Termoregulace doc. MUDr. Miloslav Franěk, Ph.D.
Úvod • klasický příklad fyziologického regulačního mechanismu • teplota jádra u člověka bez horečky stabilní (± 0,5°C) – nemění se ani v závislosti na t okolí (12-54 °C)
• teplota kůže se mění (nutné pro termoregulaci)
Normální teplota jádra • není u každého stejná • měřeno v ústech: 3637.5°C • za průměr se považuje 36.6-37°C, rektálně o 0.6°C více • extrémní teplo (fyzická námaha) : 40°C, extrémní zima pod 35.5°C
Rovnováha mezi produkcí a ztrátou tepla I • produkce tepla - vedlejší produkt metabolismu: – bazální metabolismus – svalová aktivita (včetně třesu) – metabolismus aktivovaný tyroxinem (testosteron, růstový hormon) – metabolismus aktivovaný sympatikem (adrenalin, noradrenalin) – metabolismus aktivovaný zvýšenou chemickou aktivitou v samotných buňkách
Rovnováha mezi produkcí a ztrátou tepla II • ztráta tepla • teplo vzniká v orgánech (svaly, játra), proniká do kůže a z ní se ztrácí • ztrátu tepla proto určuje: – rychlost vedení tepla z hloubky do kůže – rychlost ztráty tepla z kůže
• tepelný izolátor
Tepelný izolátor • kůže, podkoží a podkožní tuk izolují (na 1/3), srovnatelné s oblečením • zabraňuje oboustranným ztrátám tepla za cenu velkých výkyvů teploty kůže • izolátor „porušují“ krevní cévy – nosiče tepla
Kožní cirkulace • arteriovenózní anastomózy na rukou, nohu, uších • podkožní venózní plexus
Regulační funkce kožní cirkulace • do plexu nemusí téci nic nebo až 30% srdečního výdeje – obrovská schopnost regulace • 8 násobné zvýšení tepelné vodivosti při plné vazodilataci (sympatikus, hypothalamus)
Protiproudý mechanismus
Fyzikální základ • •
0°C = 32 F = 273.15 K 37°C = 98.6 F
•
ztráta tepla: 1. záření (radiace) 2. vedení (kondukce) 3. odpařování (evaporace)
Mechanismy ztráty tepla
Záření (radiace) • nahý člověk při pokojové teplotě ztrácí 60% tepla radiací • infračervené záření (5-20 um) • září všechna tělesa, která nemají 0 K, proto může teplo jít do těla i z těla
Vedení (kondukce) • předávání tepla kontaktem s pevnými předměty (minimum), do vzduchu ale kolem 15 % • teplo - kinetická energie vibrujících molekul – se předává studenějšímu vzduchu, ten se tím zahřeje a proudí (konvekce)
Proudění vzduchu (konvekce) • nejprve kondukce (kůže-vzduch), pak konvekce • vítr: vzduch proudí pryč dříve a je nahrazen studeným, a proto jsou ztráty tepla podstatně větší – ztráta tepla úměrná přibližně 2.mocnině rychlosti větru (4m/s 2x účinnější než 1m/s)
Voda • mnohokrát vyšší tepelná kapacita – absorbuje mnohem víc tepla než vzduch • proto i obrovské ztráty kondukcí a konvekcí • není možné vytvořit „izolační vrstvu“ vody (u vzduchu ano), a proto ztráty tepla mimořádně velké
Evaporace (odpařování) • 1 gram vody odebere 0.58 kcal • pocení • perspiratio insensibilis (i plíce): 450-600 ml denně (12-16 kcal za hodinu, až 384 kcal denně) – nelze nijak regulovat
Vysoké teploty • radiace ani kondukce nepomohou, naopak, klíčová role evaporace • lidé s vrozeným defektem potních žlaz: – nízké teploty zvládají normálně – při vysokých mohou i zemřít – teplota jádra se jim radiací a kondukcí zvyšuje
Ztráty tepla - shrnutí 22%
15%
60% 3%
radiace kondukce konvekce evaporace
Oblečení • izolační vrstva vzduchu • normální oblečení sníží ztráty na polovinu, arktické na šestinu • polovina tepla z kůže do oblečení radiací, proto zlatá folie teplo zachová • mokré oblečení funkci ztrácí – 20x zvýšená ztráta tepla
Pocení a jeho regulace • přední hypothalamus (tepelná nebo elektrická stimulace) – autonomní dráhy do míchy – sympatikus do kůže • cholinergní inervace, ale A a NA kupodivu potní žlázy stimulují také (význam při cvičení)
Mechanismus sekrece potu • žláza (primární pot) a vývod • primární pot – podobný plazmě bez proteinů (Na 142, Cl 104) • reabsorpce v duktu
Složení potu • závisí na rychlosti sekrece: • slabá stimulace – pomalá sekrece – vysoká reabsorpce Na a Cl (až k 5 mmol/l), tedy i vody – tj. velmi vysoká c urey, laktátu, draslíku • silná stimulace – rychlá sekrece – Na a Cl 50 mmol/l, hodně vody – tj. nízká c urey (2x plazma), laktátu (4x), draslíku (1.2x) • nutnost aklimatizace
Aklimatizace • neaklimatizovaný člověk: do 1l/h • aklimatizace (týdny) – profúzní pocení až 3 l/h (podstatně efektivnější ochlazování) • aldosteron – pokles Na a Cl v potu – neaklimatizovaný ve vedru: ztráta až 15-30g NaCl denně, po několika týdnech 3-5g
Panting (funění) • zvířata nemají potní žlázy nebo mají kožich – teplo musí vylučovat i jinak • centrum funění spojeno s pneumotaxickým centrem v pontu • přísun chladného vzduch z okolí, evaporace tekutiny a slin z jazyka • ventilace se nemění – mrtvý prostor
Regulace tělesné teploty • okolí 12-54°C: teplota jádra stabilní (okolo 37°C) • nervová zpětná vazba • přední hypotalamus, periferie, zadní hypotalamus
Hypotalamické centrum • v přední hypotalamické-preoptické oblasti množství termosenzitivních neuronů (2/3 reagují akčními potenciály na teplo, 1/3 na chlad) • termoda • zahřátí této oblasti: okamžité profúzní pocení, masivní dilatace kožních cév, inhibice tvorby tepla
Detekce na periferii • povrchové: tepelné a chladové (10x víc) receptory v kůži, při ochlazení okamžitý reflex: – třes, inhibice pocení, kožní vazokonstrikce
• hloubkové: stejné rozložení i v míše, břišních orgánech a kolem velkých žil: registrace teploty jádra • hlavním úkolem je prevence hypotermie
Zadní hypothalamus • integrační centrum: bilaterálně na úrovni corpora mammilaria • informace z přední hypotalamické-preoptické oblasti i z periferních senzorů • vyhodnocení a odpověď: tvorba nebo šetření nebo odevzdávání tepelné energie
Efektorové mechanismy •
poté, co hypotalamické centrum rozhodne o stavu organismu, spouští se: 1. mechanismy snižování teploty nebo 2. mechanismy zvyšování teploty
Když je teplota vysoká… 1. Vazodilatace kožních cév: 8x zvýšení přísun tepla do kůže, inhibice sympatických center v zadním hypothalamu, téměř na celém těle 2. Pocení: nastupuje při 37°C, velmi efektivní 3. Pokles v produkci tepla: silná inhibice třesu a chemické termogeneze
Evaporace x třes
Když je teplota nízká… 1. Vazokonstrikce kožních cév: stimulace sympatického centra v zadním hypothalamu, také téměř všude 2. Piloerekce: sympatikus na musculi arrectores, u člověka malý význam, „izolační vrstva vzduchu“ 3. Zvýšená termogeneze: 1.třes, 2. sympatikus, 3.tyroxin,
Hypothalamus a třes • v dorzomediální části zadního hypotalamu primární motorické centrum třesu • normálně inhibováno termickým centrem z předního hypotalamu • při chladu aktivováno periferními senzory – kmen – mícha – motoneurony • impulsy nemají rytmus, pouze zvyšují tonus – když přesáhne kritickou hranici – třes • až 5x vyšší produkce tepla než v klidu
„Chemická“ excitace sympatikem • A a NA zvyšují oxidaci živin a uvolnění tepla, ale ne vznik ATP: uncoupled oxidace • probíhá především v hnědém tuku (speciální mitochondrie) • významná aklimatizace, po ní až 5x efektivnější tvorba tepla (potkan) • člověk málo hnědého tuku, proto zvýšení produkce tepla jen o 15 %, u dětí o 100 %
Tyroxin • ochlazení předního hypotalamického centra: sekrece TRH • pomalé, až po několika týdnech zimy se produkce T3 a T4 významně zvýší • u lidí proto význam sporný • ŠŽ se zvětšuje, možná i proto je toxická struma častější u lidí žijících v chladném klimatu
Kritický „set-point“ • 37,1 °C je zásadní teplota, kterou se snaží organismus udržet i za cenu značných výdajů (energie, sůl, voda)
Zpětná vazba • síla zpětné vazby:
Tenvir FG 1 Tcore
• u termoregulace kolem 27, což je extrémně mnoho (baroreflex 2)
Nastavení „set-pointu“ pro pocení • v předním hypothalamu, ale modulováno i periferními senzory • anticipace
Nastavení „set-pointu“ pro třes
Behaviorální kontrola • významná u zvířat, ale u člověka kupodivu také • ve velkém chladu je to jediný mechanismus zabraňující poškození organismu • klíčová po poranění krční páteře, lokální reflexy samy nestačí
Lokální kožní reflexy • • • •
ruka pod lampou nebo ve studené vodě místní pocení a reakce cév přímé působení na cévy + míšní reflexy intenzita kontrolována hypotalamem
Horečka • teplota zvýšená nad normu • infekce, mozkové nádory, environmentální příčiny
Pyrogeny • látky schopné změnit nastavení set-pointu • proteiny, rozpadové produkty proteolýzy, lipopolysacharidy • bakteriální toxiny, produkty rozpadu tkání • změna nastavení set-pointu následována mechanismy tvorby tepla (několik hodin)
Změna set-pointu
Mechanismus účinku pyrogenů • některé přímo v hypotalamu, ale většina nepřímo (endotoxiny) • po fagocytóze produkují leukocyty interleukin 1 – endogenní pyrogen • ten v hypotalamu do 10 min zvýší teplotu, stačí několik ng • asi také nepřímo, přes PgE2 - KAS
Mozkové léze • mechanické stimulace hypotalamu – hypo- i hypertermie • neurochirurgie, tumor • změna set-pointu
Zimnice a „flush“ • doba, kdy set-point neodpovídá teplotě těla • zimnice: pocit chladu, studená kůže (vazokonstrikce), třes • flush: horko, pocení, vazodilatace
Úžeh • člověk vydrží několik hodin 55 °C na suchém vzduchu, 34 °C při 100% vlhkosti a 29-32 °C při těžké práci • stoupne-li teplota těla na 40°C – úžeh: zvracení , zmatenost, delirium, ztráta vědomí, oběhový šok • několik minut extrémní teploty může být fatální: poškození mozku – poškození jater a ledvin může způsobit smrt i po několika dnech po úžehu
• lokální chlazení možná lepší než celkové (třes)
Aklimatizace v horku • vojáci v tropech, horníci v Jižní Africe (100% vlhkost, teplota skoro 37°C) • aklimatizace několik týdnů • větší objem krve, větší pocení, omezení ztrát sodíku potem a močí - aldosteron
Extrémní chlad • 20-30 minut v ledové vodě fatální (zástava srdce), teplota těla 25 °C • pokles pod 34°C nebezpečný – nízká tvorba chemického tepla, spavost, koma (není třes) • arteficiální hypotermie: srdeční operace (32°C): buňky vydrží bez kyslíku i 1h
