Wie therapeutische Hypothermie funktioniert

Ob Sie das Haferflocken-Gelee zwischen den Ohren als fein abgestimmtes Untersuchungsinstrument oder als Speicherplatz für Monty-Python-Zitate verwenden, Sie wissen wahrscheinlich, dass es am besten funktioniert, wenn es reichlich mit sauerstoffreichem Blut versorgt wird. Ihr Körper ist schließlich von den Zellen nach oben zum Atmen und Verbrennen von Sauerstoff aufgebaut , und das gilt doppelt für Neuronen [Quelle: Meek ]. Wenn diese lebenswichtige Versorgung unterbrochen wird, wird eine Kaskade von Ereignissen in Gang gesetzt, die alles von Ihrem Gewebe bis zu Ihren Zellen betreffen und deren Folgen von einer Behinderung bis zum Tod reichen können.

In den letzten 70 Jahren hat die medizinische Forschung gezeigt, wie Kühlung und Wiederbelebung Hand in Hand gehen können, wie ansonsten lebensbedrohliche Kälte eingesetzt werden kann, um Leben zu retten und diesen Kreislauf der Zerstörung zu verzögern.

Während der therapeutischen Hypothermie (TH) , auch bekannt als medizinisch induzierte Hypothermie oder gezieltes Temperaturmanagement , senken Ärzte den Sauerstoffbedarf im Gehirn, indem sie die Körpertemperatur eines Patienten auf ein moderates Unterkühlungsniveau senken und dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Zellschädigung verringern [Quellen: Deckard und Ebright ; Gibson und Andrews ]. Jede Verringerung der Körpertemperatur um 1,8 Grad Fahrenheit (1 Grad Celsius) führt zu einem geschätzten Rückgang des zerebralen Stoffwechsels und des Sauerstoffbedarfs um 6-10 Prozent [Quellen: Adler at al. ; Deckard und Ebright ].

Typische Verfahren umfassen das Absenken der Kerntemperatur über eine niedrige Normothermie (96,8–98,6 F oder 36–37 °C) hinaus auf einen Zielbereich von 89,6–93,2 F (32–34 °C) [Quellen: Deckard und Ebright ; Gibson und Andrews ]. Das klingt vielleicht nicht besonders kalt, aber wir sprechen von der Kerntemperatur, bei der nur wenige Grad eine leichte Erkältung von Herz- und Nervensystemproblemen, Organschäden und einem möglichen Tod trennen [Quelle: Davis ].

Mit anderen Worten, versuchen Sie es nicht zu Hause.

Durch sorgfältige Überwachung und Temperaturkontrolle können Ärzte TH in Fällen anwenden, die entweder eine Intervention oder Prävention erfordern. Die Intervention beinhaltet die Eindämmung des Schadens eines kürzlichen Vorfalls, der das Gehirn der Durchblutung und des Sauerstoffs beraubt hat. Die beiden häufigsten TH-Eingriffe betreffen Patienten mit Herzstillstand, die nach der Rückkehr des Kreislaufs nicht aufwachen, und Neugeborene, die an neonataler ischämischer Enzephalopathie leiden , einer Krankheit, die aus Sauerstoffmangel resultiert und unter anderem zum Tod, geistiger Behinderung, Zerebralparese und/oder Epilepsie führen kann neurologische Effekte [Quellen: Andrews; Deckard und Ebright ; Lai und Yang ; Leary; Merck-Handbuch]. Als vorbeugende Maßnahme verlängert TH die Operationszeit und schützt das Gehirn während einer Operation am offenen Herzen [Quelle: Texas Heart Institute ].

In den letzten Jahrzehnten haben Forscher damit begonnen, die Verwendung von TH bei der Behandlung bestimmter Arten von Schlaganfall, Herzinfarkt, Atemproblemen und Verletzungen des Gehirns und des Rückenmarks zu erforschen. Mögliche Anwendungen bei der Behandlung akuter Nierenschäden und der Behandlung von Krebs befinden sich in den frühen Stadien [Quellen: Encyclopedia Britannica ; Leary].

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Die Verwendung von therapeutischer Hypothermie (TH) zur Verbesserung der Ergebnisse bei Patienten mit traumatischen Hirnverletzungen geht auf das Jahr 1945 zurück, ungefähr im selben Jahr, in dem Captain America in eisiger schwebender Animation gefangen wurde [Quelle: Gibson und Andrews ].

Zufall?

In den 1950er Jahren verwendeten Chirurgen am offenen Herzen TH als präventiven Auftakt für Operationen am offenen Herzen. Obwohl neuere Techniken es ermöglichen, einige Herzoperationen an einem noch schlagenden Organ durchzuführen, war es in der Vergangenheit bei solchen Eingriffen erforderlich, das Herz zumindest kurzzeitig anzuhalten. Die Forscher erkannten, dass Hypothermie dazu beitragen kann, die graue Substanz eines Patienten vor den Folgen des daraus resultierenden Mangels an Blutfluss ( Ischämie ) und Sauerstoff ( Anoxie ) zu schützen [Quellen: Nolan et al. ; Texas Heart Institute ]. Ohne TH haben Chirurgen normalerweise weniger als fünf Minuten Zeit, um den Blutfluss wiederherzustellen, bevor ein Hirnschaden einsetzt [Quelle: Murphy ].

Körperkühltechniken sind eine der beiden Haupttechnologien, die Operationen am offenen Herzen ermöglichen. Die andere ist die kardiopulmonale Bypass-Maschine (auch bekannt als Herz-Lungen-Maschine ), die die Aufgaben der Sauerstoffversorgung, Kohlendioxidentfernung und des Blutpumpens übernimmt, während Herz und Lunge inaktiv sind [Quellen: NHLBI ; Texas Heart Institute ].

Wie wir weiter unten ausführlicher besprechen werden, wird TH seit den späten 1950er Jahren auch zur Begrenzung von Schäden am zentralen Nervensystem von Patienten mit Herzstillstand eingesetzt, die nach der Rückkehr des spontanen Kreislaufs (ROSC) nicht wieder zu Bewusstsein kommen [Quellen: Deckard und Ehell ; Gibson und Andrews ]. Ungeachtet dieser Vorteile ließen die wahrgenommenen Verbindungen von TH zu Nebenwirkungen wie Lungenentzündung, Blutungen und Herzrhythmusstörungen es medizinisch außer Acht, bis in den 1990er Jahren experimentelle Studien schließlich das Eis brachen, indem sie zeigten, dass die Technik neuronale Schäden reduzieren und vor zerebraler Ischämie schützen kann [Quelle: Gibson und Andreas ].

Danach bewegte sich die Forschung bis zur Veröffentlichung von zwei wichtigen Herzstudien im New England Journal of Medicine im Jahr 2002 immer noch in einem eher eisigen Tempo. Die sogenannte HACA- (Hypothermie nach Herzstillstand) und die Bernard-Studie zeigten beide deutlich verbesserte Ergebnisse bei Herzpatienten mit Hypothermie behandelt [Quellen: Deckard und Ebright ; Winslow ]. Die Probanden der Studien litten entweder an ventrikulärer Tachykardie , einem schnellen Herzschlag, der durch ungewöhnliche elektrische Vorgänge in den unteren Kammern (Ventrikeln) des Herzens angeregt wird, oder an Kammerflimmern , einer häufigen Herzrhythmusstörung, bei der die Ventrikelmuskeln willkürlich zittern, anstatt eine koordinierte Kontraktion durchzuführen [Quelle: Deckard und Ebright ].

Im Jahr 2005 fügte die American Heart Association (AHA) therapeutische Hypothermie zu ihren Richtlinien für die Herz-Lungen-Wiederbelebung (HLW) hinzu [Quelle: Deckard und Ebright ; Winslow ]. Im Jahr 2010 erweiterten sie diese Standards, um hausinterne Herzstillstände und Patienten einzubeziehen, die nicht in der Lage sind, verbalen Befehlen nach ROSC zu folgen [Quelle: Deckard und Ebright ].

Anwendungen und Forschung werden weiter ausgebaut, aber im Kern bietet TH ein lebenswichtiges Mittel, um das Gehirn inmitten von zwei der härtesten Schocks zu erhalten, die es erleiden kann: dem plötzlichen Verlust des Blutflusses und seiner ebenso abrupten Rückkehr.

Obwohl wir den Tod oft so behandeln, als wäre er ein einmaliges Ereignis, ein zeitlicher Moment, der die menschliche Existenz von dem trennt, was danach kommt, ist er in Wahrheit ein komplexes Terrain, das von vagen Meilensteinen gekennzeichnet ist. Vielleicht hat der Tod deshalb so viele Definitionen, vom klinischen Tod – wenn Herzschlag, Atmung und Kreislauf aufhören – bis zum biologischen Tod , der einige Zeit später eintritt, wenn die Gehirnzellen zu ersticken beginnen und wir uns der ärztlichen Wiederbelebungsfähigkeit entziehen.

The twilit country between those two borders is not a friendly one. In fact, it's under perpetual travel advisory, and with good reason. Take cardiac arrest . When it happens outside of a hospital, it kills 94 percent of the time, racking up an estimated 250,000 American deaths annually [source: Deckard and Ebright]. Those fortunate enough to survive face another grim prospect: a significant risk of developing neurological problems born not only of ischemia but also of reperfusion, the sudden return of blood flow following resuscitation [sources: Adler at al.; Deckard and Ebright]. Those injuries add to the biochemical, structural and functional problems that happen before and during the arrest. Thus, far from merely affecting the heart, cardiac arrest can entail a chain of cell destruction afflicting multiple organs, programmed cell death (apoptosis) in neurons and, possibly, bodily death [sources: Adler at al.; Deckard and Ebright].

Fortunately, many of these damaging processes are susceptible to low temperatures [sources: Adler at al.; Deckard and Ebright]. By cooling cardiac patients with signs of potential neurological issues after ROSC, the medical community has improved the odds of a positive neurological outcome from 20 percent to closer to 75 percent, with some patients reporting a full return to normalcy [sources: Deckard and Ebright; Winslow]. We've gone from a world in which 6-10 minutes with no pulse meant inevitable brain death to one in which that time can be stretched to 20 minutes [source: Winslow]. More radical experimental approaches hold the promise of extending the resuscitation window even longer (see sidebar).

Resuscitation. That's an important word. Because, chilled or not, patents with no pulse, breathing or circulation are dead in a way that will trigger most Do Not Resuscitate orders.

So what's happening here? How do a few degrees of lowered body temperature measure the gap between bad and much, much worse? To understand that, we need to see what goes on when your heart shuts off.

On Second Thought, Who Needs Blood?

Recently, surgeons have begun experimenting with a more radical hypothermic procedure involving emergency room patients with traumatic gunshot wounds, one that further pushes back the line dividing life and death. The technique involves replacing a victim's blood with freezing salt water, inducing clinical death (no heart or brain activity) for several hours. The approach buys the surgeons enough time to repair catastrophic damage that would otherwise prove impossible to fix [source: Murphy].

Our organs experience significant injuries not only when oxygen-supplying blood flow is curtailed, but also when it suddenly returns. Mitigating the neurological effects of this ischemia-reperfusion injury (aka post-cardiac arrest syndrome) is one of therapeutic hypothermia's primary applications [source: Delfin].

When blood and oxygen flow to the brain cease, a cascade of biochemical events kicks off, one that can continue to destroy brain cells for hours or days after circulation is restored [source: Delfin]. One of the most pivotal aspects of this process concerns mitochondria, the vital, sausage-shaped organelles that power our cells.

Without oxygen, mitochondria's normal energy processes fail, and cells switch to anaerobic respiration. This causes lactic acid to build up, essential mechanisms to shut down and calcium to accumulate within the cell. The resulting glut of calcium prompts the discharge of the neurotransmitter glutamate, which excites brain cells, sparking a more urgent call for nonexistent oxygen and triggering a whole host of harmful chemicals, including highly reactive free radicals [sources: Deckard and Ebright; Delfin; Merck Manual].

Meanwhile, cell walls lose integrity and let in additional harmful substances, including more calcium, as well as sodium, which causes inflammation (edema ). Overcome, the mitochondria die and break down, releasing toxins and other chemicals that can trigger apoptosis. If the cell then kicks the bucket, it releases glutamate and toxins into its surroundings, exciting nearby neurons. The immune system dispatches neutrophils and macrophages to sweep up dead cells, kicking off a chain reaction by producing free radicals that further damage cells, deepening the inflammatory response, aggravating cerebral swelling and causing further neurological injury. Meanwhile, the combination of ischemia, swelling and pressure cause the protective blood-brain barrier to grow more permeable [sources: Deckard und Ebright ; Gibson und Andrews ].

Das ist die schlechte Nachricht. Die schlimmere Nachricht ist, dass die Wiederaufnahme des Kreislaufs diese bereits geschwächten Gewebe und Zellen weiter schädigt. Undichte Zellmembranen und eine destabilisierte Blut-Hirn-Schranke bedeuten ein weiteres Hirnödem, da sich neu gelieferte weiße Blutkörperchen im Gehirn ansammeln und, provoziert durch geschädigtes Gewebe, eine Horde von Entzündungsfaktoren und freien Radikalen freisetzen. Währenddessen können die Blutgerinnung und die Bildung von Mikrogerinnseln den Blutfluss blockieren und eine lokalisierte Ischämie verursachen. Die Anfallsaktivität kann den Verlauf solcher Komplikationen weiter beeinflussen [Quelle: Delfin].

Dies ist natürlich eine stark vereinfachte Übersicht, aber sie offenbart die schädlichen Mechanismen, die durch therapeutische Hypothermie abgeschaltet werden können.

Wechsel zu O2

Vor einigen Milliarden Jahren begannen einige tapfere Urorganismen Wege zu finden, um ein schädliches Gift zu nutzen, das sich in der Atmosphäre ansammelte. Das als Sauerstoff bekannte Toxin war die Mühe wert, weil es Brennstoff vier- bis fünfmal effizienter verbrannte als die anaerobe Atmung [Quelle: Hsia et al. ]. Obwohl unsere Zellen Wege beibehalten, die eine anaerobe Atmung ermöglichen, sind Menschen für kurze Zeit und zu einem Preis obligatorische Aerobier , die zum Leben Sauerstoff verbrauchen müssen.

Im vorherigen Abschnitt haben wir die biochemischen Aufstände und Plünderungen beschrieben, die durch Ihre Gehirnzellen fegen, wenn Sauerstoff fehlt, und die weiteren Verletzungen, die sich ansammeln, nachdem der Blutfluss zurückkehrt. Wir haben auch eine Schurkengalerie von Unruhestiftern identifiziert: hungernde Mitochondrien, wandernde Elektrolyte , zerstörerische Enzyme, programmierter Zelltod, außer Kontrolle geratene Erregbarkeit von Neuronen, unerwünschte Entzündungen und schlecht getimte Gerinnung.

Therapeutische Hypothermie schwächt die Kraft all dieser Faktoren ab. In erster Linie verlangsamt es den zerebralen Stoffwechsel, wodurch der Sauerstoffbedarf der Gehirnzellen reduziert und die Mitochondrienschmelze verhindert wird [Quellen: Adler at al. ; Delphin; Gibson und Andrews ; Winslow ]. Durch die Stabilisierung der Glutamatfreisetzung bremst es auch die schadensverstärkende Zellerregung [Quellen: Adler et al. ; Deckard und Ebright ; Delphin; Merck-Handbuch ]. TH stützt auch die Blut-Hirn-Schranke, indem es kleine Blutgefäße, sogenannte Arteriolen , weniger undicht macht [Quellen: Deckard und Ebright ; Gibson und Andrews ].

Erinnern Sie sich, wie unkontrollierbare Kalziumspiegel im Allgemeinen Gehirnzellen zerstörten und eine sich selbst ernährende Kettenreaktion auslösten? Hypothermie beruhigt auch das und senkt dadurch die Rate von Mitochondrienschäden, Zelltod und allem, was typischerweise folgt, einschließlich der zerstörerischen Produktion freier Radikale und Gehirnentzündungen [Quellen: Adler et al. ; Deckard und Ebright ; Delphin; Gibson und Andrews ; Merck-Handbuch ]. TH reduziert auch die Entzündungsreaktion, indem es die Freisetzung von zellsignalisierenden Proteinen, sogenannten Zytokinen , unterbindet, die zur Blutgerinnung, zum Zusammenbruch der Blutgefäße und zum Zelltod beitragen können [Quellen: Adler et al. ; Delphin; Gibson und Andrews ; Merck-Handbuch]. Schließlich haben Studien gezeigt, dass therapeutische Hypothermie die Anfallsaktivität reduziert, ein wichtiger Faktor, der die Chancen einer positiven neurologischen Genesung bestimmt [Quelle: Gibson und Andrews ].

Aber wagen Sie noch nicht den polaren Sprung. Es gibt gute Gründe, warum unser Körper versucht, eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Noch wichtiger ist, dass die therapeutische Hypothermie mit einer Reihe von Nebenwirkungen einhergeht, die während der Kühl-, Erhaltungs- und Wiedererwärmungsphasen des Prozesses auftreten können. Dazu gehören Zittern, Herz-Kreislauf-Probleme, leichte Gerinnungsprobleme, Probleme mit dem Blutzucker, Elektrolytstörungen und selten Lungenentzündung [Quellen: Deckard und Ebright ; Gibson und Andrews ]. Während der Erwärmung kann der Patient einen Anstieg des intrakraniellen Drucks und gelegentlich (und etwas ironischerweise) eine Hyperthermie (erhöhte Körpertemperatur) erfahren [Quelle: Adler at al. ].

Folglich erfordert TH eine sorgfältige Überwachung einer Vielzahl von Vitalfunktionen sowohl während des Eingriffs als auch während der Genesung. Schauen wir uns den eigentlichen Ablauf der therapeutischen Hypothermie genauer an, um zu sehen, wie sich das auswirkt.

Therapeutische Hypothermie erfordert den Ausgleich einer tickenden Uhr gegen die Grenzen, wie schnell ein Körper sicher gekühlt oder erwärmt werden kann. Während des Eingriffs wird ein Patient schnell auf Zieltemperatur gebracht, ohne Schwankungen im gewünschten Bereich gehalten und langsam und stetig wiedererwärmt. Diese drei Schritte definieren die drei Phasen der therapeutischen Hypothermie: Induktion , Erhaltung und Wiedererwärmung . Obwohl die ideale Dauer der Hypothermie unbekannt bleibt, dauert das Standardverfahren nicht länger als 24 Stunden [Quellen: Adler at al. ; Deckard und Ebright ].

Um den Patienten auf die Kühlung vorzubereiten, erhöhen die Ärzte die Sedierung und achten auf Zittern. Zittern, der Versuch des Körpers, die richtige Temperatur aufrechtzuerhalten, erhöht die Stoffwechselaktivität, erhöht den Sauerstoffverbrauch und erhöht die Körperwärme, sodass Ärzte sie mit einem Paralytiker blockieren [Quelle: Deckard und Ebright ].

Während des gesamten Prozesses können Ärzte eine von mehreren Kühltechnologien verwenden. Während der Kühlphase bieten Eispackungen um Achseln, Brust, Leiste und Seiten des Halses eine kostengünstige Lösung, können jedoch unerwünschte hohe und niedrige Temperaturen verursachen und viel Aufmerksamkeit erfordern [Quellen: Adler et al. ; Deckard und Ebright ; Gibson und Andrews ]. Invasivere Optionen, wie schnelle intravenöse Infusionen mit gekühlter Kochsalzlösung oder Kühlkatheter, bieten eine bessere Temperaturkontrolle, bringen aber auch eigene Risiken mit sich [Quellen: Deckard und Ebright ; Gibson und Andrews ].

Wenn die Induktionsphase nicht richtig gehandhabt wird, können Patienten Arrhythmien entwickeln, einschließlich Bradykardie (sehr langsame Herzfrequenz), atrioventrikuläre Blockaden (Verzögerungen im elektrischen Signal zwischen den Vorhöfen und Ventrikeln) und Vorhof- und Kammerflimmern [Quelle: Deckard und Ebright ] .

Während der Erhaltungsphase kann die Kühlung nichtinvasiv erfolgen, indem der Patient zwischen spezielle Kaltwasser- oder Kaltluftdecken gelegt wird oder Rumpf, Rücken und Oberschenkel in mit Hydrogel beschichtete Pads eingewickelt werden, die temperaturgesteuertes Wasser zirkulieren lassen. Ärzte können die Kernkühlung auch mit einem Katheter fortsetzen [Quelle: Adler at al. ; Deckard und Ebright ; Gibson und Andrews ; Reanimationszentrale ].

Auch in dieser Phase besteht die Gefahr von Arrhythmien, wenn sie nicht richtig gehandhabt wird. Das Problem sind Elektrolyte (Kalium, Magnesium, Calcium und Phosphat), die bei Temperaturschwankungen in die Zellen hinein- und herausströmen und schädliche Ungleichgewichte erzeugen. Ärzte behandeln dieses Problem durch Elektrolytersatz und sorgfältige Überwachung während der Erhaltungsphase [Quellen: Deckard und Ebright ; Delphin; Kuptschik ].

Während der Wiedererwärmung wird die Temperatur des Patienten kriechend erhöht – etwa 0,27 bis 0,90 F (0,15 bis 0,50 C) pro Stunde [Quellen: Adler et al. ; Deckard und Ebright ]. Wenn Kühlkissen verwendet werden, können Ärzte die Wassertemperatur im Inneren allmählich erhöhen, bis die Körpertemperatur eine Stunde lang bei niedriger Normothermie schwebt. Während oder kurz nach diesem Zeitraum setzen die Ärzte je nach angewandter Methode die paralytischen und sedierenden Medikamente ab [Quelle: Adler at al. ]

In allen Phasen überwacht das Personal sorgfältig die Körperkerntemperatur, den Flüssigkeitsstand und andere Schlüsselindikatoren. Danach erfordert die Genesung eine umfassende Pflege und Managementpflege auf einer Intensivstation (ICU). Wie lange variiert, aber rechnen Sie mit einem Aufenthalt von etwa vier Tagen bis zu einer Woche [Quelle: Delfin].

Mit anderen Worten, therapeutische Hypothermie ist weder einfach noch billig, aber mit etwas Glück wird es ein eisiger Empfang, für den Sie dankbar sein werden [Quellen: Adler at al. ; Deckard und Ebright ].

Anmerkung des Autors: Wie therapeutische Hypothermie funktioniert

Das Thema therapeutische Hypothermie liegt mir sehr am Herzen. In den frühen 1960er Jahren wurde ein nahes Familienmitglied vor einer Hirnblutung gerettet, indem es von Spezialisten eines örtlichen Forschungskrankenhauses „auf Eis gelegt“ wurde. Es war noch früh für solche Behandlungen, und Interventionen ließen auf sich warten. Tatsächlich gaben die damaligen Ärzte dem Patienten sehr schlechte Überlebenschancen in der Größenordnung von 1 zu 10.000. Dank therapeutischer Hypothermie überwand er diese Chancen und ist noch heute bei uns.

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