ene er fullstendig utvidet, men lukkemusklene lukket, vil blod samle seg i de utvidede AVA-ene, men blodstrømmen, som er avgjørende for varmevekslingen med kjernen, vil være minimal. I motsetning til perfusjon av kapillærer, som i stor grad er regulert av lokale forhold, ser strømning gjennom AVA ut til å være for det meste sentralt mediert, kontrollert primært av den vasokonstriktortonen gitt av rik sympatisk innervasjon [7-10]. Den sympatiske vasokonstriktortonen, som ser ut til å svinge på en karakteristisk måte over tid, styres av sentralnervesystemets homeostatiske sentre som reagerer på ulike sentralt plasserte kjernetemperaturreseptorer. Den fullstendige indre funksjonen til dette kontrollsystemet og dets effektormekanismer er ikke fullstendig forstått eller kvantifisert, og andre faktorer påvirker AVA-blodstrømmen til en viss grad, slik som lokale hudtemperaturer, tilstedeværelsen av vasoaktive metabolitter, treningsnivå og stimulering av ulike perifere termiske steder. Nylig arbeid i Diller-laboratoriet har indikert potensialet som ligger i sistnevnte. Laboratoriet har identifisert områder av huden som kan være ikke-energetisk termisk stimulert (oppvarming over et lite område for ikke å varme opp et betydelig volum) for å indusere AVA vasodilatasjon. Vi antar at disse stedene inneholder viktige termoaffente sensorer som påvirker den sentrale komponenten (hypothalamus) til den styrende kontrolleren.

Evnen til å indusere mild hypotermi fra en normotermisk tilstand representerer anvendelsen av størst interesse for vår forskningsgruppe. Hvis den er optimalt utviklet, kan en enhet som er i stand til å indusere en reduksjon på bare 2-4°C i kroppskjernetemperaturen ha stor innvirkning på behandlingen av ulike medisinske sykdomstilstander og/eller nødsituasjoner, inkludert hjertestans, alvorlig hjerneskade og hjerneslag. Det er velkjent at vevsdød på grunn av traumatisk fysisk skade og/eller iskemi kan reduseres med terapeutisk hypotermi på grunn av temperaturavhengigheten til cellulær metabolisme og de komplekse, destruktive biokjemiske prosessene som skjer i skadet vev [12].

Terapeutisk hypotermi har vist seg å ha stor effekt i ulike dyremodeller; oversettelse av disse resultatene til det kliniske domenet har imidlertid vært svært vanskelig. Bortsett fra eventuelle fysiologiske forskjeller mellom arter, er forskere i stand til å produsere skade og avkjøle kjernen til forskningsdyrene på en veldig kontrollert måte, og viktigst av alt, avkjøling induseres veldig kort tid etter skade. Fra disse eksperimentene har det blitt antydet at det eksisterer et "vindu av muligheter" på ca. 90 minutter etter skade, hvoretter liten eller ingen terapeutisk effekt oppstår fra mild hypotermi. Dessuten kan denne 90-minutters terskelen i seg selv være en strekning, og kjøling innenfor et 60-minutters vindu kan være mest hensiktsmessig. Klinisk har kjøling i de førstnevnte og sikkert sistnevnte vinduene nesten aldri blitt oppnådd. Det er en rekke årsaker til dette: tiden mellom skade og mobilisering av pasienten, transport til et akuttmottak, førstegangsvurdering av pasienten på sykehus, og viktigst av alt for fysiologisk vitenskap, mangel på raske og effektive metoder for å avkjøle kroppens kjerne. På grunn av enkel størrelse og geometri er menneskekroppen mye vanskeligere å varme eller avkjøle enn for eksempel rottemodellen. Dette gjelder spesielt for ledende varmeoverføringsmekanismer (som er hva de fleste nåværende implementeringer av ikke-invasiv terapeutisk hypotermi er basert på) på grunn av det relativt lille forholdet mellom overflateareal og termisk massevolum [3].

Vi håper at problemet med rask kjernetemperaturmanipulasjon kan forbedres drastisk, spesielt ved å bruke konvektiv varmeoverføring gjennom AVA-er av glatt hud. I disse eksperimentene tror vi en optimert kombinatorisk protokoll som bruker stor dekning av glatte områder (både håndflater pluss fotsåler), manipulering av gjennomsnittlig hudtemperatur, og spesielt optimalisert stimulering av perifere termoafferente sensorer lokalisert i områder av kroppen, som f.eks. ryggraden, kan tillate mild hypotermi induksjon til tross for konflikten med termoregulatoren. Vi håper spesielt at manipulering av viktige termoaffenter vil tillate oss å "lure" kontrolleren og omgå dens effektive vasokonstriktive signal.