PORTFOLIO

19`000 Schweizer erleiden jährlich eine schwere Hirnverletzung. Etwa 5`000 als Folge eines Unfalls, weitere 14`000 Menschen durch einen Hirnschlag. 20 bis 30% der Patienten versterben und 40 bis 50% der Überlebenden überstehen einen Schlaganfall mit einer schwerwiegenden Behinderung. Der Akutherapie von Hirnverletzungen kommt deshalb größte sozioökonomische Bedeutung zu. Tierexperimentelle und klinische Studien haben gezeigt, dass durch Hypothermiebehandlung (Senken der Hirntemperatur auf 33-34 Grand Celsius) Häufigkeit und Ausdehnung zerebraler Durchblutungsstörungen nach Reanimation, akuten Schlaganfällen und schwerem Schädel-Hirntrauma vermindert werden kann. Konventionell werden Patienten systemisch extern mit Kühldecken, Eisbeuteln und Alkoholwaschungen gekühlt. Eigene Arbeiten haben gezeigt, dass eine neue Kühlmethode mit endovaskulären Wärmeaustauschkathetern es erlaubt, die systemische Hypothermie zur Neuroprotektion bis zu 16 Tage aufrechtzuerhalten. Als schwere Nebenwirkungen der systemischen Hypothermie treten allerdings in 80% lebensbedrohliche Nebenwirkungen wie Pneumonie, Schocklunge, Sepsis und Gerinnungsstörungen auf. Es ist zu erwarten, dass durch eine lokale, isoliert zerebrale Kühlmethode die erwünschte neuroprotektive Wirkung mit weniger systemischen Nebenwirkungen als die Ganzkörperkühlung erreicht werden kann. In der Literatur sind bisher keine erfolgreichen Techniken zur lokalen Hypothermie beschrieben worden. Wegen Invasivität und hohem Infektionsrisiko (Spülungen des Subduralraums durch intrakranielle Katheter) oder sekundärer systemischer Auskühlung steht bisher keine geeignete Methode zur Anwendung in der klinischen Praxis zur Verfügung. In schon bewährter, jahrelanger interdisziplinärer Zusammenarbeit mit dem Institut für Biomedizinische Technik der ETH und Universität Zürich und Industriepartnern eine neue innovative Technik zur lokalen Hypothermiebehandlung weiter entwickelt. Modellsimulationen und erste Versuche mit Kühlhauben, angelegt über der Schädeldecke zeigten, dass durch die starke Isolation des Gehirns, v.a. durch einen „Shielding“-Effekt der Hirndurchblutung, keine effektive Kühlung in der Tiefe des Gehirns erreicht werden kann. Weitere Thermosimulationen und erste Versuche mittels Halsmanschetten weisen allerdings darauf hin, dass eine lokale Hypothermie durch Kühlung der Halsgefässe möglich sein sollte. Nach ersten Tests mit Prototypen der Firma Theramed AG (zu geringe Kühlleistung) werden aktuell, nach den aus dem Projekt hervorgehenden technischen Spezifikationen, Kühlmanschetten mit den optimalen Materialien durch die Firma Arctic Sun gefertigt.

Das Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zu einer gravierenden sozioökonomichen Problematik von Hirnverletzungen. Mit einer Initialförderung wird die Entwicklung einer neunen, innovativen Technik mit hoher Relevanz und grossem Transferpotential unterstützt. Das Projekt zielt darauf, einen vorindustriellen Prototypen zur lokalen Hypothermie zu definieren (Impulscharakter), der nach ersten positiven Erfahrungen und Optimierungen in klinischen Studien, später von der Industrie in die medizinische Praxis umgesetzt werden kann.

Die Meilensteine der Etappe 1 (Modellsimulationen Kopf, Körper, Temperaturüberwachungssystem, sowie Tests, Kauf und Anpassung verfügbarer Geräte) konnten bis Ende September 2007 vollumfänglich realisiert werden. Die Modellsimulationen zeigten, dass durch die externe Kühlung des Kopfes über die Schädeldecke keine relevante Temperatursenkung in der Tiefe des Gehirns erreicht werden kann. Zur lokalen cerebralen Hypothermie muss eine Kühlung über die blutzuführenden Halsgefässe (Aa. carotides internae) realisiert werden. Damit konnten Systemarchitektur und definitives Hardware-Setting zur lokalen Kopfkühlung festgelegt werden. Mit diesen Anforderungen wurden drei kommerziell verfügbare Geräte getestet. Gekauft wurden die tauglichsten Geräte (Hilotherm von Theramed, Blanketroll III CSZ Cinncinati, sowie ein Gerät von Arctic Sun). Die Firma Theramed nahm den Input unserer Modellsimulationen auf und lieferte im Nov. 07 speziell nach unseren Spezifikationen konstruierte Halsmanschetten. Erste klinische Tests zeigten, dass mit den Halsmanschetten von Theramed zwar eine gewisse Kühlung bei Fieber zu erreichen war, aber die Kühlleistung zum Erreichen hypothermer Temperaturen im Gehirn nicht ausreichte. Durch spezielle Materialien und einem spezifischen, kapillären Wasserdurchflusssystem erwiesen sich die Ganzkörpermatten von Arctic Sun bzgl. Kühlleistung am effizientesten. Die Firma nahm ebenfalls unsere Spezifikationen zur Fertigung von Halsmanschetten auf. Diese sollen nun in den nächsten Wochen als Prototypen fertiggestellt und in der Neurointensivstation, Universitätsspital getestet werden.

Ch. Gugl: Modellsimulationen zur Lokalen Hypothermie. Bachelorarbeit ETH Zürich
R. Mudra, C. Gugl, J. Fröhlich, M. Seule, E. Keller: Theoretical evaluation of local cerebral hypothermia by external transcranial head and neck cooling. J. of Appl. Physiol., under submission
M.A. Seule, C. Muroi, S. MInk, Y. Yonekawa, E. Keller (2008) Therapeutic Hypothermia in Patients with Aneurysmal Subarachnoid Hemorrhage, Refractory Intracranial Hypertension or Cerebral Vasospasm, Neurosurgery, submitted

Artikel Sonntagszeitung vom 6.5.2007: Kaltblütiger Eingriff. Schwerkranke Herz- und Hirn-Patienten überleben besser dank Abkühlung auf bis 18°C