Studie av en ny klinisk anordning för att minska kroppstemperaturen

Introduktion:

Förmågan att manipulera kroppstemperaturer snabbt och effektivt skulle påverka ett antal områden, med verkligt transformativ potential. Det överlägset bästa sättet att åstadkomma en förändring i kroppstemperaturen är perfusion med kylt eller uppvärmt blod eftersom människokroppens kärlsystem är fantastiskt välbalanserade med kroppen och särskilt kroppens kärnvävnader på grund av den diffusa mikrocirkulationen. Denna process är dock ganska invasiv, och icke-invasiva tekniker har hittills mestadels kretsat kring olika ytvärmeöverföringsmekanismer som i slutändan är beroende av relativt sämre ledningsvärmeöverföring.

Grahn, et al., vid Stanford University har identifierat en ny teknik för att öka hastigheten för värmeöverföring mellan huden och kroppskärnan med upp till en faktor tio genom att utnyttja den konvektiva kraften i cirkulationssystemet på ett helt icke-invasivt sätt [ 1, 2]. Vårt system är härlett från Stanford-enheten, men skiljer sig på många viktiga sätt.

Ett välförstått och därmed modifierbart system som kan snabbt artificiell värmeöverföring har nästan obegränsade potentiella tillämpningar, inklusive behandling av akut hjärntrauma (där den enskilt största utmaningen för behandlingen är att inducera omedelbar hypotermi), förbättring av atletisk prestation, militära operationer och förbättring av industrier där arbetare utsätts för extrem termisk stress.

Beskrivning av tekniken/enheten:

Tekniken fungerar som en tvåstegsprocess, som består av att först stimulera blodflödet till AVA och sedan kyla ned den glabrösa huden genom vilken blodet strömmar. Följaktligen består anordningen av två komponenter: först en källa för stimulering av blodflödet, och för det andra en ytvärmeväxlare för att kyla ned den glabrösa huden och därigenom blodet som strömmar genom den och som sedan strömmar tillbaka till kroppskärnan, där det kyler dessa vävnader.

Två separata sätt att stimulera kommer att testas i försöket:

• Transkutan elektrisk nervstimulering (TENS) - En FDA-godkänd TENS-enhet skickar en ström via ytelektroder genom huden för att stimulera nerverna som styr tillståndet för AVA-kärlsammandragning. Denna stimulering kommer att skapa en vasodilaterande effekt i AVA, vilket möjliggör ett ökat blodflöde.
• Mild termisk stimulering längs huden som ligger över halsryggen för att skicka en kontrollsignal för att vasodilatera AVA och ge ett ökat blodflöde till glatt hud. En FDA-godkänd elektrisk värmedyna används för detta ändamål vid en temperatur på 42°C eller lägre.

Kylning kommer att åstadkommas genom att applicera vattenperfusionsblåsor på händer och fötter. Vattnet kommer att recirkuleras genom blåsorna till en uppehållstank med en intern pump, och en termoelektrisk kylare reglerar vattentemperaturen. Vattentemperaturen kommer att vara 20°C eller högre.

Forskningsincitament:

AVA-strukturerna i glatt (icke-hårig) hud är en komponent i kroppens naturliga värmereglerande system. AVAs anatomi och morfologi har beskrivits i stor utsträckning i litteraturen, t.ex. Sherman [6]. Förmodade pre-AVA-sfinktrar tros vara de primära kontrollerna av perfusion genom AVA, oavsett nivån av AVA-vasodilatation. Om AVA:erna är helt utvidgade, men sfinktrarna stängda, kommer blod att samlas i de utvidgade AVA:erna, men blodflödet, som är nödvändigt för värmeväxling med kärnan, kommer att vara minimalt. I motsats till perfusion av kapillärer, som till stor del regleras av lokala förhållanden, tycks flödet genom AVA huvudsakligen vara centralt medierat, främst styrt av den vasokonstriktortonen som förmedlas av rik sympatisk innervation [7-10]. Den sympatiska vasokonstriktortonen, som tycks svänga på ett karakteristiskt sätt över tiden, styrs av det centrala nervsystemets homeostatiska centra som svarar på olika centralt placerade kärntemperaturreceptorer. Det fullständiga inre funktionen av detta kontrollsystem och dess effektormekanismer är inte helt förstådda eller kvantifierade, och andra faktorer påverkar AVA-blodflödet till viss del, såsom lokala hudtemperaturer, förekomsten av vasoaktiva metaboliter, träningsnivå och stimulering av olika perifera termiska platser. Det senaste arbetet i Diller-labbet har visat på potentialen i det senare. Laboratoriet har identifierat områden av huden som kan vara icke-energetiskt termiskt stimulerade (uppvärmning över ett litet område för att inte värma upp en betydande volym) för att inducera AVA-vasodilatation. Vi antar att dessa platser innehåller viktiga termoaffenta sensorer som påverkar den centrala komponenten (hypotalamus) i styrenheten.

Förmågan att inducera mild hypotermi från ett normotermiskt tillstånd representerar tillämpningen av största intresse för vår forskargrupp. Om den är optimalt utvecklad kan en anordning som kan inducera endast en minskning av kroppstemperaturen med 2-4°C ha en enorm inverkan vid behandling av olika medicinska sjukdomstillstånd och/eller nödsituationer, inklusive hjärtstillestånd, allvarlig hjärnskada och stroke. Det är välkänt att vävnadsdöd på grund av traumatisk fysisk skada och/eller ischemi kan minskas med terapeutisk hypotermi på grund av temperaturberoendet av cellulär metabolism och de komplexa, destruktiva biokemiska processer som sker i skadade vävnader [12].

Terapeutisk hypotermi har visat sig ha stor effekt i olika djurmodeller; översättning av dessa resultat till den kliniska domänen har dock varit mycket svår. Bortsett från alla möjliga fysiologiska skillnader mellan arter, kan forskare producera skador och kyla kärnan av forskningsdjuren på ett mycket kontrollerat sätt, och viktigast av allt, kylning induceras mycket snart efter skadan. Från dessa experiment har det föreslagits att ett "möjlighetsfönster" existerar cirka 90 minuter efter skadan, varefter liten eller ingen terapeutisk effekt uppstår från mild hypotermi. Dessutom kan denna 90-minuterströskel i sig vara en sträcka, och kylning inom ett 60-minutersfönster kan vara lämpligast. Kliniskt sett har kylning i de förra och säkert de senare fönstren nästan aldrig uppnåtts. Det finns ett antal anledningar till detta: tiden mellan skada och mobilisering av patienten, transport till en akutinrättning, initial bedömning av patienten på sjukhusmiljön, och viktigast av allt för fysiologisk vetenskap, brist på snabba och effektiva metoder för att kyla kroppskärnan. På grund av enkel storlek och geometri är människokroppen mycket svårare att värma eller kyla än till exempel råttmodellen. Detta gäller särskilt för ledande värmeöverföringsmekanismer (vilket är vad de flesta aktuella implementeringar av icke-invasiv terapeutisk hypotermi baseras på) på grund av det relativt lilla förhållandet mellan ytarea och termisk massavolym [3].

Vi hoppas att problemet med snabb manipulering av kärntemperaturen kan förbättras drastiskt, speciellt genom att använda konvektiv värmeöverföring genom AVA:er av glatt hud. I dessa experiment tror vi på ett optimerat kombinatoriskt protokoll som använder stor täckning av glabrösa områden (både handflatorna plus fotsulorna), manipulering av genomsnittlig hudtemperatur och särskilt optimerad stimulering av perifera termoaffenta sensorer placerade i delar av kroppen som längs med ryggraden, kan möjliggöra mild hypotermi induktion trots konflikten med den termoregulatoriska regulatorn. Vi hoppas särskilt att manipulation av viktiga termoaffenter kommer att tillåta oss att "lura" kontrollenheten och kringgå dess effektiva vasokonstriktiva signal.