Chłodnictwo - Seminarium Temat: Aspekt techniczny i użytkowy wybranych systemów chłodzenia mózgu noworodka dla jego utrzymania w warunkach umiarkowanej hipotermii. Opracowała: Elżbieta Żmuda
1. Wstęp Organizm ludzki wytwarza niezbędną do życia energię w procesie oddychania, którego istotą jest wyzwolenie energii zgromadzonej w związkach chemicznych znajdujących się w obrębie komórek. Tlen wobec tego jest podstawowym pierwiastkiem niezbędnym do życia i prawidłowego funkcjonowania organizmu ludzkiego. Przedłużające się stany jego braku w organizmie nazywane hipoksją, anoksją, lub asfiksją prowadzą do nieuchronnych zaburzeń homeostazy czyli pewnego rodzaju równowagi biologicznej ustroju. Na konsekwencje braku tlenu najbardziej narażone są tkanki pobudliwe nerwowa i mięśniowa i o ile druga z nich ma swoje własne rezerwy tlenowe zgromadzone na potrzeby wzmożonej aktywności, o tyle tkanka nerwowa takich rezerw jest pozbawiona, co powoduje iż na stany niedotlenieniowe jest szczególnie wrażliwa. 2. Niedotlenienie okołoporodowe Szczególnym przykładem asfiksji jest zjawisko niedotlenienia okołoporodowego zamartwicy, które z różnych przyczyn (np. zaburzenia wymiany gazowej pomiędzy matką, a dzieckiem wady wrodzone, nieprawidłowe ułożenie płodu, zaburzenia adaptacyjne noworodka), dotyka płód w trakcie ciąży, porodu, lub noworodka po porodzie. Zjawisko okołoporodowych stanów niedotlenienia określane również mianem zamartwicy nie doczekało się do dnia dzisiejszego ogólnie przyjętej definicji, mimo to za niedotlenienie okołoporodowe uważa się stan okołoporodowych zaburzeń w utlenowaniu mózgu, w konsekwencji których pojawiają się objawy neurologiczne ujawniające się w ciągu 24 godzin od momentu narodzin. Zamartwicę noworodka rozpoznaje się na podstawie wywiadu, badania klinicznego oraz diagnostyki zarówno neurofizjologicznej, jak i biochemicznej i obrazowej. Do Zaburzeń wymiany gazowej u dziecka dochodzić może w trakcie ciąży, porodu i w 10% przypadków po urodzeniu. Rys. 1 Chronologia procesów zachodzących w mózgu po urazie niedotlenieniowo - niedokrwiennym Wskutek niedotlenienia po załamaniu się mechanizmów adaptacyjnych płodu/noworodka w mózgu dziecka zapoczątkowana zostaje kaskada ekscytotoksyczna,
która prowadzi do śmierci komórek nerwowych zarówno w drodze nekrozy jak i opóźnionej śmierci komórkowej apoptozy. Co ciekawe wówczas kiedy inne organy już zdrowieją, niedotleniony mózg jest nadal uszkadzany przez toczące się w nim reakcje, w wyniku których komórki nerwowe programują się na śmierć apoptotyczną. Zaburzenia osmotyczności i stan zapalny powodują dodatkowo obrzęk. Wszystkie wymienione czynniki razem prowadzą do nieodwracalnych uszkodzeń centralnego układu nerwowego. W najcięższych przypadkach przebyta asfiksja prowadzi do zgonu dziecka. Następstwem niedotlenienia niedokrwienia (NN) mogą być również wielonarządowe uszkodzenia, z których najgroźniejszym jest uszkodzenie ośrodkowego układu nerwowego. W wyniku zamartwicy u noworodka rozwija się Zespół encefalopatii niedotlenieniowo niedokrwiennej (HIE). Występuje on u niemowląt, które w piątej minucie życia otrzymały punktację Apgar w zakresie od 0 do 3. Ze względu na zróżnicowany stopień nasilenia rozróżnia się trzy postacie kliniczne HIE. Ciężka postać encefalopatii niedotlenieniowo niedokrwiennej najczęściej na skutek śmierci mózgu i zaburzeń w rozwoju prowadzi do śmierci noworodka, objawia się ona śpiączką, obniżonym napięciem mięśniowym, stłumieniem funkcji pnia mózgu, drgawkami oraz objawami zwiększonego na skutek obrzęku mózgu ciśnienia wewnątrzczaszkowego. W przypadku średniej postaci encefalopatii niedotlenieniowo niedokrwiennej obserwuje się nasilone zmiany napięcia mięśniowego, drgawki, zmienne odruchy. Postać ta powoduje również zmiany w EEG, obrzęk mózgu, upośledzenie przepływów w naczyniach mózgowych, oraz nieprawidłowe obrazy rezonansu magnetycznego i tomografii komputerowej. U noworodka można zaobserwować letarg, lub stupor, hipotonię oraz stłumienie odruchów pierwotnych. W tej postaci mogą także występować drgawki. W przypadku krótko utrzymujących się objawów tego typu rozwojowi dziecka towarzyszą zazwyczaj jedynie niewielkie zaburzenia, jednak w przypadku długotrwale utrzymującej się encefalopatii niedotlenieniowo niedokrwiennej można spodziewać się w przyszłości znacznych zaburzeń w rozwoju dziecka, padaczki i mózgowego porażenia dziecięcego. Przebyta zamartwica okołoporodowa odpowiedzialna jest za zespól mózgowego porażenia dziecięcego w 8-20% przypadków, a skutkiem przebytych w okresie okołoporodowym komplikacji niedotlenieniowo niedokrwiennych może być również zespól nadpobudliwości ruchowej i zaburzeń koncentracji uwagi ADHD. lekka postać encefalopatii niedotlenieniowo niedokrwiennej powoduje niewielkie zmiany napięcia mięśniowego, u dziecka zaobserwować można nadmierną czujność, niepohamowane odruchy, oraz nadmierną aktywność układu współczulnego, objawy te mogą utrzymywać się do doby, a ich wystąpienie pozostaje bez konsekwencji w postaci zaburzeń rozwoju dziecka. Niezmiernie ważne jest niedopuszczanie do zagrożenia płodu/noworodka niedotlenieniem. W tym celu stosuje się monitorowanie ciąży i porodu, diagnostykę ultrasonograficzną, kardiotokografię etc. Niekiedy rozważa się rozwiązanie ciąży drogą cesarskiego cięcia, co pozwala na uniknięcie przykrych konsekwencji u dziecka, którego mechanizmy przystosowawcze do warunków niedoboru tlenu uległy wyczerpaniu już na początku porodu, lub jeszcze długo przed nim. Jednak jeżeli do niedotlenienia dojdzie, wówczas w celu ograniczenia rozmiaru uszkodzeń poischemicznych w mózgu dziecka stosuje się neuroprotekcję farmakologiczną (leczenie przeciwdrgawkowe, przeciwzapalne, zamiatacze wolnych rodników, trwają prace
nad związkami hamującymi receptory glutaminergiczne), oraz metody z wykorzystaniem terapeutycznej hipotermii umiarkowanej. Co ciekawe charakter i dynamika zmian następujących po urazie niedotlenieniowo niedokrwiennym umożliwiają wdrożenie terapii dziecka nawet do kilku godzin po urazie. 3. Hipotermia i jej neuroprotekcyjne własności Własności neuroprotekcyjne hipotermii umiarkowanej znane były już od setek lat. Hipotermia to stan wychłodzenia organizmu w wyniku którego temperatura rdzenia ciała spada poniżej 35 C. W zależności od głębokości wychłodzenia i możliwych powikłań hipotermię dzielimy na głęboką 10-20 C, umiarkowaną 28-32 C i łagodną 33-36 C. Historia leczenia hipotermią sięga czasów Hipokratesa, który zalecał ochładzanie pacjentów w celu zredukowania krwawienia. O leczeniu urazów głowy zimnem wspomina także egipski papirus odnaleziony przez Edwina Smith a. Lekarz Napoleona Bonaparte poczynił również spostrzeżenia, że na polu bitwy częściej przeżywają ranni, którzy ulegli wychłodzeniu. W nowożytnej medycynie do leczenia urazów głowy hipotermia została zastosowana przez chirurga Temple Fay a w 1938 roku. Po wojnie opracowano metodę obniżania temperatury ciała poniżej 24 C, co pozwoliło wykonywać operacje neurochirurgiczne w bezkrwawym polu. Z obserwacji wynika, że oddziaływanie hipotermii na tkanki jest w małym stopniu szkodliwe i zależy przede wszystkim od czasu przez jaki jest ona utrzymywana. Najwięcej zmian niepożądanych spotyka się przy długotrwałym oziębieniu. Jednak niepokojący jest fakt, że część procesów i zjawisk biologicznych zachodzących w warunkach hipotermii jest nieprzewidywalna. Wynika to z faktu, że pomimo badań i prób nad odpowiedzią tkanek w zmienionym środowisku termicznym, zjawiska te nie zostały jeszcze do końca poznane i wyjaśnione. Pod koniec lat 80. odkryto neuroprotekcyjne własności hipotermii. Udowodniono, że już obniżenie temperatury o 2-3 C zmniejsza znacząco uraz spowodowany niedokrwieniem. Ograniczenie uszkodzeń stwierdzono ponad wszelką wątpliwość badając modele niedotlenienia ogólnego, do którego zalicza się między innymi niedotlenienie okołoporodowe, jak też niedotlenienia lokalnego naśladujące udar niedokrwienny mózgu. Wykonywane były także badania nad wpływem hipotermii na tkankę nerwową poddaną urazowi mechanicznemu. Dowiedziono, że po urazie czaszkowo mózgowym zadanym w temperaturze 30 C śmiertelność była 70% niższa niż w warunkach normotermii. Mechanizmy neuroprotekcyjnego oddziaływania hipotermii polegają z jednej strony na spowalnianiu metabolizmu, w związku z czym zmniejszaniu zapotrzebowania energetycznego komórek nerwowych (spadek temperatury o 1 C powoduje redukcje metabolizmu o 5%, co zmniejsza utratę przez komórkę rezerw energetycznych), z drugiej strony na hamowaniu kaskady reakcji biochemicznych zachodzących po urazie niedotlenieniowo niedokrwiennym. Niewielka hipotermia hamuje poszczególne reakcje kaskady w różnym stopniu. Udowodniono jednak, że efekt ten jest znacząco większy niż efekt wynikający z samego spowolnienia metabolizmu komórek. Hipotermia silnie hamuje reakcje kaskady ekscytotoksycznej, powoduje ograniczenie zapotrzebowania komórki nerwowej na tlen, a także ogranicza proces zapalny oraz syntezę wolnych rodników i tlenku azotu wywierających uszkadzające oddziaływanie na neurony. Hipotermia wywiera również hamujące oddziaływanie na reakcje odpowiedzialne za rozwój procesu zapalnego.
Ponadto w myśl reguły Arrheniusa i Van t Hoffa opisującej wpływ zmian temperatury na szybkość reakcji chemicznych (każda zmiana temperatury o 10 C powoduje 2 4 krotna zmianę szybkości reakcji z udziałem enzymów) obniżenie temperatury hamuje zachodzące w niedotlenionym mózgu reakcje. Nie bez znaczenia jest także fakt wpływu zmian temperatury na przepływ krwi. Oziębienie tkanek powoduje spowolnienie jej przepływu. W przypadku urazu niedotlenieniowo - niedokrwiennego, w którym po epizodzie ischemii następuje powrót krążenia do niedokrwionej wcześniej tkanki hipotermia powoduje zminimalizowanie uszkodzeń reperfuzyjnych mających wówczas miejsce. Neuroprotekcyjne własności hipotermii umiarkowanej są niezaprzeczalnym faktem, między innymi dlatego stosowanie hipotermii terapeutycznej, jako czynnika neuroprotekcyjnego po nagłym zatrzymaniu krążenia u osób dorosłych, znalazło się jako jedna z procedur zalecanych do stosowania w Wytycznych resuscytacji krążeniowo oddechowej opublikowanych w 2005 roku przez Europejską Radę Resuscytacji. Co udowadnia nawet największym niedowiarkom skuteczność tej unikalnej metody neuroprotekcji. 4. Systemy chłodzenia mózgu W przypadku terapii umiarkowaną hipotermią u noworodka zastosowanie znajdują dwa rodzaje metod różniące się sposobem osiągnięcia temperatury terapeutycznej w obrębie mózgowia dziecka. Pierwsza z metod zakłada selektywne - wybiórcze chłodzenie mózgu (Selective Brain Cooling - SBC), druga przewiduje wprowadzenie dziecka w hipotermię ogólną - chłodzenie całego ciała do temperatury rdzenia z zakresu temperatury terapeutycznej. Selektywne chłodzenie mózgu System OCCS jest jedynym systemem selektywnego chłodzenia mózgu noworodka dopuszczonym do stosowania w oddziałach intensywnej opieki noworodka na terenie USA. System ten opatentowany został 6 grudnia 2001 roku w Stanach Zjednoczonych Ameryki (US Patent nr 6312453). Rys. 2 Chłodząca czapka systemu OCCS
Chłodzenie mózgu tą metodą odbywa się dzięki czapce chłodzącej (Rys.2), w której przepływa płyn chłodzący - sterylna woda o temperaturze około 10 C. Urządzenie to składa się z jednostki chłodzącej płyn, jednostki sterującej procesem chłodzenia, czujników temperatury oraz trójwarstwowej czapki (Rys.2 a, b, c), w której środkowa warstwa chłodząca jest wymiennikiem ciepła z przepływającą wewnątrz wodą. Urządzenie dopuszczone jest do użycia z konwencjonalnym promiennikiem podczerwieni służącym do ogrzewania noworodków. System OCCS jest przykładem termoelektrycznego pośredniego systemu selektywnego chłodzenia mózgu. Czapka systemu OCCS składa się z trzech części. Warstwy wewnętrznej (Rys.2 a) warstwy chłodzącej (Rys.2 b) i warstwy izolacyjnej (Rys.2 c) Warstwa wewnętrzna (Rys.2 a) została zaprojektowana i opatentowana jako tkanina przylegająca bezpośrednio do skóry głowy dziecka i ochraniająca ją przed przyklejaniem się do niej części chłodzącej. W zamyśle ta część czapki odpowiadała za odbieranie i odprowadzanie wilgoci, stanowiła też ochronę przed ochłodzeniem dla uszu i czoła dziecka. Warstwa chłodząca czapki (Water Cap) (Rys. 2 b), to system odpowiednio ukształtowanych kanałów, o półowalnym przekroju, przez które przepływa woda, przy czym jej wlot oraz wylot usytuowane są u szczytu czapki i przylegają do siebie, aby zapewnić przepływ płynu w każdej sytuacji. Takie usytuowanie wlotu i wylotu uniemożliwia np. zagięcie rurek dolotowych i wylotowych przez ułożone na nich dziecko oraz pośrednio gwarantuje komfort chłodzonemu noworodkowi. Część chłodząca zaprojektowana jest również w taki sposób, aby nie nakrywała czoła dziecka, ponieważ nagłe ochłodzenie twarzy i czoła może powodować odruchowe zaburzenia w rytmie serca i oddychaniu na skutek działania tzw. odruchu nurka. Przebieg wężownicy wykonany jest w taki sposób, aby umożliwić swobodne ułożenie warstwy chłodzącej na głowie noworodka i jak najdokładniejsze jej przyleganie, co polepsza wymianę ciepła. W tym celu zastosowano również specjalny system zapięć i zakładek. Warstwa chłodząca wykonywana jest z poliuretanu nietoksycznego tworzywa sztucznego, które może mieć kontakt ze skórą. Warstwa zewnętrzna (Insulating Cap) czapka izolacyjna (Rys. 2 c), stanowi izolację warstwy chłodzącej od otoczenia. Materiał izolujący zawarty jest pomiędzy warstwą elastyczną przylegająca od strony zewnętrznej do wymiennika, w którym przepływa woda, a warstwą odbijającą promieniowanie podczerwone znajdującą się od strony zewnętrznej. Zadaniem warstwy zewnętrznej czapki jest zapobieganie przedostawaniu się ciepła z otoczenia i z promiennika podczerwieni stosowanego w celu ogrzewania pozostałych części ciała dziecka do chłodzącej głowę wody. Ta część systemu wykonana jest z wełny poliestrowej pokrytej na zewnętrznej powierzchni warstwą metalu odbijającego promieniowanie podczerwone. W urządzeniu zdecydowano się także na zastosowanie wykonanej z rozciągliwego spandex u czapki nakładanej bezpośrednio na warstwę chłodzącą (Water Cap Retainer) i zapinanej pod brodą dziecka w celu osiągnięcia jak najlepszego przylegania części wymiennikowej do skóry głowy dziecka. Jednostka chłodząco - sterująca systemu - jest układem chłodzenia wykorzystującym urządzenie termoelektryczne w celu schłodzenia przepływającej przez czapkę wody. Dwa ogniwa Peltiera zamocowane są do aluminiowego wymiennika ciepła,
przez który przepływa chłodzona woda, wszystko zblokowane jest z komputerem sterującym procesem chłodzenia. Rys. 3 Zamodelowane numerycznie pole temperatur osiągane w mózgu podczas chłodzenia metodą SBC System Olympic Cool Cap zapewnia uzyskanie temperatur z zakresu hipotermii umiarkowanej w istocie szarej mózgu dziecka przy utrzymaniu średniej temperatury mózgowia i ciała noworodka w zakresie hipotermii łagodnej (Rys.3). Jest on również jedynym powstałym do tej pory systemem selektywnego chłodzenia mózgu noworodka po NN który przeszedł pomyślnie próby kliniczne i został dopuszczony do sprzedaży. Podlega on także ciągłym modyfikacjom w celu poprawy jego niezawodności i własności terapeutycznych. Pomimo niewielkich wad jest jedynym urządzeniem tego typu przeznaczonym do ratowania zdrowia dzieci na całym świecie. Ogólna hipotermia terapeutyczna Przykładem systemu służącego do wprowadzania noworodka w umiarkowaną hipotermie terapeutyczną jest system Kool Kit Neonate firmy Cincinnati Sub Zero (Rys.4) System ten w połączeniu z modułową jednostką sterująco chłodzącą Blanketrol III. przystowany jest do terapii hipotermią ogólną noworodka z 1 i 2 stopniem HIE. Jest to sterowany komputerowo termoelektryczny moduł chłodząco - sterujący, którego konstrukcja pozwala na szybką odpowiedź układu chłodzącego w przypadku zmian temperatury rdzenia ciała dziecka, oraz zaprogramowanie parametrów schładzania dziecka i ogrzewania po zakończonej terapii. Rys. 4 System Kool Kit Neonate
Dodatkowo reszta oprzyrządowania składa się z kompatybilnego z jednostką sterująco - chłodzącą wodnego wymiennika ciepła - kocyka o sterowanym przepływie medium chłodzącego, dodatkowo urządzenie wyposażone jest w termometr do pomiaru temperatury wnętrza ciała. Niewątpliwą zaletą systemu Kool Kit Neonate jest jego prostota, składa się on bowiem z nieskomplikowanego wymiennika wodnego połączonego z jednostką chłodząco sterującą. System ten jest również termoelektrycznym systemem pośrednim chłodzenie dziecka realizowane jest z pośrednictwem medium chłodzącego wody. 5. Podsumowanie Terapia niedotlenionego noworodka z zastosowaniem hipotermii umiarkowanej niesie ze sobą wielkie nadzieje. Fakt neuroprotekcyjnego oddziaływania hipotermii umiarkowanej został na przestrzeni dziesięcioleci udowodniony niezaprzeczalnie, co znalazło potwierdzenie w umieszczeniu tej terapii w procedurach zalecanych przez europejską radę resuscytacji po nagłym zatrzymaniu krążenia u osób dorosłych. W przypadku niedotlenienia ogólnego u dzieci noworodków metoda również przynosi wymierne efekty lecznicze udokumentowane badaniami. Postęp w dziedzinie tworzenia urządzeń służących do terapii hipotermią umiarkowaną dokonał się niejako dwutorowo. Jedno z rozwiązań zakłada selektywne wybiórcze chłodzenie tylko mózgu, co w rzeczywistości jest rzeczą trudną do zrealizowania, gdyż organizm, to jedna reagująca w specyficzny sposób na zmiany temperatury całość, niemożliwe jest całkowite adiabatyczne oddzielenie głowy od tułowia w celu zrealizowania terapii, stąd w chłodzonym mózgu wytwarza się gradient temperatur i o ile średnia temperatura znajduje się w zakresie terapeutycznym, o tyle sam rdzeń mózgu pozostaje w temperaturze z zakresu normotermii, co może mieć znaczenie dla powodzenia leczenia tą metodą. Kolejnym rozwiązaniem jest zastosowanie ogólnej hipotermii terapeutycznej. Umożliwia ono osiągnięcie temperatury terapeutycznej w całym rdzeniu ciała, w tym w mózgowiu. Jednak w przypadku takiego chłodzenia trzeba mieć na uwadze większe prawdopodobieństwo wystąpienia u dziecka powikłań związanych zarówno z głębokością chłodzenia jak i jego ogólnym charakterem. Metoda ta jednak ma swoje zalety do których należy między innymi wybitna prostota konstrukcji wymiennika wodnego. System ten dzięki swojemu ogólnemu charakterowi nie wymaga również zastosowania promiennika w celu dogrzania zbytnio wychłodzonego dziecka, lub w celu realizacji procesu ogrzewania po terapii, urządzenie to może realizować również funkcję ogrzewania, co w pewnym sensie stanowi o jego przewadze i dodatkowo upraszcza jeszcze bardziej konstrukcję i sterowanie.
6. Literatura [1.] Antoszewski.Z, Gwóźdź.B, Skalski.J.(red): Hipotremia i hipertermia w zastosowaniu klinicznym. Wyd. Śląsk, Katowice, 2000. [2.] Zmuda E:. Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia niedotlenionego mózgu noworodka. [3.] dla jego utrzymania w warunkach tzw. umiarkowanej hipotermii. Praca dyplomowa inżynierska. Politechnika Gdańska, wydział Mechaniczny, Katedra Techniki Cieplnej, Gdańsk 2009 (Prom. Z.Bonca). [4.] Kobosz.T.: Łagodna hipotermia terapeutyczna. "Służba Zdrowia", 2006, nr 92-95, s. 28-29. [5.] Mariak.Z Łysoń.T Rudziński.W.: Hipotermia jako czynik neuroprotekcyjny. "Neurologia i Neurochirurgia Polska", 2004, nr 38, s. 51-54. [6.] Pathak.K, Yu.N, Shoffstall.A, Zheng.L.: Modeling Heat-Transfer of the Olympic Cool-Cap System. 2008 Student Papers, Bee 453 23.06.2008. [7.] Kusza.K.: Hipotermia i jej wpływ na ośrodkowy układ nerwowy po niedotlenieniu "Materiały edukacyjne dla zdających Państwowy Egzamin Specjalizacyjny z Anestecjologii i Intenywnej Terapii", Katedra i Klinika Anestezjologii i Intensywnej Terapii C.M. UMK Bydgoszcz Toruń. [8.] Makarewicz.D.: Asfiksja okołoporodowa w klinice i w laboratorium. Audycja platformy TVN Med, Kod audycji: PED084. [9.] Sługocki.P.: Patofizjologiczne uwarunkowania resuscytacji nororodka patofizjologia niedotlenienia okołoporodowego. "Kurs FEEA Nr 4 Matka i dziecko", 23-25.11.2006, Warszawa. [10.] United States Patent nr 6312453.: Device for cooling infant's brain. Data patentu 6.11.2001. [11.] Materiały firmy natus medical inc. www.natus.com [12.] Materiały firmy Cincinnati Sub - Zero inc. www.cszinc.com [13.] http://journals.prous.com/journals/dnp/20001303/html/dn130133/images/wang _f1.jpg