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Se os anestesiologistas tivessem meios rigorosos para gerir a dosagem, poderiam administrar menos medicamentos, mantendo exactamente a profundidade certa de inconsciência, ao mesmo tempo que reduziam os efeitos secundários cognitivos pós-operatórios em grupos vulneráveis como os idosos. Mas com inúmeras responsabilidades para manter os pacientes anestesiados vivos e estáveis, bem como manter o seu estado profundamente inconsciente, os anestesiologistas não têm tempo sem a tecnologia.
Para resolver o problema, pesquisadores do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória do MIT e do Massachusetts General Hospital inventaram um sistema de circuito fechado baseado no monitoramento do estado cerebral que controla com precisão a inconsciência, automatizando doses do anestésico propofol a cada 20 segundos.
Os cientistas detalham o novo sistema e seu desempenho em testes em animais em um novo estudo publicado na revista PNAS Nexus.
“Uma das maneiras de melhorar os cuidados anestésicos é administrar a quantidade certa de medicamento necessária”, disse o autor correspondente Emery N. Brown, professor Edward Hood Taplin de Engenharia Médica e Neurociência Computacional no MIT e anestesiologista do MGH. “Isso abre a oportunidade de fazer isso de uma forma realmente controlada.”
Na sala de cirurgia, Brown monitora o estado cerebral de seus pacientes por meio de eletroencefalogramas (EEGs). Ele frequentemente ajusta a dosagem com base nesse feedback, o que pode reduzir a quantidade de medicamento que ele usa pela metade, em comparação com se ele apenas escolhesse uma taxa de infusão constante e a mantivesse. No entanto, a prática de manter a dose em vez do nível de consciência é comum porque a maioria dos anestesiologistas não são treinados para monitorar os estados cerebrais e muitas vezes não passam tempo na sala de cirurgia para administrar a dosagem com precisão.
O novo sistema não é o primeiro sistema de administração de anestesia em circuito fechado (CLAD), disse Brown, mas avança de maneira crítica no campo jovem. Alguns sistemas anteriores apenas automatizam uma taxa de infusão única e estável com base nas características gerais do paciente, como altura, peso e idade, mas não coletam feedback sobre o efeito real sobre a inconsciência, disse Brown, que também é membro do Instituto de Engenharia Médica e Ciência da MIT e o professor Warren Zapol da Harvard Medical School. Outros usam um sistema de controle proprietário que mantém marcadores de inconsciência em “caixa preta” variando dentro de uma ampla faixa.
O novo sistema CLAD, desenvolvido por Brown e sua equipe no MIT e MGH Brain Arousal State Control Innovation Center (BASCIC), permite um gerenciamento muito preciso da inconsciência, fazendo uma estimativa personalizada de como as doses afetarão o sujeito e medindo a inconsciência com base em estado cerebral. O sistema utiliza essas medidas como feedback para ajustar constantemente a dose do medicamento.
No artigo, a equipe demonstra que o sistema permitiu mais de 18 horas de controle refinado da consciência ao longo de nove sessões de anestesia com dois animais. Sourish Chakravarty, afiliado de pesquisa do Brown Lab, e Jacob Donoghue, um ex-aluno de pós-graduação do laboratório do co-autor sênior e professor do Picower Earl K. Miller, são os co-autores principais do artigo.
Embora haja mais trabalho a fazer, os autores escrevem: “Estamos altamente otimistas de que a estrutura CLAD que estabelecemos… pode ser estendida com sucesso aos humanos”.
Como funciona
Uma base da tecnologia CLAD é que ela emprega uma leitura de inconsciência do cérebro baseada em princípios fisiológicos (na sala de cirurgia, os anestesiologistas normalmente contam com marcadores indiretos, como frequência cardíaca, pressão arterial e imobilidade). Os pesquisadores estabeleceram seu marcador baseado no cérebro medindo as mudanças na atividade de estimulação neural em meio à inconsciência dos animais e aos ritmos de maior escala que a estimulação produz, chamados potenciais de campo locais (LFPs). Ao associar estreitamente a potência da LFP com medidas de inconsciência baseadas em picos nos animais, eles foram capazes de determinar que a potência total das LFPs entre 20 e 30 Hz é um marcador confiável.
Os pesquisadores também incorporaram ao sistema um modelo de princípios fisiológicos da farmacocinética (PK) e da farmacodinâmica (PD) do propofol, que determina a quantidade de medicamento necessária para alterar a consciência e a rapidez com que uma determinada dose terá esse efeito. No estudo eles mostram que ao acoplar o modelo ao marcador de inconsciência eles poderiam ajustar rapidamente o modelo para cada sujeito.
“Com alguns registros básicos das LFPs à medida que a droga é administrada, você pode aprender rapidamente como o sujeito está respondendo à droga”, disse Brown.
Para gerenciar a dosagem de propofol, a cada 20 segundos um controlador “linear quadrático integral” determina a diferença entre a potência LFP medida de 20-30 Hz e o estado cerebral desejado (definido pelo anestesista) e usa o modelo PK/PD para ajustar a infusão de remédio para fechar a lacuna.
Inicialmente, a equipe realizou simulações de computador de como seu sistema CLAD funcionaria sob parâmetros realistas, mas depois realizaram nove experimentos de 125 minutos de duração com dois animais. Eles colocaram os animais manualmente e deixaram o sistema CLAD assumir o controle após cerca de 30 minutos. Em cada caso, o CLAD teve que levar os animais a um estado preciso de inconsciência durante 45 minutos, mudar para um nível diferente durante mais 40 minutos e depois trazê-los de volta ao nível original durante mais 40 minutos. Em todas as sessões, o sistema manteve o marcador muito próximo dos níveis de meta durante todo o teste.
Em outras palavras, em vez de um sistema que mantém automaticamente a dose do medicamento, o novo sistema mantém automaticamente o nível desejado de inconsciência, atualizando essa dose a cada 20 segundos.
“A prática comum de usar taxas de infusão constantes pode levar a uma overdose”, escreveram os pesquisadores. “Esta observação é particularmente relevante para pacientes idosos que, com taxas de infusão padrão de propofol, facilmente entram em surto de supressão, um nível profundo de inconsciência associado a distúrbios cognitivos pós-operatórios”.
Ainda por fazer
No estudo, a equipe reconhece que tem mais trabalho a fazer para avançar a tecnologia para uso humano.
Uma etapa necessária é basear o sistema em EEGs, que podem ser medidos através do couro cabeludo. Junto com isso, a equipe precisará determinar um marcador de inconsciência com base em medições de EEG de ritmos cerebrais humanos, em vez de LFPs de animais. Finalmente, a equipe quer ampliar as capacidades do sistema para que ele não apenas mantenha a inconsciência, mas também ajude a induzi-la e a trazer os pacientes de volta à vigília.
Além de Brown, Chakravarty, Donoghue e Miller, os outros autores do artigo são Ayan Waite, Meredith Mahnke, Indie Garwood, Sebastian Gallo.
O financiamento para o estudo veio dos Prêmios P01 GM118269 e R01 NS123120 dos Institutos Nacionais de Saúde (para ENB), da Fundação JPB e do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória. O apoio ao BASCIC vem de George J. Elbaum (MIT ’59,SM’63, PhD ’67), Mimi Jensen, Diane B. Greene (MIT,SM’78), Mendel Rosenblum, Bill Swanson e Cheryl Swanson.
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