FYSIOLOGIE TERMOREGULACE

Václav Hampl

Moje poznámky k přednášce (kterou letos nepřednáším) mírně upravené pro WWW. Dotazy či připomínky e-mailem.

1. Úvod

• Poikilotermové: v laboratorních podmínkách je teplota těla úměrná teplotě prostředí, v přírodě většinou ne díky chování (aktivita, úkryty, migrace, sluníčko/stín, noc/den)
• Včely regulují teplotu v úlu - seskupování a pohyb v zimě, víření křídly v horku
• Receptory na teplotní změny až teprve u plazů (v hypothalamu)
  
• Homoiothermové: teplota těla je v širokém rozmezí relativně stálá
• kolísá: -během dne
  -podle námahy
  -podle okolí

  -v menstr. cyklu apod.

• Teplota různých částí těla se může lišit velmi značně (scrotum přesně regulováno lokální vazomotorikou a pocením a m. cremaster)

• Rozdíly mezi druhy: -slon, velryba ~36°C

  -člověk ~37°C

  -krysa ~40°C

  -ptáci až ~43°C

• Co je regulovanou veličinou není přesně jasné (kombinace teploty mozku a těla, obsah tepla?)
• Celkové schéma thermoregulace (obr.)
• Jedna z nejvyšších účinností mezi fysiologickými regulačními mechanismy (teplota těla se mění cca o 1^oC na každých 30^oC změny teploty okolí)
• Člověk a steak na 20 min do suché sauny 130 ^oC, člověk OK, steak well done
• Rezistence na přahřátí je menší než na podchlazení (u člověka smrtelné zvýšení teploty o ~5 ^oC, snížení o ~10 ^oC)
• Termoneutrální zóna = teplota okolí při níž není potřeba k udržování žádoucí teploty těla termoregulačních mechanismů (je nižší než teplota těla kvůli bazálnímu metabolismu)

---

2. Fyzika

• Sálání: infračervené elektromagnetické vlnění (5-20 mikrometrů) vyzařované vším, co není absolutní nula (tedy důležitý pro nás je rozdíl mezi tím, co jde od nás pryč a od okolí k nám)

  -proto lze cítit zimu v teplé místnosti se studenými stěnami

• Vedení (kondukce): Předávání kinetické energie molekul jednoho objektu molekulám druhého objektu (prostředí) vzájemným narážením
• Vedení do okolního vzduchu je relativně selflimiting tím, že se bezprostřední nejbližší vrstvička ohřeje,

  -to se může zvětšit oblečením,

  -je to mnohem horší ve vodě (voda pojme mnohem víc tepla než se ohřeje a vede teplo líp než vzduch)

• Proudění (konvekce): Odvádění ohřátých (ochlazených) molekul prostředí (je vždycky aspoň trochu díky stoupání ohřátého vzduchu)
• Vypařování: "topení pod kotlem parní lokomotivy", jediný mechanismus který zbývá, když je okolí teplejší než kůže (ostatními mechanismy se pak teplo naopak přijímá)
• Tepelná kapacita závisí na objemu, tepelné ztráty na povrchu, proto mrňata (relat. velký povrch) termoregulují obtížněji

---

3. Thermorecepce

• Recoptory (zvlášť na teplo a zvlášť na chlad - stejný mechanismus, ale rozdílná teplotní citlivost) jsou v kůži, přední (preoptické) části hypothalamu a ve vnitřních orgánech (asi v cévách)
• V kůži hlavně volná nervová zakončení
• Mnohé mozkové thermoreceptory odpovídají i na změny osmolarity a krevního tlaku (tím se brání jejich přílišným změnám v důsledku termoregulačních dějů)
• Chladové receptory jsou blíž k povrchu epidermis než teplové (kratičký paradoxní pocit chladu při velkém ohřevu kůže)
• Mozkové thermoreceptory se morfologicky neliší od okolních buněk

3.1 Vlastnosti thermoreceptorů:

• Vykazují spontánní frekvenci vzruchů závislou na teplotě:

• Velikost odpovědi úměrná velikosti (vlevo) a rychlosti (vpravo) tepelné změny:

• Vrcholy statické a dynamické senzitivity při stejné teplotě, ale rozmezí je širší u dynamické

3.2 Lokalizace thermoreceptorů

• V kůži nerovnoměrně v chladových a teplových bodech
• V kůži je chladových cca o řád víc než teplových (v mozku je poměr obrácený, 1/3)
  -obličej ~20/cm² (nejvíc kolem oka, nosu, rtu, vnitřní okraj ucha)

  -ruka 7-9/cm²

  -trup 3/cm²

• V obraně proti chladu je důležitejší teplota kůže, proti teplu teplota hypothalamu
• Viscerální receptory obvykle malý význam, protože se jejich teplota mění poslední

3.3 Percepce tepla a chladu

• Prostorovou sumaci zajišťuje hypothalamus (práh vnímání změny teploty je vyšší než práh citlivosti thermoreceptorů, čili aby nám začalo být zima, musí být zima většímu množství receptorů)
• Vnímáme pouze změny teploty periferie, nikoliv útrob či mozku
• Komfortní zóna: rozsah teplot, kdy pociťujeme teplotní komfort (~32-35°C nahý bez pohybu) vs. thermoneutrální zóna (thermoregulační mechanismy nejsou aktivní)
• Habituace (odeznění pocitu chladu/tepla po určité době, tj. posun termokomfortní zóny) (versus adaptace ~ posun thermoneutrální zóny)
• Pocit bolesti při teplotě kůže nad 43°C a pod 17°C
• Pocit chladu/tepla ovlivňuje výchozí teplota kůže, velikost a rychlost tepelné změny a velikost části kůže, které se to tyká:

• Čím pomalejší změna, tím musí být větší, aby byla vnímána (proto může člověk velmi pozvolna prostydnout a umřít)

---

4. Centrální regulace

• Přední (preoptický) hypothalamus - smyslové (hl. teplo) a integrační centrum
• Zadní hypothalamus (bilaterálně) - výkonné centrum
• Termoneutrální zóna je rozmezí teplot prostředí ve kterých nejsou termoregulační mechanismy v činnosti - kolem 30 stupňů, u arktických zvířat může jít díky izolaci až do -50
• Meziprahová (interthreshold) zóna: mezi prahem pro třes (39^oC v hypothalamu) a pro pocení (41^oC v hypothalamu) (vs. termoneutrální zóna je rozmezí teplot prostředí)

• Rozšiřuje se při anestézii, posunuje se k vyšším teplotám při horečce a k nižším teplotám při spontánní periodické hypothermii (rekurentní, centrální, bez známé příčiny, klinické příznaky hypothermie, snad něco jako epilepsie termoregulačního centra)

• Signály z periferních termoreceptorů ovlivňují práh hypothalamického integračního centra a tím vlastně dopředu zabraňují změnám periferní teploty

• Vztah pro periferní vazodilataci je skoro stejný jako pro pocení
• Thermoregulace se zhoršuje při spánku
• Kooperace s regulací tlaku - při dlouhém velkém teple dehydratace, pokles tlaku, aktivace baroreceptorů, periferní vazokonstrikce kompetuje s teplotní vazodilatací a produkcí potu (hyperosmolarita taky přímo zhoršuje tvorbu potu)

5. Efektorová složka

5.1 Změny chování

• Úkryt, migrace, choulení, zvýšená či snížená aktivita
• Jediná možnost pro poikilothermy, velmi důležité pro lidi

5.2 Izolace

• Piloerekce v zimě
• Kožní vazodilatace/vazokonstrikce (chladic těla) (od cca 5 do 30% srdečního výdeje) působením termoregulačního centra na sympatické vazokonstrikční centrum v zadním hypothalamu

• Podkožní tuk (vede teplo 3x hůř než ostatní orgány)

5.3 Produkce tepla

• Vedlejší produkt metabolismu a pohybu (cca 80 % energie na svalovou kontrakci skončí jako teplo)
• Potrava se liší podle množství tepla, které udělá (např. koním se v horku nemá dávat seno nýbrž oves)
• Většina tepla je produkována hluboko v těle, proto se musí krví odvádět na povrch

5.3.1 Třes

• Hlavní mechanismus obrany proti chladu
• podmiňuje vývoj homoiothermie (poikiolothermové ho nemají, u ježury a ptakopyska nedokonalý)
• Primární motorické centrum třesu v dorzomediální části zadního hypothalamu je normálně inhibováno termoregulačním centrem v preoptické oblasti
• Nesynchronizované rytmické záškuby současně flexorů a extenzorů, které nevedou ke změně polohy (nejdřív nespecificky roste tenze všech svalů, třes je pravděpodobně důsledkem reflexního mechanismu svalového vřeténka)
• třesou se prakticky všechny svaly (kromě okulárních, rektálních, střední ucho), ale ne všechny stejně
• inhibuje ho pohyb a bolest
• zvýší produkci tepla až 3x
• aby to mělo cenu, snižuje se prokrvení kůže (současně se zvýšeným prokrvením svalů)

5.3.2 Netřesová termogeneze (NST = non-shivering theromgenesis)

• Může za ní thermogenní účinek noradrenalinu ze sympatiku v BAT (hnědý tuk) a (snad i částečně v kosterních svalech)

• charakteristická pro postnatální stav
• U dospělých jen asi do 10 kg tělesné váhy
• Zvýší produkci tepla asi 2x
• Adrenalin má taky termogenní účinek, ale jiný než noradrenalin (odstranění BAT ho neovlivní, snad stimulace Na/K pumpy), a to i u velkých zvířat, kde noradrenalin účinek nemá
• Thyroxin zvyšuje produkci tepla asi o 50% ve všech orgánech, ale nabíhá to několik týdnů a taky pomalu odeznívá (nespecifická stimulace proteosyntézy, zvýšená aktivita Na/K pumpy spojená se zvýšenou propustností pro tyto ionty), potencuje účinek NA. V zimě ho přibývá
• Mechanismus: Betareceptory - adenylcykláza - cAMP - proteinkináza A - aktivace lipázy - stěpení tuku na glycerol a mastné kyseliny, ty se mění na acetylCoA, ten vytěsní GDP z jeho normální pevné vazby na thermogenin (existuje pouze v BAT), jehož protonový kanál se tím otevře (obr.)

  -Za normálních podmínek není při malé spotřebě ATP dostatek ADP, to zastaví ATPsyntázu, tedy se H⁺ neodebírají z vnější strany vnitřní mitochondriální membrány a to posléze zbrzdí respirační řetězec. Proto otevření thermogeninu umožňuje kontinuální produkci tepla respiračním řetězcem.

• NST ve svalu zahrnuje "zbytečné" uvolňování Ca²⁺ ze sarkoplazmatického retikula prostřednictvím ryanodinového kanálu a jeho zpětné pumpování, což vyžaduje spoustu ATP (mutace ryanodinového kanálu zodpovídá za vrozenou maligní hypertermii) [Sutko, 1996]

5.4 Tepelné ztráty

5.4.1 Nepozorovatelné vypařování (perspiratio insensibilis)

• pasivní neregulovatelný děj
• asi 0.5 l/den (1/4 klidového tepla v normálních podmínkách)

5.4.2 Pocení

• Relativní význam se zvyšuje s okolní teplotou
• účinnost závisí na vlhkosti okolí
• Potní žlázy: celkem 2.5 milionu, cca 200/mm² na dlani, 10-20 na trupu
• V hlubší smotané části se dělá primární sekret podobný plasmě bez proteinů, cestou přímou částí se reabsorbují Na a Cl a v důsledku zvětšení osmolarity i voda, to je víc při nízkém pocení, kdy je pak v potu větší koncentrace ostatních složek (močovina, draslík)

• Bez aklimatizace asi 700 ml potu za hodinu (15-30 g NaCl/den), po 1-6 týdenní aklimatizaci až 2 litry za hodinu (3-5 g NaCl/den) díky zvýšenému aldosteronu
• Sympatická cholinergní inervace

5.4.3 Dýcháním

• U člověka asi 1/4 klidové tepelné produkce v normální teplotě, nepodléhá termoregulaci
• U řady druhů je polypnoe velmi důležitým termoregulačním efektorem
• Nepravá - hrdelní vibrace ptáků (výměna vzduchu jen v dýchacích cestách)
• Pravá - zrychlené, ale mělké dýchání (frekvence se zvýší ~5x víc než ventilace)
• Evolučně staré (plazi)
• Oteplování vzduchu plus vypařování vody (u ovce až 10x víc než pocením)

5.4.4 Salivace

• Lízání srsti, např. krysy

6. Abnormality

6.1 Horečka

• Fylogeneticky velmi stará (i bezobratlí), u poikilothermů změnou prostředí
• Přestavení regulačního prahu k vyšším teplotám působením pyrogenů
• IL-1 je endogenní pyrogen z monocytů a makrofágů (v odpověď na bakteriální toxiny apod.), působí asi prostřednictvím prostaglandinů (účinek aspirinu)
• Nejdříve se pociťuje chlad, protože centrum vnímá normální nebo zvýšenou teplotu jako chlad, proto vyvolává kožní vazokonstrikci, tím se kůže ochladí a to stimuluje kožní chladové receptory
• Zlepšuje přežití infekce (pokus s infikovanými jestěrkami drženými v prostředích o různých teplotách [jestěrky si horečku udělají tak, že vlezou někam, kde je teplejc]):

• Čím to je?: -zvýšená pohyblivost neutrofilů (fagocytují infekci)

  -zvýšená produkce a protivirová a protibakteriální účinnost interferonu

  -zvýšená proliferace T buněk

6.2 Přehřátí

• Když se dosáhne limitu odvodu tepla (např. společenské důvody, koncerty apod.), hypothalamus se začne přehřívat a tím ztrácí schopnost regulovat teplotu - začarovaný kruh
• neurologické příznaky, malátnost, bezvědomí
• Pouze pár minut velmi vysoké teploty může být fatální rovnou anebo po několika dnech v důsledku selhání poškozených orgánů (játra, ledviny)
• Je možné, že SIDS (syndrom náhlého úmrtí novorozenců) je vlastně důsledek (hl. lokálního mozkového) přehřátí (děti se SIDS víc nabalené a víc se jim topí)

6.3 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
• Někde pod 28^oC ustává schopnost regulace teploty a spontánního návratu
• Měla by se vyloučit u pacientů se změněnou psychikou nebo arytmiemi

6.4 Omrzliny

• Zmrznutí tkáně
• Při rozsáhlé tvorbě ledových krystalů je poškození ireverzibilní - gangréna
• Periodická krátká kožní vazodilatace tomu trochu brání

6.5 Umělá hypothermie

• Silné sedativum na potlačení hypothalamického thermoregulačního centra
• Člověk v pohodě snáší 24-21 stupňů, ale možno i pod 0 ^oC (hluboká hypotherime, hlavně pro jednotlivé orgány pro transplantaci)
• Časté pro srdeční operace - bradykardie, malý nárok tkáně na kyslík, malé krvácení díky nízkému tlaku krve

6.6 Alkohol

• Zhoršuje obranu proti teplu i chladu
• Periferní vazodilatace rychleji odvádí teplo, přitom dává pocit tepla ohřátím kožních receptorů

7. Ontogeneze

• fétus dělá až 2x víc tepla (per kg) než dospělý, přitom je ve velmi teplém prostředí
• zejména mozek velmi citlivý na hypertermii
• 85% odvodu tepla placentou, zbytek vedením přes děložní stěnu
• fetální teplota sleduje teplotu matky, akorát je o 0.5 stupne vyšší
• F-M gradient se snižuje při zvýšení teploty matky (cca na 0.2) zřejmě placentární vazodilatací (uterus odpovídá na teplo stejně jako kůže)
• není tomu tak při horečce, nejspíš vazokonstrikce při počáteční fázi horečky se týká i uteru
• zima není takový problém, F-M gradient stoupá
• Narození je velký chladový insult - zima plus vypařování fetálních tekutin, pokles teploty o několik stupňů - třes, NST
• je možné, že NST v BAT souvisí s krmením kojenců: postupné prochládání - zapojí BAT prostřednictvím sympatiku, tím se vzbudí a začne ječet a klesne mu glukosa, nají se, ohřeje se, přestane jíst
  
• Zhoršená termoregulace ve stáří - horší vazomotorika, větší úmrtnost při zimě i vedru - obojí je kardiovaskulárně náročné. Někteří staří ani nemaj horečku

---