Badanie nowego urządzenia klinicznego do obniżania temperatury ciała

Wstęp:

Zdolność do szybkiego i skutecznego manipulowania temperaturą wewnętrzną ciała miałaby wpływ na wiele dziedzin, z prawdziwie transformacyjnym potencjałem. Zdecydowanie najlepszym sposobem wywołania zmiany temperatury ciała jest perfuzja schłodzoną lub ogrzaną krwią, ponieważ układ naczyniowy ludzkiego ciała doskonale równoważy się z ciałem, a zwłaszcza z tkankami rdzenia ciała, dzięki rozproszonemu mikrokrążeniu. Proces ten jest jednak dość inwazyjny, a techniki nieinwazyjne do tej pory obracały się głównie wokół różnych mechanizmów powierzchniowego przenoszenia ciepła, które ostatecznie opierają się na stosunkowo gorszym przewodzeniu ciepła.

Grahn i wsp. z Uniwersytetu Stanforda opracowali nową technikę zwiększania szybkości wymiany ciepła między skórą a rdzeniem ciała nawet dziesięciokrotnie, wykorzystując siłę konwekcyjną układu krążenia w całkowicie nieinwazyjny sposób. 1, 2]. Nasz system jest pochodną urządzenia Stanforda, ale różni się pod wieloma istotnymi względami.

Dobrze poznany, a zatem modyfikowalny system zdolny do szybkiego sztucznego przekazywania ciepła ma niemal nieograniczone potencjalne zastosowania, w tym leczenie ostrych urazów mózgu (gdzie największym wyzwaniem dla leczenia jest wywołanie natychmiastowej hipotermii), poprawę wyników sportowych, operacje wojskowe i poprawę branżach, w których pracownicy są narażeni na ekstremalny stres termiczny.

Opis technologii/urządzenia:

Technologia działa jako proces dwuetapowy, składający się najpierw ze stymulacji przepływu krwi do AVA, a następnie z chłodzenia gładkiej skóry, przez którą przepływa krew. W związku z tym urządzenie składa się z dwóch elementów: najpierw źródła stymulacji przepływu krwi, a po drugie powierzchniowego wymiennika ciepła do schładzania gładkiej skóry, a tym samym przepływającej przez nią krwi, która następnie przepływa z powrotem do rdzenia ciała, gdzie schładza te tkanki.

W badaniu zostaną przetestowane dwa oddzielne sposoby stymulacji:

• Przezskórna elektryczna stymulacja nerwów (TENS) — zatwierdzona przez FDA jednostka TENS wysyła prąd przez elektrody powierzchniowe przez skórę w celu stymulacji nerwów kontrolujących stan zwężenia naczyń AVA. Ta stymulacja stworzy efekt rozszerzenia naczyń krwionośnych w AVA, umożliwiając zwiększenie przepływu krwi.
• Łagodna stymulacja termiczna wzdłuż skóry pokrywającej kręgosłup szyjny w celu wysłania sygnału kontrolnego w celu rozszerzenia naczyń AVA i zapewnienia zwiększonego przepływu krwi do gładkiej skóry. W tym celu stosuje się zatwierdzoną przez FDA elektryczną poduszkę grzewczą o temperaturze 42°C lub niższej.

Chłodzenie będzie realizowane poprzez nałożenie na dłonie i stopy pęcherzy perfuzyjnych z wodą. Woda będzie recyrkulować przez pęcherze do zbiornika retencyjnego z wewnętrzną pompą, a chłodnica termoelektryczna reguluje temperaturę wody. Temperatura wody będzie wynosić 20°C lub więcej.

Zachęta badawcza:

Struktury AVA w skórze gładkiej (nie owłosionej) są jednym ze składników naturalnego systemu termoregulacji organizmu. Anatomia i morfologia AVA zostały szeroko opisane w literaturze, m.in. Shermana [6]. Uważa się, że domniemane zwieracze pre-AVA są głównymi kontrolerami perfuzji przez AVA, niezależnie od stopnia rozszerzenia naczyń AVA. Jeśli AVA są całkowicie rozszerzone, ale zwieracze zamknięte, krew gromadzi się w rozszerzonych AVA, ale przepływ krwi, który jest niezbędny do wymiany ciepła z rdzeniem, będzie minimalny. W przeciwieństwie do perfuzji naczyń włosowatych, która jest w dużej mierze regulowana przez warunki lokalne, przepływ przez AVA wydaje się być głównie pośredniczony centralnie, kontrolowany głównie przez napięcie zwężające naczynia, nadawane przez bogate unerwienie współczulne [7-10]. Współczulny ton zwężający naczynia krwionośne, który wydaje się oscylować w charakterystyczny sposób w czasie, jest kontrolowany przez ośrodki homeostatyczne ośrodkowego układu nerwowego, które reagują na różne centralnie zlokalizowane receptory temperatury rdzenia. Całkowite wewnętrzne funkcjonowanie tego systemu kontroli i jego mechanizmów efektorowych nie jest w pełni poznane ani określone ilościowo, a inne czynniki wpływają do pewnego stopnia na przepływ krwi AVA, takie jak lokalna temperatura skóry, obecność metabolitów wazoaktywnych, poziom ćwiczeń i stymulacja różnych peryferyjne miejsca termiczne. Niedawne prace w laboratorium Dillera wykazały potencjał tkwiący w tym ostatnim. Laboratorium zidentyfikowało obszary skóry, które mogą być nieenergetycznie stymulowane termicznie (ogrzewanie na małej powierzchni, aby nie ogrzać znacznej objętości) w celu wywołania rozszerzenia naczyń AVA. Stawiamy hipotezę, że te miejsca zawierają ważne czujniki termoaferentne, które wpływają na centralny składnik (podwzgórze) kontrolera zarządzającego.

Zdolność do wywołania łagodnej hipotermii ze stanu normotermicznego stanowi zastosowanie, które najbardziej interesuje naszą grupę badawczą. Optymalnie opracowane urządzenie zdolne do wywołania spadku temperatury ciała o zaledwie 2-4°C mogłoby mieć ogromny wpływ na leczenie różnych stanów chorobowych i/lub nagłych przypadków, w tym zatrzymania akcji serca, ciężkiego uszkodzenia mózgu i udaru mózgu. Powszechnie wiadomo, że śmierć tkanek spowodowaną urazowym uszkodzeniem fizycznym i/lub niedokrwieniem można zmniejszyć stosując hipotermię terapeutyczną ze względu na zależność metabolizmu komórkowego od temperatury i złożone, destrukcyjne procesy biochemiczne zachodzące w uszkodzonych tkankach [12].

Wykazano, że hipotermia terapeutyczna ma wielki wpływ na różne modele zwierzęce; jednakże przełożenie tych wyników na dziedzinę kliniczną było bardzo trudne. Poza wszelkimi możliwymi różnicami fizjologicznymi między gatunkami, badacze są w stanie wywoływać urazy i schładzać rdzeń badanych zwierząt w bardzo kontrolowany sposób, a co najważniejsze, ochłodzenie jest indukowane bardzo szybko po urazie. Na podstawie tych eksperymentów zasugerowano, że istnieje „okno możliwości” trwające około 90 minut po urazie, po którym efekt terapeutyczny jest niewielki lub żaden z łagodnej hipotermii. Co więcej, ten 90-minutowy próg sam w sobie może być naciągany, a ochłodzenie w 60-minutowym oknie może być najbardziej odpowiednie. Klinicznie prawie nigdy nie osiągnięto ochłodzenia w pierwszym i z pewnością drugim oknie. Składa się na to kilka przyczyn: czas między urazem a uruchomieniem pacjenta, transport do izby przyjęć, wstępna ocena pacjenta w warunkach szpitalnych, a co najważniejsze dla fizjologii brak szybkich i skutecznych metod do schłodzenia rdzenia ciała. Ze względu na prosty rozmiar i geometrię ludzkie ciało jest znacznie trudniejsze do ogrzania lub schłodzenia niż np. model szczura. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku przewodzących mechanizmów wymiany ciepła (na których opiera się większość obecnych wdrożeń nieinwazyjnej hipotermii terapeutycznej) ze względu na stosunkowo mały stosunek pola powierzchni do objętości masy termicznej [3].

Mamy nadzieję, że problem szybkiej manipulacji temperaturą rdzenia można radykalnie poprawić, szczególnie poprzez wykorzystanie konwekcyjnego przenoszenia ciepła przez AVA gładkiej skóry. W tych eksperymentach wierzymy, że zoptymalizowany protokół kombinatoryczny wykorzystuje duże pokrycie nagich obszarów (obie dłonie i podeszwy stóp), manipulację średnią temperaturą skóry, a szczególnie zoptymalizowaną stymulację obwodowych czujników termoaferentnych zlokalizowanych w obszarach ciała, takich jak wzdłuż kręgosłupa, może pozwolić na indukcję łagodnej hipotermii pomimo konfliktu z regulatorem termoregulacji. Szczególnie liczymy na to, że manipulacja ważnymi termoaferentami pozwoli nam "oszukać" kontroler i ominąć jego skuteczny sygnał zwężający naczynia krwionośne.