Estudo de um novo dispositivo clínico para reduzir a temperatura central do corpo

Introdução:

A capacidade de manipular as temperaturas centrais do corpo de maneira rápida e eficaz afetaria vários campos, com um potencial verdadeiramente transformador. De longe, a melhor maneira de efetuar uma mudança na temperatura corporal é a perfusão com sangue resfriado ou aquecido porque a vasculatura do corpo humano se equilibra magnificamente bem com o corpo e especialmente com os tecidos centrais do corpo devido à microcirculação difusa. Este processo é bastante invasivo, no entanto, e as técnicas não invasivas até o momento giram principalmente em torno de vários mecanismos de transferência de calor de superfície que, em última análise, dependem de transferência de calor de condução relativamente inferior.

Grahn, et al., da Universidade de Stanford, identificaram uma nova técnica para aumentar a taxa de transferência de calor entre a pele e o núcleo do corpo em até um fator de dez, aproveitando o poder de convecção do sistema circulatório de uma maneira completamente não invasiva [ 1, 2]. Nosso sistema é derivado do dispositivo de Stanford, mas diferente em muitos aspectos significativos.

Um sistema bem compreendido e, portanto, modificável, capaz de rápida transferência artificial de calor tem aplicações potenciais quase ilimitadas, incluindo tratamento de trauma cerebral agudo (onde o maior desafio para o tratamento é induzir hipotermia imediata), melhoria do desempenho atlético, operações militares e melhoria de indústrias em que os trabalhadores estão sujeitos a estresse térmico extremo.

Descrição da Tecnologia/Dispositivo:

A tecnologia funciona como um processo de duas etapas, consistindo em primeiro estimular o fluxo sanguíneo para os AVAs e, em segundo lugar, resfriar a pele glabra por onde o sangue está fluindo. Consequentemente, o dispositivo consiste em dois componentes: primeiro uma fonte de estimulação do fluxo sanguíneo e, segundo, um trocador de calor de superfície para resfriar a pele glabra e, assim, o sangue que flui através dela, que subsequentemente flui de volta para o núcleo do corpo, onde esfria esses tecidos.

Dois meios separados de estimulação serão testados no ensaio:

• Estimulação Elétrica Nervosa Transcutânea (TENS) - Uma unidade TENS aprovada pela FDA envia uma corrente através de eletrodos de superfície através da pele para estimular os nervos que controlam o estado de vasoconstrição AVA. Essa estimulação criará um efeito de vasodilatação nos AVAs, permitindo um aumento do fluxo sanguíneo.
• Estimulação térmica suave ao longo da pele sobre a coluna cervical para enviar um sinal de controle para vasodilatar os AVAs e fornecer um fluxo sanguíneo aumentado para a pele glabra. Uma almofada de aquecimento elétrica aprovada pela FDA é usada para essa finalidade a uma temperatura de 42°C ou inferior.

O resfriamento será realizado pela aplicação de bexigas de perfusão de água nas mãos e nos pés. A água vai recircular pelas bexigas para um tanque de retenção com bomba interna, e um refrigerador termoelétrico regula a temperatura da água. A temperatura da água será de 20°C ou superior.

Incentivo à Pesquisa:

As estruturas AVA na pele glabra (sem pelos) são um componente do sistema termorregulador natural do corpo. A anatomia e a morfologia dos AVAs foram amplamente descritas na literatura, por ex. Sherman [6]. Acredita-se que os supostos esfíncteres pré-AVA sejam os principais controladores da perfusão através dos AVAs, independentemente do nível de vasodilatação do AVA. Se os AVAs estiverem completamente dilatados, mas os esfíncteres fechados, o sangue se acumulará nos AVAs dilatados, mas o fluxo de sangue, essencial para a troca de calor com o núcleo, será mínimo. Em contraste com a perfusão dos capilares, que é largamente regulada por condições locais, o fluxo através dos AVAs parece ser principalmente mediado centralmente, controlado principalmente pelo tônus ​​vasoconstritor transmitido pela rica inervação simpática [7-10]. O tônus ​​vasoconstritor simpático, que parece oscilar de maneira característica ao longo do tempo, é controlado pelos centros homeostáticos do sistema nervoso central que respondem a vários receptores de temperatura central localizados centralmente. O funcionamento interno completo desse sistema de controle e seus mecanismos efetores não são completamente compreendidos ou quantificados, e outros fatores influenciam o fluxo sanguíneo do AVA em algum grau, como temperatura local da pele, presença de metabólitos vasoativos, nível de exercício e estimulação de vários locais térmicos periféricos. Trabalhos recentes no laboratório Diller indicaram o potencial inerente a este último. O laboratório identificou regiões da pele que podem ser estimuladas termicamente de forma não energética (aquecendo uma pequena área para não aquecer um volume significativo) para induzir a vasodilatação do AVA. Nossa hipótese é que esses locais contêm importantes sensores termoaferentes que afetam o componente central (hipotálamo) do controlador regulador.

A capacidade de induzir hipotermia leve a partir de um estado normotérmico representa a aplicação de maior interesse para nosso grupo de pesquisa. Se desenvolvido de forma otimizada, um dispositivo capaz de induzir apenas uma diminuição de 2-4°C na temperatura central do corpo pode ter um enorme impacto no tratamento de vários estados de doenças médicas e/ou emergências, incluindo parada cardíaca, lesão cerebral grave e acidente vascular cerebral. É bem conhecido que a morte tecidual devido a lesão física traumática e/ou isquemia pode ser diminuída com hipotermia terapêutica por causa da dependência da temperatura do metabolismo celular e dos complexos processos bioquímicos destrutivos que ocorrem nos tecidos danificados [12].

A hipotermia terapêutica demonstrou ter um grande efeito em vários modelos animais; no entanto, a tradução desses resultados para o domínio clínico tem sido muito difícil. Além de quaisquer possíveis diferenças fisiológicas interespécies, os pesquisadores são capazes de produzir lesões e resfriar o núcleo dos animais de pesquisa de maneira muito controlada e, o mais importante, o resfriamento é induzido logo após a lesão. A partir desses experimentos, foi sugerido que existe uma "janela de oportunidade" de cerca de 90 minutos após a lesão, após a qual ocorre pouco ou nenhum efeito terapêutico da hipotermia leve. Além disso, esse limite de 90 minutos pode ser um exagero, e o resfriamento dentro de uma janela de 60 minutos pode ser o mais apropriado. Clinicamente, o resfriamento dentro da primeira e certamente da segunda janela quase nunca foi alcançado. Existem várias razões para isso: o tempo entre a lesão e a mobilização do paciente, o transporte para uma unidade de atendimento de emergência, a avaliação inicial do paciente no ambiente hospitalar e, o mais importante para a ciência fisiológica, a falta de métodos rápidos e eficazes para resfriar o núcleo do corpo. Devido ao tamanho e geometria simples, o corpo humano é muito mais difícil de aquecer ou resfriar do que, por exemplo, o modelo de rato. Isso é especialmente verdadeiro para mecanismos de transferência de calor por condução (que é o que a maioria das implementações de hipotermia terapêutica não invasiva atuais se baseiam) por causa da relação relativamente pequena da área de superfície para o volume de massa térmica [3].

Esperamos que o problema da manipulação rápida da temperatura central possa ser drasticamente melhorado, especificamente utilizando a transferência de calor por convecção através de AVAs de pele glabra. Nesses experimentos, acreditamos em um protocolo combinatório otimizado utilizando ampla cobertura de regiões glabras (palmas e solas dos pés), manipulação da temperatura média da pele e estimulação especialmente otimizada de sensores termoaferentes periféricos localizados em regiões do corpo, como ao longo do coluna, pode permitir a indução de hipotermia leve, apesar do conflito com o controlador termorregulador. Esperamos especialmente que a manipulação de termoaferentes importantes nos permita "enganar" o controlador e contornar seu sinal vasoconstritor efetivo.