Fyziologie extrémních stavů 

Václav Hampl

Dokončení poznámek k přednášce. Začátek je zde. Dotazy či připomínky e-mailem.

---

Vysoký tlak

• Při potápění (ne v ponorce), při tunelování (přetlak proti prosakování vody) a při léčbě v přetlakové kabině
• Hyperbarická oxygenoterapie (max 0.3 MPa 120 min):
  • Intoxikace CO a kyandidy
  • Vzduchová embolie
  • Anaerobní infekce
  • Traumatická ischémie (crush syndrom) - po těžkém zranění končetiny a jejího oběhu, často s infekcí
  • Ischémická choroba dolních končetin

• pod vodou roste tlak o 1 atm na každých 10 m
• tlak v každém vzduchem vyplněném prostoru těla musí sledovat změny okolního tlaku, jinak vznikne na stěně tohoto prostoru destruktivní tlakový gradient;
  není-li stěna rigidní přizpůsobí se zvýšení okolního tlaku kompresí (např. střeva);
  většina tělesných dutin nemá problém vyměňovat vzduch s okolím (např. střední ucho Eustachovou trubicí)
• aby plíce nekolabovaly, musí vdechovaná směs přicházet pod zvýšeným tlakem
• zvýšený tlak zvyšuje hustotu plynu,
  proto ve 4 atm je třeba 2x větší práce dýchacích svalů na pohyb vzduchu dýchacími cestami (+potřeba hýbat vzduchem v přidaném mrtvém prostoru dýchacího aparátu [je třeba ho mít co nejmenší]);
  to může vést k retenci CO₂ (stejně jako zadržování dechu kvůli ušetření kyslíku) a potenciálně až k bezvědomí
  je to lepší při použití He místo N₂, protože má nižší hustotu
• vysoké PO₂ (např. v 40 m, 5 atm, je PO₂ při dýchání 21% O₂ podobné jako má 100% O₂ při 1 atm) (a to se lidi běžně potápějí i hloubš)
  - tvorba O₂ radikálů prudce roste a přemůže buněčnou obranu
  - námaha to zhoršuje
  • 60% O2 při 1 atm: OK i dlouho (dospělí)
  • PO2 nad 760 mmHg (100% O2 při 1 atm) pharyngitis, tracheitis po ~8 hod
  • pak dyspnea, zhoršená mentální aktivita
  • 100% O2 při >1.7 atm: podrážděnost, nausea, závratě, svalové záškuby a křeče, poruchy vidění, disorientace, bezvědomí
  • při delší (léčebné) expozici těžké plicní poškození (třeba na zabití baktérií vysokým PO₂ při lepře)
• dusíková narkóza: dusík při vysokém tlaku má účinky podobné alkoholu - žovialita, bezstarostnost, malátnost (vetšina potápěčů si poprvé uvědomí při cca 4-5 atm);
  důvody nejsou jednoznačně známy, asi rozpuštěním v buněčných membránách neuronů mění jejich vodivost (snižuje dráždivost);
  předejde se tomu použitím He místo N (5x menší narkotický účinek)
• dekompresní (kesonová) nemoc: při vynořování tvorba bublinek v krvi a tkáni supersaturovaných plynem rozpustěným během expozice vysokému tlaku (analogie s otevřením šampusu)
  - bolesti svalů, kloubů, v horších případech paralýza, kolaps, bezvědomí; dyspnea, plicní edém
  - až po delší expozici (několik hodin), protože dusíku při jeho špatné rozpustnosti to trvá dlouho, než saturuje tělesné tekutiny a zejména málo vaskularizovaný tuk (v němž se ho díky vyšší rozpustnosti rozpouští nejvíc)
  - pohyb to zhoršuje (jako zatřesení šampusem)
  - He mnohem lepší než N₂, protože se mnohem hůř rozpouští
  - léčba: rekomprese a velmi pomalá dekomprese v hyperbarické komoře, lze zrychlit hyperbarickým O₂
  • nedodává se žádný další N₂
  • zvýšený gradient N₂ mezi bublinkami a okolím
  • zvýšená difuse O₂ do ucpaných oblast

  - prevence: pomalé vynořování
  - při delším období hlubších ponorů někdy potápěči i na povrchu žijí v přetlakových nádržích
  např. po 1 hod v hloubce 60 m při dýchání vzduchu

Použití He místo N2:

• nižší hustota -> menší dechová práce -> menší retence CO2
  -> vyšší hlas -> možné problémy s komunikací
• menší rozpustnost -> menší narkotický účinek -> menší dekompresní choroba
• vyšší tepelná vodivostnost -> riziko podchlazení

Vysokotlakový nervový syndrom (HPNS):

• Pod 130 m
• Hyperexcitace nervů tlakem
  • třes rukou nausea, závratě
• Horší při rychlejším ponořování
• Omezují to tlumivé účinky N2 (ŇTrimixÓ)

Barotrauma:

• Změnou objemu plynu tam, kde se nevyrová tlak s okolím:
  • nosní dutiny
  • zubní kazy
  • střední ucho (při ucpání Eustachovy trubice)
  • střevní plyny
  • alveoly (pokud se při vynořování nevydechuje)

---

Gravitační přetížení

• Bouračky, pády z výšky, rakety (3-8 G), letadla
• G = násobek normálního gravitačního přetížení
• pozitivní přetížení ve směru od hlavy k nohám, negativní opačně
  
  
• Pozitivní podélné G: člověk vydrží v sedě 4 G asi 40-50 sec, 15-20 G asi 1 sec (ve stoje míň)
• při 2 G těžké končetiny, hůře se ovládají
• při 3-4 G nedaří se udržet vzpřímenou polohu, udržet otevřené oči je namáhavé, stejně jako dýchání
• při 4-6 G blackout za několik vteřin
• 20 G fraktura obratlů
• při +5G je tlak v žilách nohou 450 mmHg, to je hodně dilatuje, drasticky brzdí žilní návrat, proto tlak krve klesá k ~20 mmHg (přechodně, pak to částečně upraví baroreceptory), odkrvuje se mozek a sítnice- zšednutí zorného pole až ztráta vidění ("black-out")
  
• trochu pomáhá anti-G oblek (tlačí vodou na nohy a břicho)
  - ale nezabrání posunu srdce a bránice směrem k břichu
• Trénink: komprese břicha předklonem a stahem břišních svalů; zvýšení nitrohrudního tlaku
  
• Pozitivní příčné G: největší tolerance G je vleže (10-17 G až 3 min)
• nejvíce namáháno dýchání, hypoventilace
  
  
• Negativní G (hlavně při letecké akrobacii) - snáší se hůř než pozitivní
• vysoké tlaky v mozkovych cévách (i když proti působí stejným směrem centrifugovaný mozkomíšní mok - to ale není v oku, proto red-out)
• nával krve do sítnice, zčervenání zorného pole rychle následované ztrátou vidění ("red-out")
• otok obličeje, nebezpečí krvácení do mozku

• ---

  Beztíže

Hlavní vlivy působící při vesmírném letu:

• přetížení při startu a návratu
• beztíže
• radiace (ta ale třeba při letech Appolo byla menší než při rtg vyšetřeních; při delších letech horší)

Tři hlavní problémy s beztíží:

1. Vnímání gravitace
2. Přesuny vody
3. Kosti a svaly

Vnímání gravitace

Gravitace se nepociťuje jako volný pád - k tomu pocitu asi patří i visuální podněty a vnímání proudu vzduchu kolem padajícího

Syndrom adaptace na vesmír - forma mořské nemoci z nesouladu mezi visuálním, taktilními a gravitačními vjemy
- začíná po hodině až dvou dnech letu, může přetrvávat až 4 dny
- asi u 50% astronautů
- nechutenství, pocení, nevolnost, závrať, bolest hlavy, poruchy soustředění, nausea, zvracení
- odeznívá spontánně

Přesuny vody

• Voda se přesunuje zdola nahoru (hlava, hrudník)
  (každá noha ztrácí asi litr tekutiny - 10% objemu - během prvního dne)
  - napomáhá tomu zvětšení objemu hrudníku v důsledku ztráty jeho váhy
• Otok obličeje, nosní kongesce, "rýma" po celou dobu beztíže
• Větší objem krve v hrudníku zvyšuje tepový objem a srdeční výdej, ten ale posléze klesá protože nekativní svaly ho méně potřebují
• Glomerulární filtrace je během prvního týdne zvýšená o 20% (více vody v horní části těla zvyšuje tlak v aferentních arteriolách)
• Aldosteron klesá
• Objem plasmy tím rychle klesá o 10-20% a zůstává tak po celou dobu beztíže.
  - Normalizuje se poměrně rychle po návratu, nejdřív ale bývá ortostatická intolerance (pokles tepového objemu ve stoje, protože snížený objem krve se přesunuje do nohou)
• Dehydratace tkání
• Zvláštní forma anémie (objem erythrocytů klesá o 15% za 2 týdny, i když po 2 měsících se může téměř normalizovat):
  - Dehydratace vede nejdříve k relativnímu nadbytku erythrocytů, to zastaví erythropoesu
  - Krvinky jsou dokonce ne zcela jasným způsobem odbourávány
  - Hematokrit po návratu nejdříve dále klesá (protože se normalizuje objem plasmy), pak se během několika týdnů normalizuje
• Snížený objem krve - menší nároky na srdce - zmenšuje se velikost a výkonnost srdce.
  - Normalizace během pár týdnů po návratu
• Tyto změny se omezují cvičením a zvýšeným příjmem vody

Kosti a svaly

• Kosmonauti "povyrostou", protože na páteř nic netlačí směrem dolů
• Ztráta asi 1-1.5 % kostní hmoty (a kalcia) za měsíc po celou dobu letu,
  cvičení to nezastaví, jen trochu zpomalí
  zastavuje se až asi měsíc po návratu
  neví se zatím, jestli je zcela reverzibilní
• Osteolýza zvyšuje Ca²⁺ v plazmě, to zvyšuje riziko ledvinových kamenů
• Svaly atrofují a předělávají se z pomalých (na podporu váhy těla) na rychlé
  Ubývá myosinu, proteosyntéza klesá (přímý vliv beztíže - i jednotlivé svalové buňky v kultuře)
  Ve svalech ubývá cév a nervových zakončení

Psychologické faktory - malý prostor delší dobu, ponorková nemoc

Možná zhoršení imunity, neví se proč

Některé účinky beztíže se podobají delšímu upoutání na lůžko a/nebo stáří (poruchy spánku, úbytek kostí a svalů, horší motorická koordinace).

WWW zdroje:

• Článek o beztíži v Scientific American
• Článek o změnách kostí v beztíži na BioMedNet

---

Suché horko

• Typicky pouště (1/5 souše), ale i jinde
• Člověk se zřejmě vyvinul v aridních končinách
• Na slunečné pláži u moře je 4x víc radiace (odražené) než na louce
• Termoregulace řízena hypotalamickými centry (přední-odpověď na teplo, zadní na chlad)
  (senzory teploty krve v hypotalamu a velkých cévách, sympatická kontrola periferních arteriol a sympatická cholinergní kontrola potních žláz)
• Ztráty tepla vedením, vypařováním, radiací (podtržené lze fyziologicky ovlivnit, kurzívu lze částečně modifikovat pohybem a změnami teploty kůže):
• Tepelná ztráta vedením ~ (teplota povrchu kůže - teplota okolního vzduchu) / odpor okolního vzduchu a oděvu k přechodu tepla
• Tepelná ztráta vypařováním ~ vlhkost kůže * (tlak vodní páry při teplotě kůže - tlak páry okolního vzduchu) / odpor okolního vzduchu a oděvu k průchodu páry
• Ztráta tepla vyzařováním je velmi komplexní, nedostatečně matematicky popsána
• Změny teploty kůže pro regulaci málo využívány
• Vlhkost kůže je hlavním mechanismem (transpirace vody z hlubších vrstev může dopravit na povrch pouze ~50 ml vody za hodinu, což odvede cca 30 kcal/hod, 15 kcal/hod odvede vypaření respirace, o zbytek tepelné produkce - 80-600 kcal/hod - se musí postarat vypařování potu)

• Ztráta tepla vypařováním respirace málo významná (na rozdíl od většiny homoiotermních živočichů), minimální zrychlení respirace při náhlé silné expozici teplu
• Zmenšení tepelné produkce snížením aktivity je až druhou obrannou linií
• Periferní vazodilatace musí být kompenzována zvýšením srdečního výdeje, cirkulujícího objemu, a/nebo vazokonstrikcí jinde

- srdeční frekvence roste zejména u neadaptovaných

• Vodní a elektrolytová rovnováha

- aktivní člověk může v poušti ztratit 8-12 l vody za den potem, 0.5-1 l močí a 0.75 l respirací; doplnění ztrát pitím nemusí být úplné - pak klesá diuréza a houstne krev - sklon k ledvinovým kamenům a kardiovaskulárním potížím (thrombózy)

- deficit se vyrovnává snížením cirkulujícího objemu, dehydratací intracel. prostoru a nakonec buněk (svaly a podkoží snadněji než nervy)
- Koncentrace CHLORIDU v potu roste s množstvím potu [proto je dobré pro jistotu příjem zvětšit (7-14 g/den)]
a je snížena aklimatizací na úroveň (10-15 g/den) která odpovídá horní mezi obvyklého Euroamerického příjmu potravou,
to je jedním z hlavních mechanismů aklimatizace, zpostředkováno aldosteronem

Adptace člověka asi po 10-14 dnech (první 4 dny přehřívání i při intenzivním pocení) - hlavně víc potu s míň Cl^-

• Méně krve do střev - zmenšená motilita - zmenšený apetit a zácpa (časté)
  

SELHÁNÍ ADAPTACE:

• Křeče z tepla

  - z nízké koncentrace NaCl v krvi (neví se proč, ale doplnění NaCl je jediná účinná léčba) (NaCl se může naředit zvýšeným pitím vody)

  - břišní mohou připomínat NPB, v nohách připomínají křeče z únavy
  

• Hyperthermie

  - přehřátí pro nedostatečnost termoregulace (omezení ztrát tepla, moc horko, špatná ventilace, poškození termoregul. center); pocení ustává

  - přehřátí zvýší metabolismus, což zhoršuje přehřátí

  - nejháklivější jsou nervy -> selhání thermoregulačního centra v hypothalamu -> ustává pocení

  - podrážděnost, nausea, bolest hlavy, bezvědomí, stupor, smrt

  - pomoc: ochlazení (nejlépe ledem, protože jemnější odvod tepla z těla může být negován povrchovou vazokonstrikcí)
  

• Oblečení do horka:

  - omezit tvorbu tepla: lehkost, neomezovat pohyb, funkčnost, ne těsné

  - omezit příjem tepla radiací: isolace

  - umožnit ventilaci

Více o termoregulaci najdete zde.

---

Vlhké horko

• po celém světě je v deštném pralese (30 % souše) poměrně málo domorodců, pravděpodobně tam zahnáni úspěšnější konkurencí
• typicky v deštném pralese malé variace teploty okolo teploty kůže, humidita 70-100%, žádny vítr, ale málo přímé sluneční radiace
• přizpůsobení na vlhké horko mnohem obtížnější než na suché, hlavně proto, že pocení je neúčinné

---

Chlad

• zvýšený svalový tonus (více tepelné produkce)
• třes - klíčový;
  současné záškuby antagonistických svalů,
  zvýší tvorbu tepla 2-3x
  při adaptaci se víc třesou svaly uvnitř těla, což přispívá k efektivnějšímu ohřívání jádra
• netřesová termogeneze v hnědém tuku (děti) a možná v kosterních svalech
  zvýší tvorbu tepla 2-3x
  rozvíjí se při adaptaci na zimu
  odpřažení oxidativní fosforylace působením noradrenalinu a (méně) thyroxynu
• vazokonstrikce v kůži redukuje ztráty tepla (nebezpečí omrznutí brání periodická vasodilatace - "hunting phenomenon" - nejasný mechanismus)
• izolace: "teplost" oblečení, tedy jak snižuje teplotní gradient u povrchu kůže, závisí na množství nehybného vzduchu chyceného v oblečení; do extrémního chladu je dobré:

  -síťový nátělník (znehybňuje vzduch u kůže)

  -spodní prádlo volné místo těsné a s dírou na defekaci bez nutnosti se celý svlíct

  -bunda může mít "ocas" který se dá provléct mezi nohama a zapnout vpředu na ochranu genitálií

  -3-4 rukavice (2 vrchní palcáky)

  -vršek musí být odolný větru, ale přitom dovolovat perspiraci (nejlíp Goretex)

  -chránit i obličej a oči

• kdyby perspirace nemohla unikat, zmrzla by -
  voda a led mají 240x větší tepelnou vodivost než nehybný vzduch,
  tj. tělo musí dodat mokrému nebo zmrzlému oděvu alespoň 240x víc tepla než suchému, aby byl pocit tepla na povrchu kůže stejný;
  z tohohle důvodu je nutné dobře oblečení větrat během svalové námahy a zapnout přesně až se zvýšená persirace vyvětrá ale předtím než se tělo začne ochlazovat
• je nutná aktivita, při velké zimě izolace nestačí (intezivní práce zvýší produkci tepla cca 10x vs. třes jen 3x)
• hodně studený vzduch je suchý - ztráty vody respirací, třeba doplňnovat
• zvýšená diuréza neznámým mechanismem

Podchlazení

• 20-30 min v ledové vodě bez pomoci fatální (teplota těla spadne na cca 25 stupňů) - arytmie, srdeční selhání
• Na horách pozor na záměnu s výškovým edémem mozku - podobné příznaky, bez kyslíku a sestupu fatální
• Mělo by se vyloučit u pacientů se změněnou psychikou nebo arytmiemi
  
  
  • Pod 35C (teplota jádra) - svalová slabost (t.j. zhoršená tvorba tepla aktivitou i třesem), thermoragulační schopnost hypothalamu vážně narušena
  • Pod 34C - zmatenost, bezvědomí
  • Pod 28C - srdeční zástava nebo fibrilace
    • ale je slušná šance to přežít, protože tkáně mají minimální spotřebu kyslíku
      • nepřestávat s resuscitací moc brzo
      • neohřívat povrch těla moc agresivně (kožní vazodilatace by ohrozila přívod krve do důležitějších orgánů)

Hypothermie snazší ve stáří (menší citlivost na změny teploty, menší pohyblivost) a u novorozenců, zejména nedonošených (relativně velký povrch, nezralý mechanismus svalového třesu)

Omrzliny

• Zmrznutí tkáně
• Při rozsáhlé tvorbě ledových krystalů je poškození ireverzibilní - gangréna
• Částečně tomu brání tzv. "hunting phenomenon" (periodická přechodná kožní vazodilatace)

 Více o termoregulaci (a jejích poruchách) najdete zde.

Umělá (therapeutická) hypothermie

Paralýza thermoregulačního centra silnou sedací, pak ochlazování

32C lze udržovat až i několik týdnů, tkáně vydrží kolem hodiny bez průtoku krve - použití pro chirurgii na zastaveném srdci

WWW odkazy k hypotermii:

• Hypothermia Treatment Technology Web Site

---

Hladovění

částečné -- úplné -- jen některé složky
např. válka, dobrovolně, nemoc, třetí svět

člověk přežije úplný hlad 17-74 dní (dost záleží na teplotě prostředí), ženy odolnější (mají víc tuku) (74 dní je rekord)

• snížení aktivity, apatie
• snížení celkového metabolismu (zmeněením aktivních orgánů, např. jater, snížením tyroxinu)
• ubývání tuku (ale nezmizí nikdy úplně všechen)
• rychlá deplece (poměrně malých) zásob cukru
• více ketolátek v krvi a dechu (snížená aktivita pentosové dráhy)
• počáteční úbytek váhy je hodně (~50%) úbytkem vody v důsledku ztráty elektrolytů vyvažujícímu ztráty proteinů
• projevy nedostatku vitamínů
• bradykardie (z 55 na 37 tepů/min), hypotenze (systol. z 106 na 95 mmHg), snížený srdeční výdej (až o 45%!)
• podstatně snížená aktivita hypofýzy (pseudohypofysektomie) a proto i závislých endokrinních žláz, méně thyroxinu
• snížená tělesná teplota (0.5-1^oC), zvýšená citlivost na chlad
• často amenorhea, snížené libido

Výborná kniha na toto téma je Life at the Extremes od Frances Ashcroft.