Klinik Alaka düzey ve Mekanizmaları inceleyen Çalışmalar için Modeller Kullanan Sıçanlarda Kısa Süreli Hipotermi İndüksiyonu
Summary
Bu makalede, sıçanlarda tüm vücut kısa süreli hipotermi indüksiyonunun iki yöntemi açıklanmaktadır. İlk, hızlı indüksiyon yöntemi, sıcaklıkta hızlı bir düşüş için fanlar ve etanol spreyi kullanarak aktif soğutmayı istihdam eder. İkinci yöntem kademeli bir soğutma yöntemidir. Bu, izofluran anestezisinin kombinasyonu ve homeotermik ısı paspasındaki sıcaklık ayarlarının azaltılması kullanılarak elde edilir. Bu, herhangi bir harici soğutma cihazı kullanmadan çekirdek vücut sıcaklığında kademeli bir düşüşe neden olur.
Abstract
Terapötik hipotermi (TH), nörolojik bozuklukların klinik öncesi çalışmalarında nöroproteksyon için sağlam kanıtlar sağlayan güçlü bir nöroprotektif stratejidir. Güçlü klinik öncesi kanıtlara rağmen, TH çoğu nörolojik bozukluğun klinik denemelerinde etkinlik göstermemektedir. Terapötik hipotermi kullanan tek başarılı çalışmalar yetişkinlerde kalp durması ve yenidoğanlarda hipoksik iskemik yaralanma ile ilişkiliydi. Kullanımının parametreleri hakkında daha fazla araştırma ve klinik öncesi ve klinik çalışmalar arasındaki çalışma tasarımı karşılaştırmaları garanti edilir. Bu makalede iki kısa süreli hipotermi indüksiyon yöntemi göstermektedir. İlk yöntem, etanol spreyi ve fanlar kullanan sıçanlarda hızlı hipotermi indüksiyonu sağlar. Bu yöntem, klinik çalışmalarda daha az kullanılan ve farklı fizyolojik etkileri olabilen cildi soğutarak çalışır. Yüzey alanı ile hacim oranındaki farklılıklar nedeniyle soğutma bu teknikle insan hastalarda elde edilebilenden çok daha hızlıdır. Bununla birlikte, kısa süreli hipotermi için klinik olarak ulaşılabilir bir soğutma oranına izin veren ikinci bir yöntem de sunulmaktadır. Bu yöntemin uygulanması kolaydır, tekrarlanabilir ve aktif cilt soğutması gerektirmez.
Introduction
TH, organın/sistemin canlılığını ve işlevini korumak için vücut veya beyin sıcaklığını soğutma uygulamasıdır1,2. Hipotermi nöroproteksyondaki rolü araştırılmış ve inme3, subaraknoid kanama4ve travmatik beyin hasarı5gibi nörolojik hastalıkların klinik öncesi modellerinde faydalar göstermiştir. Klinik uygulamalar açısından TH, kardiyak arrest sonrası hastalarda ve yenidoğan hipoksik-iskemik yaralanmalarda etkinlik göstermiştir6.
TH indüksiyonu yüzey veya endovasküler soğutma yöntemleri kullanılarak elde edilir. Klinik öncesi hipotermi çalışmalarının çoğu, hayvanın kürküne su veya etanol uygulayarak veya hedef sıcaklığa ulaşmak için bir soğutma battaniyesi kullanarak yüzey soğutması gerçekleştirir1. İnsanlarda, buz paketleri ve soğutma battaniyeleri kullanılarak sistemik yüzey soğutması elde edilir7,8. İnferior vena cava 9 ,10içinde bir endovasküler soğutma cihazının yerleştirilmesi ile intravenöz veya arter içi kateter yoluyla soğuk salinin indüksiyon infüzyonunu bir araya getiren endovasküler yöntemler kullanan hastalarda daha hızlı soğutma gösterilmiştir. Örneğin, hastalarda yüzey soğutması ile 3-4 saate kıyasla endovasküler soğutma ile 1,5 saat içinde 33 °C orta hedef sıcaklığa ulaşılabilir11. Endovasküler yaklaşım da son yıllarda daha popüler hale gelmiştir, çünkü titreme12,13gibi sistemik yüzey soğutmasında görülen bazı yan etkileri azalttığı bildirilmiştir. İskemik inme (EUROHYP-1) için hipotermi avrupa çok merkezli, randomize faz III klinik çalışma çoğunlukla yüzey soğutma14kullanılır. Bu denemeden yakın zamanda yayınlanan sonuçlar titremenin önemli bir komplikasyon olduğunu ve hedef sıcaklığa ulaşma yeteneğini sınırlamış olabileceğini gösterdi10. Titreme tepkisinin öncelikle cilt sıcaklığından kaynaklandığını bilinmektedir. Kemirgen endovasküler soğutma yöntemi geliştirmek için bazı çabalar yapılmıştır15, ancak tekniğin insanlarda kullanılana kıyasla son derece istilacı doğası, bu modelden elde edilen sonuçları şaşırtma riskiyle karşı karşıyadır.
Sıcaklık vücuttaki biyolojik süreçlerin anahtar modülatörüdür ve homeostaz tarafından sıkı bir şekilde düzenlenir. Bu nedenle, vücut sıcaklığının herhangi bir manipülasyonu ilişkili risklere sahip olabilir. Soğutma süresi hipotermi klinik çalışmalarının başarısını sınırlamış olabilecek bir faktördür. Bu denemeler, çoğu 24-72 saat11arasında hipotermiyi koruyan uzun süreli bir soğutma yöntemi kullanır. Bu uzun süre, soğutma protokolü sırasında enfeksiyon için risk oluşturur. Pnömoni hipotermiden en sık görülen komplikasyondur ve prosedür uygulanan hastaların% 40-50’sini etkiler13. Bu, kısa süreli bir paradigmanın kullanıldığı hipotermi hayvan çalışmalarında normalde görülenin aksine (1-6 h)3. Bu klinik öncesi hayvan çalışmalarının başarısı muhtemelen klinik çalışmalarda kullanılmak üzere kısa süreli hipotermi adaptasyonu ile sonuçlanacaktır. Sonuç olarak, gelecekteki klinik çalışmaların soğutma oranlarına benzeyen kısa süreli hipotermi hayvan modeline sahip olmak gerekir. Diğer sıcaklık parametreleri ve kısa süreli hipotermi ile ilgili daha fazla ayrıntı çeşitli inceleme makalelerinde tartışılmıştır 1,16,17,18.
Burada, mevcut deneysel hipotermi modellerinden klinik olarak daha ulaşılabilir kademeli bir soğutma modeli gösterilmiştir. Bu yeni yöntem çok daha yavaş bir soğutma hızına sahiptir ve bu nedenle, sıcaklığı hedefleme süresi hipotermi klinik çalışmalarda görülenlerin aralığına daha yakındır11. Ayrıca, spesifik fizyolojik etkileri olan doğrudan yüzey soğutmasını önler ve bu nedenle, klinik çalışmalarda en sık kullanılan soğutma yöntemi olan endovasküler soğutma ile daha karşılaştırılabilirolabilir 9,12. Bu model, hayvanların yavaş yavaş 2 saatin üzerinde soğutulmasını ve ardından hedef sıcaklıkta kısa bir bakım süresi sağlar. Ek olarak, hızlı soğutma kısa süreli hipotermi yöntemi19 da gösterilmiştir. Hızlı soğutma yöntemi, hipotermi başlangıcından sonra hedef sıcaklığın hızla elde edilmesine izin verir. Bu yaklaşım klinik olarak kademeli soğutma yöntemi kadar önemli olmasa da, hipotermi nöroproteksiyonun mekanizmalarını keşfetmeyi amaçlayan çalışmalar için güçlü nöroprotektif etkilerini farmakolojik olarak taklit etmek yararlıdır. Bu yöntem aynı zamanda nörobilim dışında potansiyel uygulamalara sahiptir ve herhangi bir sayıda klinik öncesi çalışmaya uyarlanabilir. Her iki yöntemin diğer yaklaşımlara göre bir diğer avantajı da ucuz olmaları ve uzman ekipman gerektirmemeleridir. Son olarak, bu protokol aynı zamanda sıcaklık dataloggerlarının implantasyonunu da göstermektedir, çünkü ameliyat sonrası ısınma ve izlenmesi, çalışma sonuçlarını şaşırtma potansiyeli ile yanlışlıkla post-operatif hipotermiyi önlemek için önemlidir20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada açıklanan prosedürler kolayca uygulanır, invaziv değildir ve çekirdek vücut sıcaklığında istenen hedef sıcaklığa güvenilir ve tekrarlanabilir düşüşler sağlar.
Hızlı soğutma yönteminde aşağıdakileri içeren birkaç kritik adım vardır. Aşırı doymamış etanol spreyi yapmayın – hayvanı etanol içine batırmamaya dikkat edilmelidir, çünkü bu sonuçlara müdahale edecektir. Hipotermi indüksiyonu sırasında hayvanı izleyin- hızlı hipotermi indüksiyonu için hayvan yanıtlarını yakından izlemek için dikkatli olunmalıdır. Rektal sıcaklığın yakın bir izlemesi, sıcaklığın istenen hedefin altına inmemesini sağlamak için önemlidir – bu durumda fanları kapatın ve ısı lambasının hayvanı gerekli hedefe geri ısıtmasına izin verin.
Her iki yöntemde de anestezi dozunun uygun şekilde ayarlanmasından emin olmak için fizyolojik izleme önemlidir. Uzun süreli soğutma için, yetersiz anestezik doz soğutma süresini uzatabilir. Bu durumda, yeterli bir soğutma oranı elde edilene kadar izofluran konsantrasyonu arttırılabilir. Bir diğer kritik adım da sıcaklık cihazlarının çapraz kalibrasyonudur. Aynı deneyde bir sıcaklık probu düzenlenmiş ısı paspası ve bir datalogger kullanırken, iki cihazın kaydedilen sıcaklığında küçük değişiklikler olabileceğinden, veri kaydediciyi rektal probla, in vivo ile çapraz kalibre etmek en iyi uygulamadır.
Bu yöntemler, hipotermi kullanımını nörolojik bozukluklar için potansiyel bir tedavi olarak araştırmak isteyen çalışmalar için uygundur. Çalışmanın özel amacı hangi yöntemin kullanıldığını belirlemelidir. Her iki yöntem de sistemik yüzey soğutma olarak sınıflandırılabilir, ancak ikinci yöntem herhangi bir aktif soğutma gerektirmez. Yukarıda açıklanan kademeli soğutma modeli iskemik inme tedavisinde hipotermi kullanımı için önemli potansiyel uygulamalara sahiptir. Uzun süreli hipotermi ve bunların ortaya çıkan komplikasyonları yaşlı inme hastaları için zorluk teşkil eder. Ayrıca, titreme yanıtı bazı hastalarda hedef sıcaklığa ulaşmayı zorlaştırır10. Titreme önleyici ilaç titreme yanıtını azaltmaya yardımcı olsa da, kısa süreli kademeli soğutma sorunu daha etkili bir şekilde düzeltebilir. Daha kısa bir soğutma süresine sahip olmak, denemelerde sıklıkla bildirilen zatürre insidansını da azaltacaktır. Bu kısa süreli yöntemin bir diğer potansiyel yararı, yeniden ısıtma hızının uzun süreli soğutma ile karşılaştırıldığında önemli olmayabileceğidir. Büyük enfarktüslü inme hastalarında uzun süreli soğutmanın çok erken klinik çalışmaları, hızlı yeniden ısıtmanın intrakraniyal basınçta (ICP) büyük yükselmelere yol açtığını ve bunun sonucu kötüleştirdi ve genellikle ölümcül olduğunu buldu. Bu, genel soğutma süresini daha da uzatan kademeli yeniden ısıtma paradigmalarının gelişmesine yol açtı. Kısa süreli soğutma sadece kısa bir süre için hedef sıcaklığı korur ve ribaund ICP ile daha az olası neden olabilir. ICP yüksekliği için hipotermi tedavisini araştıran önceki çalışmalar, burada açıklananlarla benzer bir hızlı soğutma ve yeniden ısıtma protokolü kullanarak,23,24’üyeniden ısıttıktan sonra ribaund ICP yüksekliği göstermemiştir.
İskemik inme tedavisi için hipotermi klinik çalışmaları, deneysel çalışmalarda bildirilen hipotermi faydalarını çevirememiştir. Deneysel modeller ve hastalar arasındaki soğutma hızları ve süresindeki uyumsuzluk, bu tutarsızlığı açıklayabilir önemli değişkenlerdir. Klinik soğutma oranına daha iyi benzeyen deneysel bir hipotermi modeline sahip olmak, inme hastaları için bir tedavi önlemi olarak hipotermi yararları hakkında daha bilinçli bir araştırma sağlayacaktır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu proje Newcastle Üniversitesi, Hunter Medical Research Institute (HMRI) Dalara Early Research Career Researcher Fellowship, NSW Health Early-Mid Career Research Fellowship ve National Health and Medical Research Council (NHMRC) Australia tarafından finanse edildi.
Materials
| Absolute ethanol | ThermoFisher Scientific/ Ajax Finechem | AJA214-20LPL | Diluted with deionized water to give 70 % ethanol |
| Antiseptic solution (Chlorhexidine) | David Craig | A2957 | |
| Anaesthetic (Marcain) | Aspen | PS13977 | |
| Brushless fan motor | Sirocco | YX2505 | 2 x 12 V/130 mA |
| Heat lamp | Reptile One | AC220 | 240 V 50/60 Hz |
| Heat pad | FHC, Inc | 40-90-2 | |
| Rectal probe | FHC, Inc | 40-90-5D-02 | |
| Temperature controller | FHC, Inc | 40-90-8D | |
| Temperature Datalogger | Maxim | DS1922L-F5 |
References
- Kurisu, K., Yenari, M. A. Therapeutic hypothermia for ischemic stroke; pathophysiology and future promise. Neuropharmacology. 134, 302-309 (2018).
- Polderman, K. H. Induced hypothermia and fever control for prevention and treatment of neurological injuries. Lancet. 371 (9628), 1955-1969 (2008).
- vander Worp, H. B., Sena, E. S., Donnan, G. A., Howells, D. W., Macleod, M. R. Hypothermia in animal models of acute ischaemic stroke: a systematic review and meta-analysis. Brain. 130, 3063-3074 (2007).
- Thomé, C., Schubert, G. A., Schilling, L. Hypothermia as a neuroprotective strategy in subarachnoid hemorrhage: a pathophysiological review focusing on the acute phase. Neurological Research. 27 (3), 229-237 (2005).
- McIntyre, L. A., Fergusson, D. A., Hébert, P. C., Moher, D., Hutchison, J. S. Prolonged therapeutic hypothermia after traumatic brain injury in adults: a systematic review. Journal of the American Medical Association. 289 (22), 2992-2999 (2003).
- Kuczynski, A. M., Demchuk, A. M., Almekhlafi, M. A. Therapeutic hypothermia: Applications in adults with acute ischemic stroke. Brain Circulation. 5 (2), 43-54 (2019).
- Shankaran, S., et al. Whole-body hypothermia for neonates with hypoxic-ischemic encephalopathy. New England Journal of Medicine. 353 (15), 1574-1584 (2005).
- Jacobs, S. E., et al. Whole-body hypothermia for term and near-term newborns with hypoxic-ischemic encephalopathy: a randomized controlled trial. Archives of Pediatrics and Adolescent Medicine. 165 (8), 692-700 (2011).
- Lyden, P., et al. Results of the ICTuS 2 Trial (Intravascular cooling in the treatment of stroke 2). Stroke. 47 (12), 2888-2895 (2016).
- vander Worp, H. B., et al. Therapeutic hypothermia for acute ischaemic stroke. Results of a European multicentre, randomised, phase III clinical trial. European Stroke Journal. 4 (3), 254-262 (2019).
- Wu, T. C., Grotta, J. C. Hypothermia for acute ischaemic stroke. Lancet Neurology. 12 (3), 275-284 (2013).
- Hemmen, T. M., et al. Intravenous thrombolysis plus hypothermia for acute treatment of ischemic stroke (ICTuS-L): final results. Stroke. 41 (10), 2265-2270 (2010).
- Lyden, P., Ernstrom, K., Raman, R. Determinants of pneumonia risk during endovascular hypothermia. Therapeutic Hypothermia and Temperature Management. 3 (1), 24-27 (2013).
- vander Worp, H. B., et al. EuroHYP-1: European multicenter, randomized, phase III clinical trial of therapeutic hypothermia plus best medical treatment vs. best medical treatment alone for acute ischemic stroke. International Journal of Stroke. 9 (5), 642-645 (2014).
- Lamb, J. A., Rajput, P. S., Lyden, P. D. Novel method for inducing rapid, controllable therapeutic hypothermia in rats using a perivascular implanted closed-loop cooling circuit. Journal of Neuroscience Methods. 267, 55-61 (2016).
- Dumitrascu, O. M., Lamb, J., Lyden, P. D. Still cooling after all these years: Meta-analysis od pre-clinical trials of therapeutic hypothermia for acute ischemic stroke. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 36 (7), 1157-1164 (2016).
- Wu, L., et al. Hypothermia neuroprotection against ischemic stroke: The 2019 update. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 40 (3), 461-481 (2020).
- Hemmen, T. M., Lyden, P. D. Hypothermia after acute ischemic stroke. Journal of Neurotrauma. 26 (3), 387-391 (2009).
- Colbourne, F., Sutherland, G. R., Auer, R. N. An automated system for regulating brain temperature in awake and freely moving rodents. Journal of Neuroscience Methods. 67 (2), 185-190 (1996).
- Campbell, K., Meloni, B. P., Zhu, H., Knuckey, N. W. Magnesium treatment and spontaneous mild hypothermia after transient focal cerebral ischemia in the rat. Brain Research Bulletin. 77 (5), 320-322 (2008).
- Jespersen, B., Knupp, L., Northcott, C. A. Femoral arterial and venous catheterization for blood sampling, drug administration and conscious blood pressure and heart rate measurements. Journal of Visualized Experiments. (59), e3496 (2012).
- Trotman-Lucas, M., Kelly, M. E., Janus, J., Gibson, C. L. Middle cerebral artery occlusion allowing reperfusion via common carotid artery repair in mice. Journal of Visualized Experiments. (143), e58191 (2019).
- Murtha, L. A., et al. Short-duration hypothermia after ischemic stroke prevents delayed intracranial pressure rise. International Journal of Stroke. 9, 553-559 (2014).
- Murtha, L. A., et al. Intracranial pressure elevation after ischemic stroke in rats: cerebral edema is not the only cause, and short-duration mild hypothermia is a highly effective preventative therapy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 35 (4), 592-600 (2015).
