Исследование нового клинического устройства для снижения внутренней температуры тела

Введение:

Способность быстро и эффективно манипулировать внутренней температурой тела повлияет на ряд областей с поистине преобразующим потенциалом. Безусловно, лучший способ вызвать изменение температуры тела - это перфузия охлажденной или подогретой кровью, потому что сосудистая сеть человеческого тела великолепно уравновешивается с телом и особенно с тканями ядра тела благодаря диффузной микроциркуляции. Однако этот процесс является довольно инвазивным, и на сегодняшний день неинвазивные методы в основном вращаются вокруг различных механизмов поверхностной теплопередачи, которые в конечном итоге полагаются на относительно низкую теплопроводность.

Гран и др. из Стэнфордского университета разработали новый метод увеличения скорости теплообмена между кожей и ядром тела в десять раз за счет использования конвективной мощности системы кровообращения совершенно неинвазивным способом. 1, 2]. Наша система является производной от Стэнфордской системы, но отличается во многих существенных аспектах.

Хорошо изученная и, таким образом, поддающаяся модификации система, способная к быстрой искусственной теплопередаче, имеет почти безграничные потенциальные возможности применения, включая лечение острой травмы головного мозга (когда единственной самой большой проблемой лечения является вызывание немедленной гипотермии), улучшение спортивных результатов, военные операции и улучшение здоровья. производства, в которых работники подвергаются экстремальным тепловым нагрузкам.

Описание технологии/устройства:

Технология работает как двухэтапный процесс, состоящий из первого этапа стимуляции притока крови к АВА и второго охлаждения гладкой кожи, через которую течет кровь. Соответственно, устройство состоит из двух компонентов: во-первых, источника стимуляции кровотока, а во-вторых, поверхностного теплообменника для охлаждения голой кожи и, таким образом, протекающей через него крови, которая впоследствии возвращается к ядру тела, где охлаждает эти ткани.

В ходе испытания будут протестированы два отдельных средства стимуляции:

• Чрескожная электрическая стимуляция нервов (TENS) — устройство TENS, одобренное FDA, посылает ток через поверхностные электроды через кожу для стимуляции нервов, которые контролируют состояние вазоконстрикции AVA. Эта стимуляция создаст вазодилатационный эффект в АВА, что позволит увеличить кровоток.
• Мягкая тепловая стимуляция вдоль кожи над шейным отделом позвоночника для отправки управляющего сигнала для вазодилатации АВА и увеличения притока крови к гладкой коже. Для этой цели используется электрическая грелка, одобренная FDA, при температуре 42°C или ниже.

Охлаждение будет осуществляться путем наложения водяных перфузионных пузырей на руки и ноги. Вода будет рециркулировать через камеры в накопительный резервуар с внутренним насосом, а термоэлектрический охладитель регулирует температуру воды. Температура воды будет 20°С и выше.

Стимул исследований:

Структуры AVA в гладкой (не волосатой) коже являются одним из компонентов естественной системы терморегуляции организма. Анатомия и морфология AVA в значительной степени описаны в литературе, например. Шерман [6]. Предполагается, что пре-АВК сфинктеры являются первичными регуляторами перфузии через АВА, независимо от уровня вазодилатации АВА. Если АВА полностью расширены, но сфинктеры закрыты, кровь будет скапливаться в расширенных АПА, но приток крови, необходимый для теплообмена с сердцевиной, будет минимальным. В отличие от перфузии капилляров, которая в значительной степени регулируется локальными условиями, кровоток через АВА, по-видимому, в основном опосредуется центрально и контролируется в первую очередь вазоконстрикторным тонусом, придаваемым богатой симпатической иннервацией [7-10]. Симпатический вазоконстрикторный тонус, который, по-видимому, колеблется характерным образом с течением времени, контролируется гомеостатическими центрами центральной нервной системы, которые реагируют на различные расположенные в центре центральные температурные рецепторы. Полная внутренняя работа этой системы контроля и ее эффекторные механизмы не полностью поняты или определены количественно, и другие факторы в некоторой степени влияют на кровоток AVA, такие как локальная температура кожи, присутствие вазоактивных метаболитов, уровень физической нагрузки и стимуляция различных периферийные термальные очаги. Недавняя работа в лаборатории Диллера показала потенциал, присущий последнему. Лаборатория идентифицировала участки кожи, которые могут подвергаться неэнергетической термической стимуляции (нагревание небольшого участка, чтобы не нагревать значительный объем), чтобы вызвать расширение сосудов AVA. Мы предполагаем, что эти участки содержат важные термоафферентные датчики, которые воздействуют на центральный компонент (гипоталамический) управляющего контроллера.

Способность вызвать легкую гипотермию из нормотермического состояния представляет наибольший интерес для нашей исследовательской группы. При оптимальной разработке устройство, способное снижать внутреннюю температуру тела всего на 2–4 °C, могло бы оказать огромное влияние на лечение различных заболеваний и/или неотложных состояний, включая остановку сердца, тяжелую черепно-мозговую травму и инсульт. Хорошо известно, что гибель тканей вследствие травматического физического повреждения и/или ишемии может быть уменьшена при терапевтической гипотермии из-за температурной зависимости клеточного метаболизма и сложных деструктивных биохимических процессов, происходящих в поврежденных тканях [12].

Было показано, что терапевтическая гипотермия оказывает большое влияние на различных животных моделях; однако перевод этих результатов в клиническую область был очень трудным. Помимо любых возможных межвидовых физиологических различий, исследователи могут наносить травмы и охлаждать ядро ​​​​исследуемых животных очень контролируемым образом, и, что наиболее важно, охлаждение вызывается очень скоро после травмы. На основании этих экспериментов было высказано предположение, что существует «окно возможностей» примерно через 90 минут после травмы, после чего терапевтический эффект от легкой гипотермии практически отсутствует. Более того, этот 90-минутный порог сам по себе может быть чрезмерным, и охлаждение в течение 60-минутного окна может быть наиболее подходящим. Клинически охлаждение в первом и, конечно, во втором окнах почти никогда не достигается. Этому есть ряд причин: время между травмой и мобилизацией больного, транспортировкой в ​​отделение неотложной помощи, первичная оценка состояния больного в условиях стационара, а главное для физиологической науки отсутствие быстрых и эффективных методов для охлаждения ядра тела. Из-за простых размеров и геометрии человеческое тело гораздо труднее нагреть или охладить, чем, например, модель крысы. Это особенно верно для кондуктивных механизмов теплопередачи (на которых основано большинство современных неинвазивных терапевтических гипотермий) из-за относительно небольшого отношения площади поверхности к объему тепловой массы [3].

Мы надеемся, что проблема быстрого управления внутренней температурой может быть радикально решена, в частности, за счет использования конвективной теплопередачи через АВА голой кожи. В этих экспериментах мы считаем, что оптимизированный комбинаторный протокол использует большой охват голых областей (обе ладони и подошвы), манипулирование средней температурой кожи и особенно оптимизированную стимуляцию периферических термоафферентных датчиков, расположенных в областях тела, таких как вдоль позвоночника, может позволить вызвать умеренную гипотермию, несмотря на конфликт с регулятором терморегуляции. Мы особенно надеемся, что манипулирование важными термоафферентами позволит нам «обмануть» регулятор и обойти его действенный сосудосуживающий сигнал.