Vliv tělesné teploty na imunitu obratlovců

Masarykova univerzita Přírodovědecká fakulta Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vliv tělesné teploty na imunitu obratlovců Bakalářská práce

Rok: 2011

Autor: Lucie Prokopová Vedoucí práce: RNDr. Pavel Hyršl, Ph.D.

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracovala samostatně, pouze s použitím uvedené literatury. V Brně dne:

Podpis:

Předem bych ráda poděkovala vedoucímu bakalářské práce RNDr. Pavlu Hyršlovi, Ph.D. za jeho cenné náměty, odborné rady a vstřícné jednání. Velký dík patří také rodině a přátelům za pochopení a podporu v průběhu mého studia.

Abstrakt Imunitní reakce poikilotermních a homoiotermních živočichů je funkčně závislá na tělesné teplotě organismu, v případě poikilotermů respektive na teplotě okolí. Imunitní systém těchto živočichů je tak narozdíl od homoiotermů běžně vystavován vlivu nepříznivých teplot, při kterých dochází k ovlivnění celé řady dějů nespecifické i specifické imunity. Jedná se především o redukci populace leukocytů, potlačení fagocytózy a komplementu či reakce zprostředkované Th lymfocyty, organismus tak podléhá imunosupresi. Zvýšena je naopak účinnost respiračního vzplanutí fagocytů či lytická aktivita nespecifických cytotoxických buněk. Imunosuprese je také typická pro proces hibernace, kdy spolu se sníženou tělesnou teplotou zvyšuje náchylnost k mykózním onemocněním. Důkazem je aktuálně velmi debatovaný syndrom bílého nosu, objevující se u hibernujících netopýrů. Z hlediska posílení imunity je velmi důležitý rozvoj horečnaté reakce, který byl pozorován i u mnoha druhů poikilotermních živočichů. Samotné zvýšení tělesné teploty těchto živočichů je však závislé na chování jedince, proto je tato horečka označována jako behaviorální. Nejúčinnější obranou imunitního systému proti vlivu nepříznivých teplot je však samotná adaptace organismu, zprostředkovaně pak homeoviskózní adaptace leukocytů. Klíčová slova: teplota, imunita, obratlovci, poikilotermní živočichové, homoiotermní živočichové, ryby, obojživelníci, plazi, ptáci, savci, komplement, horečka, hibernace

Abstract Immune responses of poikilothermic and homoiothermic animals are functionally dependent on body temperature, in case of pokilotherms it is up to the ambient temperature. Unlike homoiotherms, the immune system of these animals is normally exposed to the effects of unfavorable temperatures which cause a wide range of processes affecting the nonspecific and specific immunity. Mostly it is reduction in population of leukocytes, inhibition of phagocytosis and complement or Th cells-mediated reaction.Thus the organism is inferior to immunosuppression. By contrast, efficiency of the respiratory burst of phagocytes and lytic activity of nonspecific cytotoxic cells is increased. Immunosuppression is also typical for the process of hibernation, which together with reduced body temperature increases susceptibility to mycosal diseases. The proof is currently very debated white nose syndrome, which appears in hibernating bats. In terms of enhancing the immunity is very important development of febrile response, which was also observed in many poikilothermic animal species. The actual

increase of body temperature, however, depends on the behavior of individuals, therefore it is classified as a behavioral fever. The most effective immune defense system against the adverse impact of temperature is adaptation of the organism itself, consequently mediated by the homeoviscous adaptation of leukocytes. Key words: temperature, immunity, vertebrates, poikilotherm animals, homoiotherm animals, fish, abphibians, reptiles, birds, mammals, complement, fever, hibernation

Obsah 1. Úvod ...................................................................................................................................1 2. Poikilotermie ......................................................................................................................3 2.1. Výhody a nevýhody poikilotermie .................................................................................5 2.2. Adaptace a přizpůsobení poikilotermních živočichů .....................................................6 2.3. Regionální endotermie poikilotermních živočichů ........................................................7 3. Homoiotermie.....................................................................................................................8 3.1. Výhody a nevýhody homoiotermie ................................................................................9 3.2. Udržování stálé tělesné teploty.......................................................................................9 3.3. „Poikilotermní“ savec...................................................................................................10 4. Imunitní systém obratlovců ..............................................................................................11 4.1. Buňky imunitního systému...........................................................................................11 4.1.1. Myeloidní linie .........................................................................................................12 4.1.2. Lymfoidní linie .........................................................................................................13 4.2. Orgány imunitního systému .........................................................................................13 4.2.1. Primární lymfatické orgány ......................................................................................13 4.2.2. Sekundární orgány....................................................................................................14 4.3. Mechanismy imunitního systému.................................................................................15 4.3.1. Nespecifická imunita ................................................................................................15 4.3.1.1. Komplement .........................................................................................................16 4.3.2. Specifická imunita ....................................................................................................19 5. Vliv teploty na imunitu obratlovců...................................................................................20 5.1. Vliv teploty na populaci leukocytů...............................................................................21 5.2. Vliv teploty na orgány imunitního systému .................................................................22 5.3. Vliv teploty na nespecifickou imunitu obratlovců .......................................................22 5.4. Vliv teploty na specifickou imunitu obratlovců ...........................................................23 5.4.1. Adaptace lymfocytů k nízkým teplotám...................................................................25 6. Horečka.............................................................................................................................26 6.1. Horečka homoiotermních živočichů.............................................................................27 6.2. Horečka poikilotermních živočichů .............................................................................28 7. Hibernace..........................................................................................................................29 7.1. Hibernace a imunita......................................................................................................31 7.2. Syndrom bílého nosu ....................................................................................................32 8. Závěr.................................................................................................................................34 9. Seznam zkratek.................................................................................................................36 10. Použitá literatura...........................................................................................................37 11. Internetové zdroje .........................................................................................................41

1. Úvod Tělesná teplota živočichů je jedním z nejvýznamnějších faktorů, který skrze biochemické pochody ovlivňuje celkový průběh fyziologických reakcí organismu. Nejinak je tomu v případě imunitního systému, jehož teplotně citlivé mechanismy z něj od samého počátku činí systém teplotou těla předurčený. Funkcí tělesné teploty je tak i samotná úspěšnost organismu v boji proti všudypřítomným patogenům. Vzhledem k tělesné teplotě však rozlišujeme dvě skupiny živočichů, v případě této bakalářské práce obratlovců, kteří se během vývoje ocitli na strategicky zcela odlišných pozicích. Na jedné straně stojí živočichové, kteří skrze dokonalé termoregulační mechanismy udržují tělesnou teplotu na relativně stálé hodnotě, jež je pro průběh imunitních reakcí optimální. Stálá tělesná teplota je však energeticky velmi náročná, a proto je vlastní až vývojově pokročilejším obratlovcům, které tak označujeme jako homoiotermní živočichy. Na straně druhé stojí živočichové, kteří ve své strategii tzv. poikilotermii sázejí na akceptování vnějších podmínek. Jejich tělesná teplota tak kolísá s teplotou okolí, z čehož vyplývají celkově nižší energetické náklady. Za cenu takto ušetřené energie je však podmínkou přežití schopnost rozvíjet imunitní reakci skrze široké rozmezí teplot. Účinnost imunitní reakce je však v rámci tohoto rozmezí stupňována, běžně je tak omezena vlivem teplot netolerantních pro průběh imunitních reakcí. I přesto však naši planetu obývá více než 6000 druhů obojživelníků, přes 8000 plazů a více než 25 000 druhů ryb a paryb, což je přibližně 2,5x více druhů, než zahrnují živočichové homoiotermní. Poikilotermové se tak zdají být ve své strategii úspěšnější, nikdy by toho však nedosáhli bez imunitního systému schopného přizpůsobení se okolním podmínkám. Z hlediska imunologie jsou zajímavou skupinou živočichové tvořící přechod mezi homoiotermií a poikilotermií, označovaní jako heterotermové. Jedná se o některé homoiotermní živočichy, kteří se vyznačují schopností snižovat tělesnou teplotu v nepříznivých životních podmínkách a upadat tak do stavu hibernace. Ta je považována za vysoký stupeň adaptability na měnící se teplotní a výživové podmínky prostředí. Zdálo by se, že v tomto stavu, kdy je imunitní systém takřka nefunkční, jsou hibernující živočichové téměř bezbranní. I oni jsou však schopni se přizpůsobit a vyvinout strategie, pomocí nichž dochází k imunitní kontrole organismu. Nejen z hlediska imunity jsou další zajímavou skupinou živočichové, kteří skrze tělesnou teplotu vybočují ze strategií homo- či poikilotermie. Příkladem je rypoš lysý, savec, jehož tělesná teplota je dána teplotou okolí. Z poikilotermů jmenujme například tuňáky, jejichž tělesná teplota může převyšovat teplotu vody až o desítky stupňů Celsia. 1

Imunologie homoiotermních živočichů je oblastí vědy mnohokrát omezenou na imunitu savců. Nejinak je tomu s živočichy poikilotermními, které tentokrát vymezují kostnaté ryby. Imunologie plazů, obojživelníků či ostatních skupin poikilotermních obratlovců je tak častokrát informačně velmi strohá. Důvodem je především to, že s výjimkou ryb je většina poikilotermních živočichů hospodářsky prakticky nevyužitelná. Spousta z nich je navíc jedovatá či chráněna zákonem. Častým důvodem je také to, že většinu poikilotermů je vzhledem k jejich vazbě k okolí prakticky nemožné chovat laboratorně. Laboratorní výsledky navíc vycházejí z poznatků přímého vlivu teploty na imunitu živočichů. Je však důležité si uvědomit, že v přírodě změny teploty nejen v rámci dne, ale i celého roku nenastávají jako samostatný děj. Naopak, jsou doprovázeny významnou změnou fotoperiody, která má na imunitu též značný vliv. Ten je uplatňován skrze humorální soustavu živočichů, s kterou imunitní systém úzce spolupracuje. Navíc každá změna teploty, především náhlá změna, je pro živočichy stresovou situací. Stres je tak dalším faktorem podílejícím se na vlivu teploty na imunitu obratlovců. Mnohdy je tak velmi těžké odlišit, za kterou konkrétní změnu imunitního systému je zodpovědný vliv teploty, nikoliv periody či stresu. Většina prací týkajících se imunity poikilotermních a homoiotermních živočichů klade důraz na fylogenetické odlišnosti způsobené evolučním vývojem obratlovců. Tato práce se však snaží zaměřit na odlišnosti způsobené vlivem tělesné teploty. Preferován je pak vliv nízkých teplot, jakožto děje v přírodě nejčastěji nastávajícího. V rámci mechanismů je kladen větší důraz na imunitu nespecifickou, konkrétně na systém komplementu, jehož stanovením se pracoviště fyziologie a imunologie živočichů prakticky zabývá. Důvodem je také návaznost mé diplomové práce. Cílem práce je tedy sjednotit informace o vlivu tělesné teploty na konkrétní děje nespecifické a specifické imunity. Jak v rámci teplotních změn pracuje imunitní systém poikilotermů? Jak se dlouhodobě přizpůsobuje či odolává sezónním změnám? Funguje-li imunitní systém poikilotermů za nízkých teplot, je toho schopen i systém homoiotermů? Odpovědi nejen na tyto, ale i další otázky jsou předmětem následujících kapitol bakalářské práce.

2

2. Poikilotermie Poikilotermie, neboli neschopnost udržení stálé tělesné teploty, je typem životní strategie vývojově starším a jednodušším. Z řad obratlovců je vlastní kruhoústým, rybám chrupavčitým i kostnatým, obojživelníkům a plazům. Poikilotermie vzniká jakožto projev malé účinnosti termoregulačních mechanismů, jenž se týká především metabolismu (Lavers 2003). Ten je ve srovnání s homoiotermními živočichy výrazně pomalejší, s čímž souvisí i nižší produkce tepla. Produkované teplo je navíc díky nedokonalé tepelné izolaci vysoce ztrátové. To vše vede k velké proměnlivosti tělesné teploty a její závislosti na teplotě okolního prostředí (Obr. 1). K regulaci tělesné teploty jsou tak poikilotermní živočichové odkázáni na využívání vnějších zdrojů, z nichž nejdůležitější je energie slunečního záření. K tomu přizpůsobují své chování, které jako jedno z nejúčinnějších termoregulačních mechanismů vede k vyhledávání takových míst a pozic, kde je tepelná výměna optimální.

Obr. 1 Rozložení denní aktivity ještěrů a jejich tělesné teploty v závislosti na teplotě okolí (upraveno podle Uhlenbroek 2008). Teplotní rozmezí poikilotermních živočichů je záležitostí druhově specifickou. Hranice tohoto rozmezí, stejně jako jeho optimum (Tab. 1), jsou vymezeny nejen okolním prostředím, ale i stářím a způsobem života daného druhu organismu (Hill et al. 2004). Adaptace na určité teplotní rozmezí je v organismu geneticky zafixována. Její konstantnost 3

však neplatí v prostředí se sezónní proměnlivostí teploty. Zde totiž podléhá přizpůsobení se aktuálnímu stavu. Minimum tělesné teploty poikilotermních živočichů představuje hodnota -2 °C, kterou vykazují arktické a antarktické ryby (Lavers 2003). Hodnota vymezující maximum je 45 °C, té mohou dosáhnout naopak obyvatelé aridních oblastí. Poikilotermní živočichové Skupina živočichů Teplota těla (°C) Ryby Hlubokomořské ryby 4-6 Říční ryby 5-15 Ryby obývající mořské útesy 20-28 Obojživelníci Skokan - pulec 22-30 Skokan - dospělec na pevnině 22-28 Plazi Tropické želvy 29-35 Želvy obývající mírné pásmo 20-25 Tropické ještěrky 28-36 Pouštní ještěrky 36-41 Aligátor 20-35 Tab.1 Optimální teploty některých poikilotermních živočichů (dle Wilmmer et al. 2004; Lavers 2003).

Neméně důležitým faktorem ovlivňujícím tělesnou teplotu poikilotermních živočichů jsou jejich tělesné parametry (Willmer et al. 2000). Poikilotermové větších rozměrů mají vzhledem k poměrně velkému objemu těla relativně malý povrch, který vede k minimalizaci tepelných ztrát. Tím je zajištěna velmi vysoká termální setrvačnost, přičemž zadržováno je dokonce i pomalu generované vnitřní teplo. Tento děj označovaný jako inerciální homoiotermie/endotermie zajišťuje poikilotermům větších rozměrů dosažení vyšších a konstantnějších teplot, tedy i schopnost aktivity po delší časové období (Stevenson 1985). Asi nejznámějším představitelem gigantotermie, jak je tento jev také někdy označován, je želva kožatka velká (Dermochelys coriacea), schopná téměř v každém vodním prostředí udržet tělesnou teplotu přibližně na 25 °C (Frair et al. 1972). „Teplo je forma energie, kterou otevřený systém živého organismu od okolí přijímá a zpět ji odevzdává“ (Vácha et al. 2008). V případě vodních poikilotermů je tento teplotní příjem přibližně roven jeho výdeji, proto je i tělesná teplota těchto živočichů prakticky shodná s teplotou vody (Hill et al. 2004). Naopak u poikilotermů obývajících terestrická prostředí

4

převažuje, a to především během slunných dnů, příjem tepla nad výdejem. Teplota jejich těl tak běžně převyšuje teplotu vzduchu o několik stupňů Celsia (Obr. 2).

Obr. 2 Výměna tepla mezi živočichem a okolním prostředím (převzato z URL 1).

2.1. Výhody a nevýhody poikilotermie (Lavers 2003) Výhody: -

úsporný metabolismus → nízké energetické nároky

-

schopnost hladovění

-

větší morfologická plasticita těla

-

neomezená minimální hmotnost těla (méně než 5g – 36 % plazů, 50 % žab, 65 % ocasatých)

-

úspěšnost v obývání oblastí s extrémně vysokými teplotami

Nevýhody: -

menší vytrvalost

-

omezení aktivity v chladnějších částech dne

-

neschopnost svalového třesu

-

citlivost k teplotním stresům

5

2.2. Adaptace a přizpůsobení poikilotermních živočichů Poikilotermní živočichové obývají různá klimatická prostředí. Setkávají se tak s nízkými a z fyziologického hlediska nevýhodnými teplotami, či teplotami převyšujícími jejich optimum. K vyrovnání se s takovýmito hodnotami vyvíjejí různé fyziologické a především behaviorální termoregulační mechanismy. Při kratším poklesu okolní teploty je vzhledem k rychlosti fyziologických procesů v zájmu každého poikiloterma zvýšit svoji tělesnou teplotu - nárůst o 10 °C rychlost procesů přibližně zdvojnásobí (Lavers 2003). Nejúčinnější mechanismy přitom spoléhají na využívání energie slunce. Příkladem je vyhledávání slunných míst a zaujímání takových postojů těla, aby sluncem osvícený povrch byl co největší. Účinná je také kolektivní termoregulace, zvýšení pohybové aktivity či barvoměna některých druhů živočichů. Pokud má však pokles teploty charakter trvalého trendu, upadají poikilotermní živočichové do klidového stádia – diapauzy (Hill et al. 2004). Tento stav nečinnosti charakteristický útlumem všech fyziologických procesů umožňuje poikilotermům přečkat nepříznivé období roku. Při dlouhodobém vystavení teplotám pod bodem mrazu je však hlavním a smrtelným nebezpečím tvorba ledových krystalů uvnitř buňky (Randall et al. 2001). Jako adaptace živočišných buněk umožňující tyto teploty přežít se vyvinuly dvě strategie, na základě kterých rozlišujeme živočichy zmrznutí netolerující a tolerující. Buňky živočichů první strategie jsou syntetizátory velkého množství kryoprotektantů, které snižují bod tuhnutí intra- i extracelulární vody. Ta je tak udržována v trvale podchlazeném stavu. V případě druhé strategie jsou kryoprotektanty syntetizovány pouze intracelulárně, v intersticiu jsou naopak obsaženy látky nukleační, kolem kterých se kontinuálně tvoří krystalky ledu již při teplotách blízkých nule. Překroční určité hodnoty okolní teploty znamená pro poikilotermní živočichy přímé ohrožení života v podobě přehřátí organismu, doprovázené jeho dehydratací a v krajním případě i denaturací bílkovin. Proti přehřátí se poikilotermové brání taktéž především pomocí behaviorálních mechanismů (Lavers 2003). Ukrývají se ve stínu či zaujímají takové polohy těla, aby sluncem osvícený povrch byl co nejmenší. Účinné je taktéž zdržování se na chladnějším a světlejším podkladu či stání s otevřenými ústy. Z fyziologických mechanismů je využívána zrychlená respirace či barvoměna některých živočichů. V případě extrémně vysoké teploty okolí, doprovázené nízkou vlhkostí vzduchu a nedostatkem vody, rozvíjí poikilotermní živočichové obranou reakci v podobě estivace. Opět se jedná o stav nečinnosti zvyšující v tomto případě toleranci vůči suchu a horku. Z poikilotermních živočichů využívají této strategie převážně plazi aridních oblastí. Estivace všech druhů je stejně jako diapauza ukončena ihned po navrácení okolních podmínek do optimálního stavu (Uhlenbroek 2008). 6

2.3. Regionální endotermie poikilotermních živočichů Regionální endotermie je strategií, která umožňuje, aby lokalizované oblasti svalstva či orgánů fungovaly při vyšších teplotách než zbývající části těla (Hill et al. 2008). U ryb a paryb, kde je tento jev nejčastější, představují tito živočichové přibližně 1 % všech známých druhů. Asi nejznámějšími představiteli jsou tuňáci a některé druhy žraloků z čeledi Lamnidae se schopností zahřívání skupiny svalů určených k plavání. Jedná se o červené neboli tmavé svaly, umístěné hluboko v těle poblíž páteře, jež se vyznačují vysokou koncentrací myoglobinu (Randall et al. 2001). Teplo vzniklé kontrakcí tohoto typu svalů může převyšovat teplotu vody až o 20 °C (Obr. 3), díky čemuž dosahují tito živočichové vyšší rychlosti a zároveň i větší vytrvalosti. U některých druhů je navíc během trávení zahříván žaludek a ostatní části trávicího traktu (Hill et al. 2008). Známé je také zahřívání sítnice očí a mozku. Tentokrát u mečounů (čeleď Xiphiidae) a plachetníků (čeleď Istiophoridae), kteří k produkci tepla pomocí rozkladu ATP vlastní specializovanou tkáň bohatou na mitochondrie. Vzniklé teplo je stejně jako v předešlých případech zadržováno v těle jedince pomocí protiproudé tepelné výměny. Teplota sítnice a mozku tak může převyšovat teplotu vody až o 15 °C. Zajištěno je tím zvýšení rozlišovací schopnosti a udržení smyslových vjemů i ve velice chladných oblastech oceánu.

Obr. 3 Teplota červených svalů v porovnání s teplotou vody a bílými svaly ostatních živočichů (převzato z URL 2).

7

3. Homoiotermie Homoiotermie je vývojově mladším a pokročilejším typem strategie, pomocí níž udržují živočichové tělesnou teplotu na relativně stálé hodnotě (Hill et al. 2004). Toho je dosaženo skrze aktivní regulaci, která je založena především na změně intenzity metabolismu. Uplatňována je také změna tepelné izolace kůže, svalová práce či chování. Relativně dokonalá homoiotermie je vlastní až vývojově pokročilejším obratlovcům, tedy ptákům a savcům, u nichž vznikla nezávisle na sobě (Randall et al. 2001). Vnitřní tělesná teplota savců se pohybuje v rozmezí 35-39 °C (Lavers 2003). U ptáků je tato teplota o něco vyšší, činí přibližně 38-42 °C. Kolísání v rámci těchto teplot může být ovlivněno pohlavím, teplotou okolí, denní dobou, ontogenetickým stádiem či svalovou činností (Hill et al. 2004). Vliv má také výživa, emoce organismu či jeho celkový funkční stav. Ačkoliv se teplota většiny homoiotermních živočichů pohybuje v již zmíněném rozmezí (Tab. 2), existují výjimky, vyznačující se jak vyšší, tak nižší tělesnou teplotou. Takovou výjimku představují ptakořitní (Monotremata), jejichž nízká teplota těla (30-32 °C) se zdá být přizpůsobením k okolním podmínkám (Grigg et al. 2003). Nejpodivuhodnějším živočichem, co se teploty těla týká, je však přímorožec šavlorohý (Oryx dammah) a arabský (Oryx leucoryx). Teplota těla tohoto pouštního sudokopytníka může dosáhnout neuvěřitelných 45 °C (Lavers 2003). Doposud není zcela jasné, jak přímorožec těmto vysokým teplotám odolává. Cíl strategie je však zřejmý, zadržování tepla ve dne a jeho výdej v noci je stejně jako v případě velbloudů a jiných pouštních savců obranou před dehydratací.

Homoiotermní živočichové Skupina živočichů

Savci

Ptakořitní Vačnatci Placentálové Hlodavci Netopýři Velryby, tuleni, lachtani Sloni Primáti

Teplota těla (°C) 30-32 34-36 35-39 35-37 35-39 36-38 36,5 36-37

Ptáci Běžci Pěvci Sovy

36-39 40-42 38

Tab. 2 Tělesné teploty některých homoiotermních živočichů (dle Wilmmer et al. 2004; Lavers 2003). 8

3.1. Výhody a nevýhody homoiotermie (Lavers 2003) Výhody: -

schopnost aktivity i za teplotně nepříznivých podmínek (v noci, v zimě)

-

možnost obsazování chladných oblastí

-

zvýšená reprodukční rychlost, populační růst

-

vytrvalost pohybu – výkonný aerobní metabolismus

-

odolnost vůči infekcím, jejichž původcem jsou psychrofilní druhy mikroorganismů

Nevýhody: -

vysoká energetická náročnost (Obr. 4) (4-10x vyšší klidový metabolismus oproti poikilotermům o stejné hmotnosti)

-

častý příjem potravy

-

omezení hmotnosti (1% savců menších než 5g, minimální hmotnost 2g)

-

omezení morfologie těla (odklon od "kulovitého" tvaru zvyšuje ztrátu tepla)

Obr. 4 Porovnání metabolismu mezi zástupcem poikilotermních a homoiotermních živočichů o relativně stejné hmotnosti (převzato z URL 3).

3.2. Udržování stálé tělesné teploty Nachází-li se homoiotermní živočich v dostatečně vysoké okolní teplotě, je možné, aby se u něj, bez účasti termoregulačních mechanismů ustálila rovnováha mezi výdejem a tvorbou tepla (Hill et al. 2004). Živočich se tak nachází v tzv. zóně termoneutrality. Změní-li se však teplota okolí, je nutná aktivace termoregulačních mechanismů, vedoucí k udržení stálé tělesné teploty. 9

K obraně proti ztrátám tepla slouží především izolace těla srstí, kůží, peřím či vrstvou podkožního tuku, přičemž zježení srsti či načepýření peří zvyšuje kvalitu pokryvu (Randall et al. 2001). Vliv mají také mechanismy behaviorální, jako je choulení, vytváření dokonalejších doupat či slunění a kolektivní termoregulace. Mezi nejúčinnější však patří mechanismy fyziologické, z nichž nejúčinnější je svalový třes, tzv. třesová termogeneze, vazokonstrikce periferních cév, či termogeneze netřesová, do jejíhož metabolismu jsou zapojena játra, kosterní svalovina a hnědá tuková tkáň. Ta se vyskytuje kromě novorozených živočichů také u hibernujících a chladově aklamovaných jedinců. Účinná je dále protiproudá tepelná výměna, označovaná jako regionální heterotermie. Tento jev je obvyklým výsledkem kardiovaskulárního přizpůsobení v oblasti končetin, které slouží k redukci tepelných ztrát. Tepelné ztráty homoiotermních živočichů jsou zprostředkovány zejména skrze vyzařování (asi 60 % tepla), vedení (asi 5 %) a proudění (přibližně 15 %) (Vácha et al. 2008). Velmi důležité je také pocení, to je však vyvinuto pouze u některých savců, nejvíce u kopytníků. Potní žlázy chybí např. chobotnatcům či mnohým hlodavcům. Účinným mechanismem je také zrychlená respirace či mechanismy behaviorálního charakteru - pobyt ve stínu, koupání.

3.3. „Poikilotermní“ savec Jedinou doposud známou výjimkou, kdy savec není schopen udržení stálé tělesné teploty je rypoš lysý (Heterocephalus glaber) (Obr. 5), hlodavec obývající podzemí subsaharské Afriky. Nepřítomnost podkožního tuku a srsti vede u tohoto živočicha k vysokým ztrátám vyprodukovaného endogenního tepla (Urison et al. 1993). Tělesná teplota je tak téměř shodná s teplotou okolí, která je takřka konstantní, pohybující se kolem 31 °C. Rypoši lysí žijí v koloniích s přesně daným sociálním systémem, který je možné připodobnit k eusociálnímu hmyzu (Lavers 2003). I zde najdeme královnu, zajišťující rozmnožování, stejně tak jako kasty sterilních dělníků, kteří shánějí potravu a budují rozsáhlý systém chodeb. Předpokládá se, že právě tento způsob života spolu s konstantní teplotou podzemí jsou důvodem ztráty termoregulace tohoto druhu rypoše.

Obr. 5 Rypoš lysý (Heterocephalus glaber) (URL 4). 10

4. Imunitní systém obratlovců Imunitní systém je souhrn mechanismů zajišťujících integritu organismu rozeznáváním a likvidací cizích či vlastních, ale potenciálně škodlivých struktur. Tyto struktury označujeme jako antigeny, kterými může být jakákoliv cizorodá látka, původu exo- či endogenního, vyvolávající imunitní odpověď. Mezi základní projevy imunitního systému patří (Hořejší et Bartůňková 2009): a) Obranyschopnost -

založena na rozpoznávání a likvidaci vnějších antigenů, nejčastěji patogenních mikroorganismů a jejich zplodin.

b) Imunitní dohled -

založen na rozpoznávání a likvidaci vnitřních antigenů, které představují staré, poškozené či zmutované buňky.

c) Autotolerance -

schopnosti organismu tolerovat struktury jemu vlastní. Účinnost imunitního systému je dále zajištěna extrémním polymorfismem, který

umožňuje od sebe rozpoznat buňky či jejich součásti na základě velmi malých rozdílů v jejich molekulární struktuře.

4.1. Buňky imunitního systému Buňky imunitního systému obratlovců označujeme jako leukocyty, neboli bílé krvinky. Všechny druhy leukocytů pocházejí z pluripotentních kmenových buněk, jež jsou v malém počtu přítomny v kostní dřeni po celý život jedince (Hořejší et Bartůňková 2009). Jak zobrazuje následující obrázek (Obr. 6), kmenové buňky dávají vznik dvěma základním liniím: linii myeloidní a lymfoidní, z nichž se diferencují jednotlivé typy buněk.

11

Obr. 6 Diferenciace leukocytů z kmenové buňky (převzato z URL 5).

4.1.1. Myeloidní linie Dendritické buňky, monocyty či jejich tkáňovou formu makrofágy, řadíme k profesionálním fagocytům, buňkám specializovaným k vychytávání antigenů, které dle charakteru štěpí, popřípadě zcela lyzují (Hořejší et Bartůňková 2009). Štěpením vniklé fragmenty jsou následně předkládány T-lymfocytům, v čemž spočívá druhá specializace, tentokrát jakožto buněk prezentujících antigen (APC - antigen-presenting cell). Granulocyty zahrnující neutrofily, bazofily či eozinofily jsou krátce žijící buňky (Toman et al. 2009). Charakteristická je pro ně přítomnost specifických granul, jejichž obsah jsou po stimulaci schopny uvolnit do extracelulárního prostoru – tzv. degranulace. Především cytotoxicky tak zpětně reagují na původní vyvolávající podnět. Nadto jde kromě bazofilů o buňky schopné fagocytózy (Hořejší et Bartůňková 2009). Žírné buňky se vyskytují ve tkáních v oblasti tzv. imunologických bariér, tedy v místech, kde dochází ke kontaktu vnitřního prostředí s prostředím vnějším (Toman et al. 2009). Jejich základní funkce spočívá v obraně organismu proti parazitárním infekcím. Většina buněk myeloidní linie je producentem cytokinů - tkáňových hormonů, jejichž prostřednictvím působí jakožto regulátory imunitního systému (Hořejší et Bartůňková 2009). 12

4.1.2. Lymfoidní linie T-lymfocyty jsou zprostředkovateli tzv. buněčné imunity (Hořejší et Bartůňková 2009). Dle funkce je dělíme do dvou hlavních kategorií: pomocné neboli Th lymfocyty (T helper lymphocyte) regulující vývoj B-lymfocytů v plazmatické buňky a cytotoxické neboli Tc lymfocyty (T cytotoxic lymphocyte), které jsou specializovány k rozpoznání a eliminaci intracelulárních antigenů. Malá část antigenem aktivovaných T-lymfocytů diferencuje v buňky zodpovědné za imunologickou paměť – tzv. paměťové buňky. B-lymfocyty zprostředkovávají naopak imunitu látkovou (Hořejší et Bartůňková 2009). Antigenní specializace B-lymfocytů je namířena proti extracelulárním parazitům. Pod přímým vlivem antigenu dochází ke vzniku dvou typů efektorových buněk. Prvním typem jsou krátce žijící plazmatické buňky produkující velké množství protilátek. Druhým jsou opět buňky paměťové, schopné přežít v organismu i několik let. NK buňky (natural killers, tj. „přirození zabíječi“) jsou velké granulární leukocyty specializované na obranu organismu proti virům a nádorovým buňkám (Toman et al. 2009). Uvnitř tohoto typu leukocytů se nacházejí cytotoxická granula obsahující látky vedoucí k apoptóze antigenní buňky.

4.2. Orgány imunitního systému Orgány imunitního systému jsou vysoce specializované tkáně obsahující velké množství lymfocytů, jejich prekurzorů a řadu dalších buněk (makrofágy, epitelové buňky) tvořících pro lymfocyty vhodné prostředí (Hořejší et Bartůňková 2009). Z funkčního hlediska je dělíme na primární (centrální) a sekundární (periferní) lymfatické orgány.

4.2.1. Primární lymfatické orgány Jako primární neboli centrální označujeme takové orgány, které jsou místem vzniku, diferenciace a zrání lymfocytů. U obratlovců k nim řadíme thymus (brzlík), kostní dřeň a Fabriciovu burzu u ptáků. Thymus je centrem diferenciace a funkčního dozrávání T-lymfocytů, které vznikají z progenitorů pocházejících z kostní dřeně (Toman et al. 2009). Jeho velikost je proměnlivá, u většiny obratlovců dosahuje maximální relativní váhy krátce po narození. V průběhu dospívání se růst thymu zastaví a podléhá involuci. Do nedávné doby se věřilo, že obratlovci 13

disponují pouze jedním brzlíkem, ryby a ptáci krčním, plazi a savci hrudním. U laboratorní myši však byly nalezeny typy oba, mající v podstatě stejnou funkci (URL 6). Kostní dřeň je flexibilní tkáň významná nejen z hlediska postnatální krvetvorby, ale i jako centrum vzniku progenitorů hemopoetických buněčných linií (Toman et al. 2009). Uskutečňován je zde také vývoj B-lymfocytů. Kostní dřeň je přítomná od bezocasých obojživelníků, u některých živočichů, jako je například králík, skot či ovce však její funkci přebírá některý ze sekundárních lymfatických orgánů. Fabriciova neboli kloakální burza představuje centrální lymfatický orgán ptáků, zodpovědný za vývoj B-lymfocytů a jimi zprostředkovanou humorální imunitu (Turner 1994). Vyvíjí se jako nepárový výrůstek kloakální membrány asi 4. den embryonálního vývoje.

4.2.2. Sekundární orgány Sekundární lymfatické orgány jsou místem, kde probíhá hlavní fáze specifické imunitní odpovědi (Hořejší et Bartůňková 2009; Toman et al. 2009). Tyto orgány jsou současně specializovány k vychytávání antigenů a koncentrování lymfocytů, čímž se zvyšuje pravděpodobnost jejich setkání vedoucí ke stimulaci lymfocytů. Mezi hlavní sekundární lymfatické orgány patří slezina, lymfatické uzliny a tonzily, ale i více či méně organizované lymfatické tkáně se slizničními povrchy. Příkladem je lymfatická tkáň v oblasti střeva tzv. GALT (Gut-associated lymphoid tissue). Zastoupení nejen sekundárních, ale i primárních lymfatických orgánů u jednotlivých skupin obratlovců je znázorněno v níže uvedené tabulce (Tab. 3).

Kruhoústí Chrupavčité ryby Kostnaté ryby Obojživelníci - ocasatí - bezocasí Plazi Ptáci Savci

GALT

Lymfatické uzliny

Slezina

Kostní dřeň Thymus

+

-

-

-

-

+

-

+

-

+

+

-

+

-

+

+

-

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Tab. 3 Zastoupení lymfatických orgánů u jednotlivých skupin obratlovců (dle Hyršl 2007; Šíma 1997; Toman et al. 2009; Turner 1994; Vácha et al. 2008).

14

U nižších obratlovců postrádajících důležité primární či sekundární lymfatické orgány, jakými jsou například slezina, thymus či kostní dřeň, vznikly vlastní, funkčně ekvivaletní struktury (Šíma 1997). Například u mihulí zastává funkci thymu lymfoidní akumulace pod epitelem hltanu larev - minoh (Amemiya et al. 2007). Funkci sleziny přebrala struktura ve formě střevní řasy – tyflosolis (Šíma 1997). U chrupavčitých ryb je důležitý ekvivalent kostní dřeně, za který je považována speciální lymfoidní tkáň v předním oddíle trávicího traktu - Leydigův orgán a v oblasti gonád - epigonální orgány. U ryb kostnatých je situace jiná, funkci kostní dřeně zde přebírají lymfohemopoetické struktury ve slezině, GALTu, ledvinách, gonádách a také v oblasti CNS. Podobné lymfocytárně-monocytární agregáty a tvorba lymfoidních buněk v mozkových plenách byly prokázány i u některých druhů chrupavčitých ryb, mloků a savců, včetně časných lidských zárodků.

4.3. Mechanismy imunitního systému Mechanismy imunitního systému obratlovců lze dle specifity rozdělit na dvě základní kategorie: imunitu nespecifickou (neadaptivní, vrozenou) a specifickou (adaptivní, získanou). Oba tyto typy mechanismů jsou pro obratlovce životně důležité, stejně jako jejich vzájemná kooperace a četné vazby (Hořejší et Bartůňková 2009).

4.3.1. Nespecifická imunita Nespecifická neboli vrozená či neadaptivní imunita představuje první obrannou linii organismu. Je evolučně starší, vyskytující se v různé míře u všech mnohobuněčných organismů (Hořejší et Bartůňková 2009). Základním rysem tohoto typu imunity je kromě vrozenosti také nespecifičnost, díky níž je namířena proti širokému spektru patogenů. Toho je docíleno reakcí na strukturní a funkční rysy sdílené různými skupinami mikroorganismů. Neméně důležitým znakem je absence imunologické paměti. Nespecifická imunita tak není ovlivněna předchozím setkáním s antigenem, díky čemuž zasahují příslušné buňky vždy stejnou silou, a to i po opakovaném kontaktu s konkrétním antigenem. Nespecifická

imunita

zahrnuje

jednak

složku

buněčnou

reprezentovanou

fagocytujícími a cytotoxickými NK buňkami a jednak složku humorální tvořenou komplementovým systémem, interferony, lektiny a jinými sérovými proteiny (Hořejší et

15

Bartůňková 2009; Toman et al. 2009). Obě složky nespecifické imunity se neustále nacházejí v krvi, tudíž aktivace je v případě potřeby téměř okamžitá, pohybující se řádově v minutách. K nespecifické imunitě řadíme též bariérovou funkci organismu. Tu představuje neporušený povrch kůže a sliznic a jejich přirozené neimunitní obranné mechanismy udržující integritu organismu vůči okolí.

4.3.1.1. Komplement Systém komplementu je tvořen přibližně 30 sérovými a membránovými proteiny, kooperujícími mezi sebou i s dalšími imunitními mechanismy (Hořejší et Bartůňková 2009). Produkovány jsou zejména jaterními a fagocytujícími buňkami. Hlavní složku komplementu představuje 9 sérových proteinů, značených jako C1-C9 (Toman et al. 2009). V séru a tělních tekutinách se vyskytují v neaktivní formě. V reakci na různé podněty jsou však proteiny aktivovány a skrze tvorbu fragmentů rozvíjejí své chemotaktické a opsonizační vlastnosti, díky nimž dochází k indukci mediátorů zánětu a usnadnění procesu fagocytózy. K eliminaci antigenu je však nejúčinnější tvorba membranolytického komplexu, tzv. MAC (membrane attack complex), který vede k jeho okamžitému usmrcení. Některé složky komplementu jsou však významné i při dějích jako je například aktivace B-lymfocytů, zvýšení propustnosti kapilární stěny či regulace transportu antigenu do sleziny a uzlin. Ústřední složkou, skrze kterou je aktivován celý komplementový systém, je protein C3, jehož fragment C3b se kovalentně váže na mikrobiální povrch a zahajuje tak kaskádový sled aktivace dalších složek komplementu (Hořejší et Bartůňková 2009). Skrze aktivaci C3 byly postupně popsány tři cesty aktivace komplementu – klasická, alternativní a lektinová. Ačkoliv je způsob aktivace těchto tří cest poněkud odlišný, následující procesy jsou si velmi podobné a především konečná - lytická fáze včetně MAC je pro všechny cesty stejná.

1) Alternativní cesta Alternativní cesta se jeví být evolučně nejstarší. Byla popsána již u primitivních obratlovců skupiny Aghnatha a dokonce i u některých bezobratlých, patřících do skupiny Deuterostomia (Zarkadis et al. 2001). Počátkem alternativní cesty je neustále probíhající samovolné štěpení C3 proteinu na fragmenty C3a a C3b (Hořejší et Bartůňková 2009). K samotné aktivaci C3b fragmentu dochází díky přítomnosti povrchových antigenů cizorodých částic, na jejichž povrch se C3b 16

kovalentně navazuje a aktivuje tak kaskádu dalších reakcí. Nejprve se k C3b připojí další sérový protein zvaný faktor B, ten je štěpen sérovou proteázou faktorem D na fragmenty Ba a Bb. Vzniká tak komplex C3bBb, který je nejprve stabilizován faktorem P a poté působí jako tzv. alternativní C3-konvertáza, tj. enzym štěpící C3 na C3a a C3b. Zatímco fragmenty C3a působí chemotakticky na fagocyty, C3b se podílejí na řadě dalších procesů. Buď se kovalentně zachycují na povrchu kolem enzymově aktivního komplexu a slouží tak jako opsoniny, nebo z nich vznikají další molekuly C3-konvertáz. Původní podnět je tak mnohonásobně zesilován. Některé se však váží k již existujícímu komplexu C3bBb a vytváří tak komplex C3bBbC3b. Proteolytická aktivita tohoto komplexu je odlišná, schopna štěpit protein C5. Vznikají tak fragmenty C5b a menší C5a. C3bBbC3b je tedy alternativní C5konvertázou.

2) Klasická cesta Klasická cesta aktivace komplementu se zdá být naopak fylogeneticky nejmladší, objevuje se až u živočichů vyvíjejících protilátky (chrupavčité ryby), které navázané na povrch cizorodé částice slouží k její aktivaci (Song et al. 2000). Právě vazbou na takovýto povrch se konformace protilátkové molekuly změní tak, že odhalí vazebné místo pro C1 (Hořejší et Bartůňková 2009). Molekula C1 po vazbě na protilátku také pozmění svůj tvar, čímž nabude proteolytické aktivity. Tímto dojde ke štěpení proteinů C4 a C2, jejichž fragmenty C4b a C2a se naváží na povrch napadeného mikroorganismu a vytvoří tak klasickou C3-konvertázu (C4bC2a). Tento enzym opět štěpí velké množství C3 na C3a a C3b, které působí tak, jak bylo popsáno výše. Posléze se vazbou fragmentu C3b k C3-konvertáze vytvoří klasická C5-konvertáza (C4bC3bC2a), enzym štěpící C5 na C5a a C5b.

3) Lektinová cesta Lektinová cesta aktivace komplementu je variantou cesty klasické, namísto protilátek je však iniciována sérovým lektinem (Toman et al. 2009). Tento protein má schopnost vázat se na polysacharidy s vysokým podílem opakovaných manosových sekvencí, jež jsou charakteristické nejen pro stěny bakterií, ale i plísní a kvasinek. Funkce a struktura lektinu je podobná C1, po vazbě na povrch cizorodé částice štěpí složky C4 a C2. Následující procesy jsou shodné s procesy probíhajícími u klasické cesty aktivace komplementu.

17

4) Lytická fáze Vznikem C5b fragmentů činností klasických i alternativních C5-konvertáz počíná terminální (lytická) fáze komplementu (Hořejší et Bartůňková 2009; Toman et al. 2009). Fragmenty C5b na sebe váží složky C6, C7 a C8, které již nejsou štěpeny, ale pouze vystaveny konformačním změnám. Tento komplex se zanoří do povrchové membrány atakované buňky a posléze se k němu připojí, do kruhu uspořádaných, 13 – 18 molekul C9. Tak vzniknou v membráně asi 10nm široké póry (Obr. 7), skrze které dochází k úniku cytoplazmatických komponent, narušení osmotické rovnováhy a v konečném důsledku i lyzi buňky. Pro destrukci jaderných buněk musí být takovýchto pórů přibližně 10.

Obr. 7 Lytický pór tvořený proteiny komplementu (převzato z URL 7). Ačkoliv je komplement homoiotermních a poikilotermních živočichů téměř shodný, specifické odlišnosti ve struktuře a funkci některých jeho složek jsou u jednotlivých tříd obratlovců více či méně patrné. Tyto rozdíly jsou však původu fylogenetického a nedají se tak vztahovat na skupinu poikilotermních či homoiotermních živočichů jako takovou. Obecně je však uznáváno, že komplement poikilotermních živočichů je strukturně a funkčně rozmanitější. Tato variabilita je založena na přítomnosti různých izoforem některých jeho složek, především C3 a B faktoru (Sunyer et al. 1998). Konkrétně C3 složka poikilotermních živočichů má schopnost rozšiřovat svoji účinnost skrze vazbu na vícero různých povrchů cizorodých částic. Nejvíce byla tato variabilita studována u kostnatých ryb, předpokládá se však, že je společným rysem i ostatních druhů poikilotermů. Odůvodněním se zdá být to, že 18

na rozdíl od homoiotermních živočichů nemají poikilotermové natolik rozvinutou adaptivní imunitu (Zarkadis et al. 2001). Zvýšením účinnosti imunity vrozené však tento nedostatek úspěšně kompenzují. Již u nejprimitivnějších obratlovců z třídy kruhoústých se setkáváme s alternativní a lektinovou cestou (Fujii et al. 1992). Klasickou cestu aktivace, stejně jako lytickou fázi tito živočichové postrádají, hlavní funkcí je tedy především opsonizace cizorodé částice, nikoliv její destrukce. U chrupavčitých ryb se poprvé spolu s výskytem protilátek setkáváme i s klasickou cestou aktivace, stejně jako s lytickou fází komplementu (Sunyer et al. 1998). Všichni ostatní obratlovci mají přítomný plně rozvitý komplementový systém, zahrnující všechny cesty aktivace, včetně MAC.

4.3.2. Specifická imunita Specifická neboli získaná či adaptivní imunita je typem imunity evolučně vyspělejším (Hořejší et Bartůňková 2009). I přes vzájemnou kooperaci s výše uvedenou imunitou nespecifickou se liší hned v mnoha ohledech: není vrozená, specificky rozpoznává cizorodé látky, vyznačuje se imunologickou pamětí. Díky těmto vlastnostem je každá imunitní buňka geneticky předurčena k rozpoznání pouze jediného druhu antigenu, přičemž opakované setkání s konkrétním antigenem vyvolává stále rychlejší a efektivnější imunitní odpověď, tzv. sekundární (anamnestickou) odpověď. Adaptivní imunita je zprostředkována zejména T a B-lymfocyty, přičemž hlavní fáze imunitní reakce probíhají v lymfatických folikulech sekundárních orgánů (Toman et al. 2009). K jejímu úplnému rozvoji je zapotřebí několika dnů až týdnů. Specifická imunita je vlastní všem obratlovcům, přičemž nejvíce je rozvinuta u ptáků a savců (Toman et al. 2009). Zvláštní typ specifické imunity byl však nedávno objeven u nejprimitivnějších obratlovců rodu Aghnata, tedy mihulí a sliznatek. Tento typ je odlišný od specifické imunity všech ostatních obratlovců díky absenci nezbytných komponent imunoglobulinů (Ig) a T buněčných receptorů (Amemiya et al. 2007). Přesto mihule reagují na antigeny v podstatě stejným způsobem jako vyšší obratlovci, včetně rozvoje imunologické paměti (Fujii et al. 1979). Toho je dosaženo díky tzv. proměnným lymfocytárním receptorům (VLRs - variable lymphocyte receptors) VLRs jsou tak využívány jakožto analogy imunoglobulinových receptorů, sloužící k rozpoznání antigenu (Saha et al. 2010; Nagawa et al. 2006).

19

5. Vliv teploty na imunitu obratlovců Tělesná teplota ve vztahu k imunitnímu systému představuje jeden z nejdůležitějších limitujících faktorů, pod jehož přímým či nepřímým vlivem dochází k ovlivnění celé řady imunitních procesů. Obecně platí, že nižší teploty reakci imunitního systému potlačují, teploty vyšší ji naopak posilují. Příliš vysoké teploty však stejně jako teploty nízké vedou k imunosupresi organismu (Bly et Clam 1992). Nejvyšší účinnosti tak imunitní systém nabývá při teplotách optimálních (Wright et Cooper 1981). V souladu s touto skutečností je však velmi důležité si uvědomit, že každý druh má své vlastní teplotně toleranční rozmezí. Nízká či naopak vysoká teplota, stejně jako teplota optimální, je proto pojmem relativním, individuálním pro každý druh organismu, což v případě poikilotermů obzvláště nabývá na významu. Teplotně toleranční rozmezí uvádíme ve vztahu k celkové fyziologii živočicha. Vzhledem k jeho imunitě však známe jiné, imunologicky toleranční rozmezí. To má však k rozmezí fyziologickému přímý vztah, je totiž jeho součástí a společně s ním se přizpůsobuje daným podmínkám roku. U homoiotermních živočichů obě rozmezí korelují, u poikilotermů je však situace jiná. Hranice imunologického rozmezí většinou vymezují užší rozsah hodnot, a tak jsou součástí rozmezí fyziologického i teploty imunologicky netolerantní (Bly et Clem 1992). Překročení hranic imunologického rozmezí, zpřístupňující vliv nízkých či vysokých teplot, znamená pro živočichy potlačení imunitní reakce. Imunitní reakce poikilotermních a homoiotermních živočichů je si navzájem velmi podobná. Hlavní rozdíl je určován právě okolní teplotou, na které je reakce poikilotermů funkčně závislá, svoji účinnost tedy musí rozvíjet skrze široké rozmezí hodnot. A tak i teploty imunologické tolerance a netolerance, dané u homoiotermů ustálenou a relativně jednotnou teplotou těla, představují u poikilotermů širokou škálu hodnot (Bly et Clem 1992). Například imunologicky netolerantní teplota během letních měsíců byla u lososovitých ryb (Salmonidae) stanovena na 4 °C (Bly et Clem 1992), u kapra obecného (Cyprinus carpio) na 14 °C (Avtalion 1969) a u slunečnice obecné (Lepomis macrochilus) až na 22 °C (Cuchens et Clem 1977). Teplota těla má také přímý vliv na životní cyklus příslušného patogenního mikroorganismu (Raffel et al. 2006). Ten je však v závislosti na preferenci mikroorganismu odlišný. Zatímco některé patogeny jsou vysokými teplotami stimulovány, jiné jsou jimi potlačeny a svoji účinnost rozvíjejí při teplotách nízkých.

20

5.1. Vliv teploty na populaci leukocytů Nízká či naopak vysoká teplota uplatňuje svůj imunosupresivní vliv především skrze populaci leukocytů (Wright et Cooper 1981). Potlačena je totiž samotná lymfopoéza, aktivace a proliferace nejen cirkulujících, ale i tkáňových imunitních buněk. Jinými slovy, účinnost imunitní reakce organismu je snížena především skrze nedostačující množství buněk schopných boje s příslušným patogenem. Některé leukocyty jsou však k tomuto potlačení více či méně odolné (viz Adaptace lymfocytů k nízkým teplotám, str. 25). Hypotetická situace, která skrze omezení lymfopoézy, v tomto případě buněk nespecifické imunity, nastává, je vyobrazena na následujícím obrázku (Obr. 8). Snížením populace bojeschopných leukocytů dochází k potlačení indukujících kompartmentů, které zahrnují nejen rozpoznání antigenu, ale i jeho následné zpracování, prezentaci a aktivaci lymfocytů (Wright et Cooper 1981). Potlačeny jsou tak v konečném důsledku i kompartmenty efektorové, tedy syntéza protilátek či tvorba paměťové reakce.

Obr. 8 Porovnání vlivu teplot ve vztahu k lymfopoéze buněk nespecifické imunity a následnému rozvoji imunitní reakce (upraveno podle Wright et Cooper 1981).

21

5.2.Vliv teploty na orgány imunitního systému Jak již bylo řečeno, tělesná teplota živočichů výrazně mění množství tkáňových leukocytů. Jejich redukce se tak pod vlivem nepříznivých teplot projeví na příslušných orgánech imunitního systému. Příkladem je srovnání populace leukocytů sleziny u závojnatek čínských (Carassius auratus auratus) aklimovaných při 4 °C a 22 °C. Porovnávacím výsledkem je téměř 50% redukce lymfocytů v případě rybek aklimovaných při 4 °C (Wright et Cooper 1981). Snížení populace lymfocytů nejen sleziny, ale i thymu a kostní dřeně vykazují též plazi a obojživelníci. Vlivem nízké teploty tak může dojít k involuci a atrofii lymfatických orgánů. Častý je výskyt u kostnatých ryb, jejichž thymus je velmi citlivý k měnícím se klimatickým podmínkám a z nich vyplývajícímu stresu. Podobně ryby reagují i na sociální stres vznikající např. při nedostatku volného prostoru v kádích. Sezónním involucím thymu, sleziny i GALTu podléhají také plazi (Zimmerman et al. 2010).

5.3. Vliv teploty na nespecifickou imunitu obratlovců Zůstaňme u vlivu teploty na buněčnou složku nespecifické imunity. Tu představují zejména buňky nadané schopností fagocytózy, tedy nejúčinnějším procesem k eliminaci patogenů. Samotný průběh fagocytózy je funkcí tělesné teploty, přičemž hodnoty nejvyšší účinnosti jsou opět ustanoveny v závislosti na teplotním rozmezí daného druhu živočicha (Le Morva et al. 1998). Například u pstruha duhového (Oncorhynchus mykis) a okouna říčního (Perca fluviatilis) představuje tuto hodnotu rozmezí teplot mezi 20 a 27 °C, u gekona žlutozeleného (Hemidactylus flaviviridis) 25 °C a u sumečka skvrnitého (Ictalurus punctatus) a skokana hnědého (Rana temporaria) 30 °C (Marnila et al. 1995; Mondal et Rai 2002). Teploty nižší či naopak vyšší snižují především fagocytární aktivitu, tedy procento buněk schopných fagocytózy. Ovlivněn je i fagocytární index udávající průměrný počet částic připadajících na jednu fagocytující buňku. Také sekrece interleukinu 1 (IL-1) a produkce oxidu dusnatého (mikrobicidní prostředek fagocytů) je nepříznivými teplotami výrazně potlačena. Ačkoliv jsou fagocytující buňky teplotou těla bezesporu ovlivněny, k nízkým teplotám se jeví být více odolné, než lymfocyty specifické imunity (Scott et al. 1985; Ainsworth et al. 1991). To však nepředstavuje jedinou výhodu, důležité je také to, že adaptace fagocytů k nízkým teplotám vede ke zvýšení činnosti respiračního vzplanutí, procesu využívaného k likvidaci pohlceného antigenu (Dexiang et Ainsworth 1991). Tento jev vedoucí ke zvýšení baktericidní schopnosti fagocytů byl pozorován u sumečka skvrnitého, 22

lína obecného (Tinca tinca), pstruha duhového a kapra obecného (Cyprinus carpio) (Collazos et al. 1994; Hardie et al. 1994). Je tedy zřejmé, že omezená schopnost pohlcování patogenů je s redukcí teploty částečně kompenzována zvýšením aktivity respiračního vzplanutí fagocytů. Vliv teploty byl dále pozorován na činnost nespecifických cytotoxických buněk . Tyto buňky přítomné v séru kostnatých ryb jsou považovány za fylogenetické předchůdce savčích NK buněk (Le Morva et al. 1998). I ony se jeví být senzitivní k nízkým teplotám, přičemž s redukcí teploty narůstá jejich lytická aktivita. Všechny tyto údaje dohromady naznačují, že buněčná složka nespecifické imunity má během nízkých teplot tendenci kompenzovat potlačení imunity specifické, a to do té doby, dokud nedojde k její adaptaci (Le Morva et al. 1998). Teplota však uplatňuje svůj vliv i na humorální složku nespecifické imunity, tu v tomto případě zastupuje lyzozym a systém komplementu. Lyzozym je enzym s antibakteriálním účinkem, jehož aktivita je taktéž funkcí tělesné teploty. Pokles nejen aktivity, ale i hladiny lyzozymu je pod přímým vlivem nízkých teplot, což bylo pozorováno u mnoha druhů kostnatých ryb (Bowden et al. 2007). Jelikož je komplement úzce spjat s činností enzymů, leukocytů a protilátek, jejichž aktivita je ovlivněna teplotou těla, je i aktivita komplementu na této teplotě závislá. Optimální teploty jeho aktivace jsou tak pro různé druhy živočichů značně odlišné. Pro aktivaci komplementu savců činí tato hodnota 37 °C, pro komplement ptáků 41 °C (Hazen 1943). Inaktivační teplota se pak u savců pohybuje v rozmezí mezi 50 a 60 °C. Pro stanovení bakteriolytické aktivity komplementu se laboratorně pracuje nejčastěji s telecí plasmou či sérem. Pro přípravu kontrolních vzorků je nutná inaktivace při 56 °C po dobu 30 minut (Kilpi et al. 2009). Pro poikilotermní živočichy, konkrétně kostnaté ryby, se teploty optimální pro aktivaci komplementu pohybují v rozmezí 20-25 °C (Sunyer et al. 1998). U žáby Xenopus laevis je tato teplota též kolem 25 °C (McKnight et Jurd 1987). Inaktivační teplota většiny kostnatých ryb pak nabývá hodnoty 45 °C (Zarkadis et al. 2001). Dle laboratorních postupů je k přípravě kontrolních vzorků nutné inaktivovat plasmu nebo sérum ryb při 44 °C po dobu 20 min (Sakai 1992).

5.4. Vliv teploty na specifickou imunitu obratlovců Imunosupresivní vliv nízkých či naopak vysokých teplot je uplatňován opět v celém rozsahu specifické imunity, ovlivněna je tedy složka buněčná i humorální (Bly et Clam 1992). Vzájemná závislost těchto dvou složek a procesů v rámci nich probíhajících byla podnětem k domněnkám, že teplotně citlivé jsou pouze některé z těchto dějů, mající však 23

v konečném důsledku vliv na celkový rozvoj reakce. Pro potvrzení tohoto poznatku byly stěžejní následující pozorování (Avtalion et al. 1973):  k rozvoji primární reakce při nízkých teplotách nedochází  k rozvoji sekundární reakce navzdory nízké teplotě dochází pouze tehdy, pokud preimunizace antigenem proběhla při teplotách imunologicky tolerantních Na základě těchto zjištění byla vyslovena hypotéza, že nízkou teplotou není ovlivněna efektorová reakce, tedy rozvoj humorální odpovědi, ale procesy tuto reakci indukující (Avtalion et al. 1973). Otázkou však zůstávalo, který konkrétní indukující děj je dějem citlivým k nízkým teplotám. K vyřešení byly použity in vitro buňky sumečka skvrnitého, které pod vlivem nízkých teplot v reakci na antigen přinesly následující údaje:  snížena je proliferace T-lymfocytů, B-lymfocyty zůstávají neovlivněny (Clem et al., 1984)  narušena je funkce Th lymfocytů, nikoliv T paměťových buněk či B-lymfocytů (Le Morvan et al., 1998)  potlačení T-buněčné odpovědi není způsobeno selháním antigen-prezentujících buněk (Vallejo at al. 1992) ani produkcí IL-1 (Bly et Clem 1992) Dohromady tyto údaje jasně definují Th lymfocyty, jakožto skupinu buněk podléhající imunosupresi při nízkých teplotách (Le Morvan et al. 1998). Následující studie toto zjištění upřesnily - teplotně senzitivní je samotná aktivace Th lymfocytů, v rámci níž je teplotou ovlivněn krok před aktivací proteinkinázy C, enzymu aktivujícího celou řadu významných buněčných procesů (Ellsaesser et al. 1988; Lin et al. 1992). Tím může být trasmembránová signalizace T-buněčného receptoru CD3 a/nebo aktivace G-proteinu (Le Morvan et al. 1998). Stejné výsledky vykazují i pokusy prováděné in vitro na buňkách myši (Mus musculus). Potlačena je taktéž imunitní odpověď zprostředkovaná Th, nikoliv B-lymfocyty (Yang et al. 1990). Tyto výsledky tak nasvědčují stejnému vlivu teploty na specifickou imunitu poikilotermních i homoiotermních živočichů (Le Morvan et al. 1998). Z výše uvedených údajů je zřejmé, že samotný rozvoj paměťové (sekundární) reakce je k vlivu nepříznivých teplot odolný. To se však nedá říci o samotném vzniku reakce, respektive vzniku paměťových buněk, které jsou skrze potlačení Th lymfocytů nepříznivými teplotami přímo ovlivněny (Wright et Cooper 1981; Le Morvan et al. 1998). Nízké teploty tedy uplatňují svůj vliv na úrovni plazmatických membrán Th lymfocytů, kdy pod vlivem tuhnoucího efektu docházení k omezení jejich semipermeability a 24

následnému narušení důležitých funkcí (Le Morvan et al. 1998). Teplotou jsou však ovlivněny nejen fosfolipidy plasmatické membrány, ale i její sacharidy, jakožto komponenty účastnící se mnoha rozpoznávacích buněčných procesů. Studie na leukocytech kapra obecného zaznamenaly, že zejména hladina kyseliny sialové klesá s redukcí teploty, čímž opět dochází k modifikaci struktury a funkce membrány. Lymfocyty, přesněji řečeno jejich plazmatické membrány, jsou však schopny se k nízkým teplotám po čase adaptovat a obnovit tak imunitní reakci.

5.4.1. Adaptace lymfocytů k nízkým teplotám Aklimace živočichů k nízkým teplotám, jež může trvat i několik týdnů, vede k postupnému obnovení reakce zprostředkované Th lymfocyty. Toho je dosaženo díky tzv. homeoviskózní adaptaci, jež zahrnuje změny vedoucí ke stabilizaci tvaru membrány a buněčných funkcí s ní souvisejících (Abruzzini et al. 1982). Plazmatická membrána lymfocytů obsahuje mimo jiné kyselinu olejovou a stearovou. Poměr těchto mastných kyselin je určující pro rozvoj T buněčné odpovědi v reakci na antigen. Zatímco nadbytek kyseliny olejové tuto odpověď stimuluje, zvýšená hladina kyseliny stearové ji naopak potlačuje. V rámci adaptace tak dochází ke zvýšení hladiny kyseliny olejové a snížení hladiny kyseliny stearové (Bly et al. 1986). Studie probíhající opět in vitro na buňkách sumečka skvrnitého však ukazují, že B-lymfocyty dosahují tohoto zvýšení díky desaturaci kyseliny stearové na olejovou, čehož T-lymfocyty schopny nejsou. Tato pozorování tak naznačují, že zásadní jsou kvalitativní, méně kvantitativní změny poměru mastných kyselin lymfocytárních plazmatických membrán. Právě tato skutečnost spolu s rychlejším rozvojem homeoviskózní adaptace ve prospěch B-lymfocytů vysvětluje jejich větší odolnost vůči nízkým teplotám (Le Morvan et al. 1997). Tím se vysvětlují odlišné hodnoty imunologicky tolerantních a netolerantních teplot pro T a B-lymfocyty, které například u sumečka skvrnitého nabývají následujících hodnot. Imunologicky tolerantní: 27-32 °C, netolerantní pro T-lymfocyty: 17-22 °C, netolerantní pro T i B-lymfocyty: 12 °C (Clem et al. 1984). Stejný způsob adaptace, taktéž s vyšší účinností pro B-lymfocyty, byl pozorován i u homoiotermních živočichů, konkrétně u laboratorní myši (Buttke et al. 1991).

25

6. Horečka Horečka neboli pyrexie je komplexní fyziologická reakce organizmu na infekci nebo jiný pyrogenní podnět. V rámci odezvy zahrnuje zvýšení tělesné teploty, tvorbu reaktantů akutní fáze (C-reaktivní protein, sérový amyloid P) a aktivaci celé řady fyziologických, endokrinních a především imunitních mechanismů (Hořejší et Bartůňková 2009). Ty, jak již bylo řečeno, jsou vyššími teplotami stimulovány, během horečky tak dochází k následujícím dějům (Kluger 1979; Banet 1986): -

zpomalení růstu některých druhů bakterií a virů

-

zvýšení aktivity leukocytů

-

zvýšení diferenciace a proliferace leukocytů

-

zvýšení aktivity lyzozymu

-

zvýšení produkce interferonů a interleukinů

-

zvýšení tvorby protilátek

-

zvýšení fagocytární schopnosti leukocytů

-

nezávisle na horečce, avšak vlivem endogenních pyrogenů dochází k poklesu koncentrace sérového železa v krvi, tedy živiny důležité pro růst bakterií Látky vyvolávající horečku jsou označovány jako pyrogeny, které dle původu dělíme

na exogenní a endogenní. Exogenní pyrogeny (bakterie, viry, toxiny) vstupují do organismu z vnějšího prostředí. V těle skrze fagocytující buňky stimulují uvolňování pyrogenů endogenních – cytokinů, z nichž nejvýznamnější je skupina TNF (tumor necrosis factor) a interleukiny (IL-1 a IL-6) (Hořejší et Bartůňková 2009). Vlastní horečka je vyvolána působením těchto tkáňových hormonů na neurony termoregulačního centra v hypotalamu (Hill et al. 2004). Následkem toho dochází ke zvýšené syntéze prostaglandinu E2 (PGE2). Prostaglandin E2 se po svém uvolnění stává centrálním mediátorem febrilní odpovědi (Obr. 9), skrze který dochází ke zvýšení termoregulačního "set pointu" (Kluger 1979). Jako set point označujeme teplotu, na kterou je nastaveno termoregulační centrum v hypotalamu. Rozdíl mezi nově nastavenou teplotou a původní teplotou tělesného jádra působí na počátku pocit chladu. Spouští se tak termoregulační mechanismy vedoucí k dosažení nově nastavené zvýšené teploty. Toto zvýšení představuje horečku.

26

Obr. 9 Proces navození horečky (převzato z URL 8). Vlivem horečky dochází k postupnému odstraňování pyrogenů, následkem čehož dochází k opětovnému navrácení hodnoty set-pointu na původní běžnou úroveň (Hill et al. 2004). Termoreceptory tentokrát signalizují, že skutečná teplota těla je vyšší, dostavuje se tak pocit nadměrného tepla, čímž se aktivují mechanismy vedoucí ke snížení tělesné teploty. Teplota tělesného jádra tak klesá. Kromě pozitivního vlivu na imunitní systém organismu může mít horečka také negativní dopad na celkový stav organismu (Banet 1986). K tomu dochází především při dlouhotrvajících a vysokých horečnatých teplotách, kdy vzhledem k energetické náročnosti horečky může dojít k vyčerpání energetických zdrojů, dehydrataci a v krajním případě i k denaturaci bílkovin. Studie fylogeneze horečky na základě řady experimentů dokázaly, že febrilní reakce je jevem v přírodě hojně rozšířeným, a to nejen u savců, ale i poikilotermních živočichů (Kluger 1979). Z těchto výsledků je velmi pravděpodobné usuzovat, že horečka jakožto součást adaptivního imunitního systému má u obratlovců společný počátek.

6.1. Horečka homoiotermních živočichů Výše zmíněný mechanismus vedoucí k rozvoji horečnaté reakce je ve svém průběhu podobný oběma skupinám homoiotermních živočichů. Samotný rozdíl je patrný až v závěru reakce, kdy u ptáků, narozdíl od savců, nedochází ke zvýšené syntéze PGE2. Následující hypotézy, které toto zjištění objasňují, jsou nadále předmětem výzkumu (Fraifeld et al. 1995): a) hypotalamický PGE2 není u ptáků zapojen do rozvoje horečnaté reakce b) centrální mechanismy horečky jsou odlišné od těch u savců 27

I přes pravděpodobnou odlišnost centrálních mediátorů jsou procesy vedoucí k samotnému zvýšení tělesné teploty díky dokonalým termoregulačním mechanismům společné oběma skupinám homoiotermů. Někteří dosahují febrilních teplot zvýšením metabolické produkce tepla, jiní pouze snižují jeho ztrátu (Hill et al. 2004). V prvním případě je aktivací osy hypotalamus-hypofýza-naledvinky zvýšen tkáňový metabolismus (Hořejší et Bartůňková 2009). V případě druhém jsou využívány již dříve uvedené mechanismy jako je např. vazokonstrikce periferních cév. Pro ustoupení horečky slouží k návratu na původní tělesnou teplotu stejné mechanismy, kterými se živočich brání proti přehřátí organismu a které již byly uvedeny v úvodní kapitole o homoiotermii. Horečnatá reakce byla pozorována i u rypoše lysého, jakožto jediného zástupce savců, jehož tělesná teplota je určena teplotou okolí. Schopnost rozvinout horečku byla stejně jako u většiny homoiotermů primárně zajištěna skrze omezení ztrát tepla (Ford et Klugman 1980). Případně však mohlo dojít i ke zvýšení jeho metabolické produkce. Tento živočich tedy rozvíjí horečku stejným způsobem jako ostatní homoiotermové. Zároveň však využívá strategie behaviorální horečky, která je typická pro živočichy poikilotermní. Ať tak či onak febrilní hodnoty těchto živočichů nabývají 34 °C, což je o 2,5 °C více, než běžná teplota těla, tedy teplota prostředí (Urison et al. 1993).

6.2. Horečka poikilotermních živočichů Mechanismus horečky, včetně nadprodukce prostaglandinu E2 jakožto centrálního mediátoru horečnaté reakce, byl prokázán i u řady poikilotermních živočichů (Covert et Reynolds 1977). Zvýšení hypotalamického set-pointu probíhá tedy stejným způsobem jako u savců. Samotné zvýšení tělesné teploty je však díky nedokonalým termoregulačním mechanismům odlišné a zcela závislé na chování jedince. Proto je také tento typ horečky označován jako horečka behaviorální (Hill et al. 2004). Strategie vedoucí k vyrovnání zvýšeného termoregulačního set-pointu sází opět především na energii slunce, čemuž podřizují své chování tak, jak je uvedeno v úvodní kapitole o poikilotermii. Z poikilotermních obratlovců byla horečka prokázána u mnoha druhů kostnatých ryb, obojživelníků a plazů. Avšak stejně tak existuje i spousta druhů, které rozvoj horečnaté reakce nevykazují (Ortega et al. 1991). Příkladem je užovka domácí (Lamprophis fuliginosus) či želva pardálí (Geochelone pardalis). Behaviorální horečka se vyskytuje i u novorozených savců, kteří jsou díky nevyvinutým termoregulačním mechanismům prakticky poikilotermní (Kluger 1979; Hill et al. 2004). Febrilní teploty poikilotermních obratlovců jsou značně variabilní. Zatímco teploty 28

preferované řadou ještěrek se pohybují nad 40 °C (Obr. 10), ryby a obojživelníci dosahují stavu horečky již při 30 °C (Covert et Reynolds 1977).

Obr. 10 Porovnání běžné a febrilní teploty leguána pustinného (Dipsosaurus dorsalis) A – zdravý jedinec, B – jedinec rozvíjející horečku jako reakci na pyrogen (převzato z Randal et al. 2002).

7. Hibernace Hibernace neboli zimní spánek je specifická reakce savců, kteří tak v klidovém stavu, při regulovaném podchlazení a útlumu všech fyziologických procesů, přečkávají nepříznivé zimní období (Vácha et al. 2008). Během hibernace dochází k výraznému poklesu srdeční frekvence, zpomalenému dýchání a útlumu metabolických dějů (až na 1%). Snížena je také aktivita většiny endokrinních žláz a centrální nervové soustavy. Schopnost vést vzruchy si tak zachovává pouze soustava periferní. Z důvodů menších nároků na metabolismus klesá i tělesná teplota, jejíž úroveň je zpravidla jen o několik málo stupňů vyšší než teplota okolí – hibernakula (Barnes 1989). Díky těmto úsporným mechanismům vynakládají hibernující živočichové v porovnání s aktivním způsobem života 70-100x méně energie (URL 9).

29

Tělesná teplota hibernujících živočichů se nezřídka pohybuje jen něco málo nad bodem mrazu (Barnes 1989). Schopnost přežít tyto podmínky odlišuje hibernující živočichy od normotermů tedy živočichů nehibernujících. Tělesné rozmezí hibernujících živočichů nabývá rozsahu 3-37 °C (Hill et al. 2004). Avšak někteří arktičtí živočichové redukují tělesnou teplotu na hodnoty náležející pod bod mrazu. Příkladem je sysel perotský (Spermophilus parryii), jehož tělesná teplota dosahuje -2,9 °C (Barnes 1989). Mezi hibernující živočichy patří různé skupiny vyšších obratlovců. Rapidní pokles tělesné teploty je však vlastní pouze tzv. pravým hibernantům, mezi které patří většina hlodavců či letounů. Nepravé hibernanty charakterizuje pokles tělesné teploty o pouhé 2-4 °C (URL 10). Fyziologické procesy těchto živočichů jsou taktéž zpomaleny, přesto však probíhají poměrně intenzivně. Strategie nepravé hibernace využívají medvědi či jezevci. Pro započetí hibernace je rozhodující vrozený biorytmus organismu, který podléhá přímému vlivu vnějších podmínek, z nichž nejdůležitější je zkracující se délka dne a pokles teploty vzduchu. V tomto období je pro většinu hibernantů důležité nejen hromadění zásobních látek, ale i budování hnědé tukové tkáně. Samotný vstup do hibernace je regulován tzv. spouštěcím hibernačním faktorem – HIT (hibernation induction trigger). Jedná se o specifický peptid vznikající v mozku hibernujících živočichů (Kulpa et Hall 1983). Někteří živočichové přečkávají ve stavu hibernace celé zimní období. Většina se však čas od času probouzí (Nelson et al. 2009). Příkladem jsou zemní veverky, probouzející se zpravidla jednou týdně po dobu 12-20 hodin (URL 11). Samotné probuzení z hibernace je započato zvýšením srdeční frekvence a vazodilatací cév, ke které dochází především v okolí srdce, plic a mozku. Následkem je zvýšení frekvence dýchání. Metabolická aktivita se postupně šíří do celého těla. Během několika málo hodin, u nepravých

hibernantů takřka

okamžitě, tak živočich dosáhne optima své tělesné teploty (Obr. 11) (Mayer 1960). Obr. 11 Zvýšení tělesné teploty arktických syslů po probuzení z hibernace (převzato z Mayer 1960).

30

7.1. Hibernace a imunita Hibernace potlačuje nejen fyziologické, ale i imunitní procesy živočichů. Příčinou je především pokles tělesné teploty na úroveň imulogicky netolerantní. Negativní vliv má však i potlačení nervové a humorální složky, s kterými imunitní systém úzce spolupracuje. Hibernace ve vztahu k imunitnímu systému živočichů drasticky snižuje (Bouma et al. 2010): -

počet všech typů cirkulujících leukocytů

-

hladinu komplementu

-

reakci na lipopolysacharidy buněčných stěn bakterií

-

fagocytární kapacitu

-

produkci cytokinů

-

proliferaci lymfocytů

-

rozvoj protilátek Potlačeny až téměř vypnuty jsou tedy obě složky imunity, složka specifická i

nespecifická. Hibernující živočichové jsou tak imunologicky velmi oslabení a v reakci na antigen téměř neschopni rozvinout adekvátní imunitní odpověď (Prendergast et al. 2001). Což se potvrdilo i během studií, kdy vědci naočkovali hibernující sysly zlatavé (Spermophilus lateralis) lipopolysacharidy buněčných stěn mrtvých bakterií, které za běžných podmínek stimulují imunitní reakci. K té však během hibernace nedošlo. Když se však později sysli nakrátko probudili, imunitní systém zareagoval tak, jako by byl právě nakažen, rozvinul horečku. V dalším experimentu byl nakaženým hibernujícím syslům aplikován prostaglandin E2, látka působící jakožto pyrogen. Výsledkem bylo okamžité probuzení a rozvoj horečky, což nasvědčuje tomu, že samotný mechanismus horečky během hibernace stále pracuje, imunitní systém však není schopen ho aktivovat. Tyto výsledky tak opodstatňují pravidelné probouzení hibernujících živočichů (Obr. 12), jež je energeticky velmi náročnou záležitostí (stojí až 80% energie), jako imunitní kontrolu organismu, popřípadě i následný boj proti infekčním chorobám a parazitům.

31

Obr. 12 Období aktivity a hibernace syslů zlatavých (Spermophilus lateralis) v průběhu roku (převzato z Nelson et al. 2009)

7.2. Syndrom bílého nosu Doposud jediné známé onemocnění projevující se pouze u hibernujících živočichů a zároveň velmi aktuální téma je Syndrom bílého nosu neboli WNS (white nose syndrom), nemoc napadající hibernující netopýry. Původcem je Geomyces destructans, bílá psychrofilní houba rostoucí od 3 do 18 °C, s optimem při 14 °C (Gargas et al. 2009). Jeskyně, jakožto hibernákula netopýrů, tak představují ideální prostředí pro její růst. U homoiotermních živočichů houby zpravidla díky vysoké tělesné teplotě nezpůsobují závažná onemocnění (Quammen 2010). Imunitní systém jakéhokoliv savce bude běžně fungovat tak, aby se parazitické houbě ubránil. Neplatí to však nevyhnutelně, pokud je savec pohroužen do zimního spánku. Potlačení imunitního systému v tomto období tak představuje predispozici k rozvoji infekce. WNS se projevuje plísní ojíněnou srstí na čenichu a bílými lézemi na netopýřích boltcích a křídlech (Obr. 13). Bílá látka je pravděpodobně dráždivá, dusivá či svědivá, což vede k předčasnému probuzení ze zimního spánku (Quammen 2010). To připravuje netopýry o tukové zásoby v množství potřebném na celý měsíc. Vystavuje je hladu nebo zmrznutí bez ohledu na to, zda se ve snaze najít potravu vydají či nevydají ven z jeskyně. Léze na křídlech navíc zhoršují letové schopnosti. Geomyces destructans tak možná nezabíjí netopýry přímo, avšak vyrušení ze spánku, vynaložená aktivita, ztráta energie a hlad v zimě vedou nevyhnutelně k jejich záhubě. 32

Obr.13 Netopýr napadený WNS (URL 12). Syndrom bílého nosu byl u netopýrů poprvé zjištěn ve Spojených státech v zimě roku 2006 (URL 13). Na chorobu vyvolanou plísní Geomyces destructans popsanou o něco déle v roce 2009 umírá v Severní Americe až 90 % zimujících netopýrů. WNS byl na americkém kontinentě prokázán u devíti druhů netopýrů a odhaduje se, že zahubil nejméně milion zvířat. V Evropě včetně České republiky procenta nakažených netopýrů nabývají velmi malých hodnot (URL 14). WNS se zde totiž vyskytuje zřejmě mnohem déle a zdejší druhy netopýrů jsou k ní odolnější. Velkou roli hraje také početnost kolonií, které v Americe na rozdíl od Evropy čítají stovky tisíc jedinců, což vzhledem ke skutečnosti, že úmrtnost v napadené jeskyni je 90-100 %, vysvětluje obrovské hodnoty nakažených netopýrů.

33

8. Závěr Bakalářská práce pojednává o vlivu tělesné teploty na průběh imunitních procesů obratlovců. Jako taková se v konečném důsledku zabývá celkovým stavem imunitního systému, který je od samého počátku své reakce funkčně spjat s tělesnou teplotou organismu. V případě většiny poikilotermních a hibernujících živočichů by však bylo nasnadě říci s teplotou okolí. Tak či onak tělesná teplota, ať už vnitřně generována, či získána skrze teplotní podmínky okolí, je pro průběh imunitních reakcí optimální pouze v určitém rozmezí. Teploty mimo toto rozmezí vedou k omezení biochemických reakcí a zprostředkovaně tak imunitních funkcí, tedy k imunosupresi organismu. Ta je založena především na redukci leukocytů, ke které pod vlivem nepříznivých teplot pravidelně dochází a která je společná oběma typům mechanismů, imunitě nespecifické i specifické. Potlačeny jsou však i konkrétní děje mechanismů, z nespecifické imunity je to především fagocytóza či systém komplementu. V rámci imunity specifické pak reakce zprostředkovaná Th lymfocyty. V konečném důsledku jsou tak skrze indukující kompartmenty potlačeny kompartmenty efektorové, tedy rozvoj protilátek a tvorba paměťové reakce. Propojenost imunitního systému, vzájemná závislost jeho mechanismů či složek, ale také spolupráce s nervovou a endokrinní soustavou se tak jeví být v tomto případě nevýhodou, jakousi slabinou, skrze kterou nabývá negativní vliv nepříznivých teplot na účinnosti. Jako nejefektivnější obrana imunitního systému se jeví být celková adaptace živočichů, skrze kterou dochází i k adaptaci leukocytů. Z textu také vyplynula důležitost nespecifické imunity, která je k nepříznivým teplotám více odolná a poskytuje tak účinnou obranu během adaptace imunity specifické. Zajímavým typem nespecifické obrany proti nízké teplotě, která vede k omezení některého z procesů, je rozvoj účinnosti procesu jiného. Ten, ačkoliv nedokáže plně kompenzovat prvotní mechanismus, zvyšuje pravděpodobnost úspěchu v boji proti případnému patogenu. Vliv teploty na nespecifickou imunitu je však oblastí imunologie, která ačkoliv je velmi debatována, nabízí doposud jen omezené množství informací. Důvodem je až druhotné zaměření studií, které upřednostňují imunitu specifickou. V rámci reakcí organismu je nejúčinnější proces horečky, který zvýšením tělesné teploty posiluje mechanismy nespecifické i specifické imunity. Horečka byla prokázána i u mnoha druhů poikilotermních živočichů, u nichž je však samotné zvýšení tělesné teploty závislé na chování jedince. Proto je tento druh horečky označován jako horečka behaviorální. Nejen z hlediska imunologie je zajímavý proces hibernace, během které imunitní systém živočichů takřka nereaguje na antigenní podněty. Situace se však změní, když se živočich nakrátko probudí, což je pro většinu hibernantů jednou týdně typické. Na základě 34

toho vznikla teorie objasňující pravidelné probouzení hibernujících živočichů jako imunitní kontrolu organismu a případný rozvoj imunitní reakce. Nízká tělesná teplota hibernantů je však i přesto predispozicí k rozvoji houbovitých onemocnění, o čemž svědčí i tzv. Syndrom bílého nosu, aktuální onemocnění postihující pouze hibernující netopýry. Jak již bylo zmíněno zajímavou skupinou z hlediska imunity jsou živočichové, kteří jsou v dané skupině odlišní právě z hlediska tělesné teploty. Informace jsou však velmi omezené a řada otázek tak stále čeká na zodpovězení. Poznatky z této bakalářské práce v případě poikilotermů často vycházejí ze studií, které probíhaly na omezeném množství modelových organismů, nejčastěji zástupců kostnatých ryb, jakožto nejpočetnější skupiny obratlovců. Výsledky jsou pak nejednou vztaženy na celou skupinu poikilotermních živočichů a stávají se tak spíše všeobecně uznávaným předpokladem. I přesto je však zřejmé, že nejen poikilotermní, ale i homoiotermní živočichové vyvinuli spoustu strategií a přizpůsobení se vnějším podmínkám, které skrze efektivnost imunitního systému zabezpečují úspěšnost v boji proti všudypřítomným patogenům.

35

9. Seznam zkratek

APC

- antigen prezentující buňky (antigen presenting cell)

C1 – C9

- složky komplementu

GALT

- lymfatická tkáň střeva (gut-associated-lymphoid-tissue)

HIT

- spouštěcí hibernační faktor (hibernation induction trigger)

IL

- interleukin

MAC

- membranolytický komplex (membrane attack complex)

NK buňky

- přirození zabíječi-buňky (natural killers)

PGE2

- prostaglandin E2

Tc

- cytotoxický T lymfocyt (T cytotoxic lymphocyte)

Th

- pomocný T lymfocyt (T helper lymphocyte)

TNF

- tumor nekrotizující faktor (tumor necrosis factor)

VLR

- proměnný lymfocytární receptor (variable lymphocyte receptor)

36

10. Použitá literatura Články v časopisech: Abruzzini A.F., Ingram L.O., Clem L.W.: Temperature-mediated processes in teleost immunity: homeoviscous adaptation in teleost lymphocytes. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 169(1), 12-18, 1982. Ainsworth A.J., Dexiang C., Waterstrat P.R., Greenway T.: Effect of temperature on the immune system of channel catfish (Ictalurus punctatus) - I. Leucocyte distribution and phagocyte function in the anterior kidney at 10 degrees C. Comparative Biochemistry and Physiology. A, Comparative Physiology, 100(4), 907-912, 1991. Amemiya C.T., Saha N.R., Zapata A.: Evolution and development of immunological structures in the lamprey. Current Opinion in Immunology, 19(5), 535-541, 2007. Avtalion R.R.: Temperature effect on antibody production and immunological memory in carp (Cyprinus carpio) immunized against bovine serum albumin (BSA). Immunology, 17(6), 927-931, 1969. Avtalion R.R., Wojdani A., Malik Z., Shahrabani R., Duczyminer M.: Influence of environmental temperature on the immune response in fish. Current Topics in Microbiology and Immunology, 61, 1-35, 1973. Banet M.: Fever in mammals: is it beneficial? The Yale Journal of Biology and Medicine, 59(2), 117-124, 1986. Barnes B.M.: Freeze avoidance in a mammal: body temperatures below 0 degree C in an Artic hibernator. Science, 244 (4912), 1593-1595, 1989. Bly J.E., Buttke T.M., Meydrech E.F., Clem L.W.: The effects of in vivo acclimation temperature on the fatty acid composition of channel catfish (Ictalurus punctatus) peripheral blood cell. Comparative Biochemistry and Physiology. B, Comparative Biochemisty, 83(4), 791-795, 1986. Bly J.E., Clem L.W.: Temperature and teleost immune functions. Fish & Shellfish Immunology, 2(3), 159-171, 1992. Bouma H.R., Carey H.V., Kroese F.G.: Hibernation: the immune system at rest? Journal of Leukocyte Biology, 88(4), 619-624, 2010. Bowden T.J., Thompson K.D., Morgan A.L., Gratacap R.M.L., Nikoskelainen S.: Seasonal variation and the immune response: A fish perspective. Fish & Shellfish Immunology, 22 (6), 695-706, 2007. Buttke T.M., Yang M.C.W., Van Cleave S., Miller N.W., Clem L.W.: Correlation between low temperature immunosuppression and the absence of unsaturated fatty acid synthesis in murine T cells. Comparative Biochemistry and Physiology. B, Comparative Biochemisty, 100(2), 269-276, 1991. Clem L.W., Faulmann E., Miller N.W., Ellsaesser C., Lobb C.J., Cuchens M.A.: Temperature-mediated processes in teleost immunity: Diferential effects of in vitro and in 37

vivo temperatures on mitogenic responses of channel catfisch lymphocytes. Developmental  Comparative Immunology, 8 (2), 313-322, 1984. Collazos M.E., Ortega E., Barriga C.: Effect of temperature on the immune system of a cyprinid fish (Tinca tinca, L). Blood phagocyte function at low temperature. Fish  Shellfish Immunology, 4(3) 231-238, 1994. Covert J.B., Reynolds W.W.: Survival value of fever in fish. Nature, 267(5606), 43-45, 1977. Cuchens M.A., Clem L.W.: Phylogeny of lymphocyte heterogeneity. II. Differential effects of temperature on fish T-like and B-like cells. Cellular Immunology, 34 (2), 219-230, 1977. Dexiang C., Ainsworth A.J.: Effect of temperature on the immune system of channel catfish (Ictalurus punctatus) - II.Adaptation of anterior kidney phagocytes to 10 degrees C. Comparative Biochemistry and Physiology. A, Comparative Physiology, 100(4), 913-918, 1991. Ellsaesser C.F., Bly J.E., Clem L.W.: Phylogeny of lymphocyte heterogeneity: the thymus of the channel catfish. Developmental  Comparative Immunology, 12(4), 787-799, 1988. Ford D., Klugman K.P.: Body mass and sex as determining factors in the development of fever in rats. The Journal of Physiology 304, 43-50, 1980. Fraifeld V., Blaiche-Kulic R., Degen A.A., Kaplanski J.: Is hypothalamic prostaglandin E2 involved in avian fever? Life Sciences, 56(15), 1343-1346, 1995. Frair W., Ackman R. G., Mrosovsky N.: Body temperature of Dermochelys coriacea: warm turtle from cold water. Science, 177 (4051), 791-793, 1972. Fujii T., Nakagawa H., Murakawa S.: Immunity in lamprey. I. Production of haemolytic and haemagglutinating antibody to sheep red blood cells in Japanese lampreys. Developmental  Comparative Immunology, 3 (3), 441-451, 1979. Fujii T., Nakamura T., Sekizawa A., Tomonaga S.: Isolation and characterization of a protein from hagfish serum that is homologous to the third component of the mammalian complement system. Journal of Immunology, 148(1), 117-123, 1992. Gargas A., Trest M.T., Christensen M., Volk T.J., Blehert D.S.: Geomyces destructans sp. nov. associated with bat white-nose syndrom. Mycotaxon, 108, 147-154, 2009. Grigg G.C., Beard L.A., Barnes J.A., Perry L.I., Fry G.J., Hawkins M.: Body temperature in captive long-beaked echidnas (Zaglossus bartoni). Comparative Biochemistry and Physiology. Part A, Molecular  Integrative Physiology, 136(4), 911-116, 2003. Hardie L.J., Fletcher T.C., Secombes C.J.: Effect of temperature on macrophage activation and the production of macrophage activating factor by rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) leucocytes. Developmental  Comparative Immunology, 18(1), 57-66, 1994. Hazen E.L.: Effect of temperature of inactivation of human, rabbit, and guinea-pig serum upon the hemolytic activity of complement. The Journal of Immunology, 46(5), 341346, 1943. 38

Kilpi M.K., Atosuo J.T., Lilius E.M.: Bacteriolytic activity of the alternative pathway of complement differs kinetically from the classical pathway. Developmental  Comparative Immunology, 33 (10), 1102-1110, 2009. Kluger M.J.: Fever in ectotherms: evolutionary implications. Integrative and Comparative Biology, 19 (1), 295-304, 1979. Kulpa C.M., Hall K.D.: Hibernation induction trigger substance from hibernation re-entering adult female ground squirrels (Spermophilus tridecemlineatus). Bios, 54(4), 237-245, 1983. Le Morvan C., Troutaud D., Deschaux P.: Differential effects of temperature on specific and nonspecific immune defences in fish. The Journal of Experimental Biology, 201(2), 165168, 1998. Lin G.L., Ellsaesser C.F., Clem L.W., Miller N.W.: Phorbol ester/calcium ionophore activate fish leukocytes and induce long-term cultures. Developmental  Comparative Immunology, 16(2-3), 153-163, 1992. Marnila P., Tiiska A., Lagerspetz K., Lilius E.M.: Phagocyte activity in the frog Rana temporaria: whole blood chemiluminescence method and the effects of temperature and thermal acclimation. Comparative Biochemistry and Physiology. Part A, Physiology, 111(4), 609-614, 1995. Mayer M.V.: Histological changes during the hibernating cycle in the artic ground squirrel. Bulletin of the Museum of Comparative Zoology, 124, 131-154, 1960. McKnight B.J., Jurd R.D.: The compatibility of Xenopus antibody and homoiothermic complement. Developmental  Commparative Immunology, 11(3), 585-593, 1987. Mondal S., Rai U.: In vitro effect of sex steroids on cytotoxic activity of splenic macrophages in wall lizard (Hemidactylus flaviviridis). General and Comparative Endokrinology, 125 (2), 264-271, 2002. Nagawa F., Kishishita N., Shimizu K., Hirose S., Miyoshi M., Nezu J., Nishimura T., Nishizumi H., Takahashi Y., Hashimoto S., Takeuchi M., Miyajima A., Takemori T., Otsuka A.J., Sakano H.: Antigen-receptor genes of the agnathan lamprey are assembled by a process involving copy choice. Nature Immunology, 8, 206-213, 2006. Nelson C.J., Otis J.P., Carey H.V.: A role for nuclear receptors in mammalian hibernation. The Journal of Physiology, 587, 1863-1870, 2009. Ortega C.E., Stranc D.S., Casal M.P., Hallman G.M., Muchlinski A.E.: A positive fever response in Agama agama and Sceloporus orcutti (Reptilia: Agamidae and Iguanidae). Journal of Comparative Physiology. B, Biochemical, Systemic and Environmental Physiology. 161(4), 377-381, 1991. Prendergast B.J., Freeman D.A., Zucker I., Nelson R.J.: Periodic arousal from hibernation is necessary for initiation of immune responses in ground squirrels. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 282(4) 1054-1062, 2002. Quammen D.: Pohroma. National Geographic, 126-137, 2010. 39

Raffel T.R., Rohr J.R., Kiesecker J.M., Hudson P.J.: Negative effects of changing temperature on amphibian immunity under field conditions. Functional Ecology, 20(5), 819828, 2006. Saha N.R., Smith J., Amemiya C.T.: Evolution of adaptive immune recognition in jawless vertebrates. Seminars in Immunology, 22 (1), 25-33, 2010. Sakai D.K.: Repertoire of complement in immunological defense mechanisms of fish. Annual Review of Fish Diseases, 2, 223-247, 1992. Scott A.L., Rogers A., Klesius P.H.: Chemiluminescence by peripheral blood phagocytes from channel catfish: function of opsonin and temperature. Developmental  Comparative Immunology, 9(2), 241-250, 1985. Song W.C., Sarrias M.R., Lambris J.D.: Complement and innate immunity. Immunopharmacology, 49(1-2), 187-198, 2000. Stevenson R.D.: Body size and limits to the daily range of body temperature in terrestrial ectotherms. The American Naturalist, 125(1), 102-117, 1985. Sunyer J.O., Zakardis I.K., Lambris J.D.: Complement diversity: a mechanism for generating immune diversity? Immunology Today, 19(11), 519-523, 1998. Šíma P.: Vývoj imunitích strategií v živočišné říši, 4. Imunita obratlovců. Živa, 1, 169-170, 1997. Urison N.T., Goelst K., Buffenstein R.: A positive fever response by a poikilothermic mammal, the naked mole rad (Heterocephalus glaber). Journal of Thermal Biology, 18(4) 245-249, 1993. Vallejo A.N., Miller N.W., Clem L.W.: Cellular pathway(s) of antigen processing in fish APC: effect of varying in vitro temperatures on antigen catabolism. Developmental  Comparative Immunology, 16(5), 367-381, 1992. Wright R.K., Cooper E.L.: Temperature effects on ectotherm immune response. Developmental  Comparative Immunology, 5(1), 117-122, 1981. Yang M.C.W., Buttke T.M., Miller N.W., Clem L.W.: Temperature-mediated processes in immunity: Differential effects of low temperature on mouse T helper cell responses. Cellular Immunology, 126(2), 354-366, 1990. Zarkadis I.K., Mastellos D., Lambris J.D.: Phylogenetic aspects ot the complement system. Developmental  Comparative Immunology, 25(8-9), 745-762, 2001. Zimmerman L.M, Paitz R.T., Vogel L.A., Bowden R.M.: Variation in the seasonal patterns of innate and adaptive immunity in the red-eared slider (Trachemys scripta). The Journal of Experimental Biology, 213 (9), 1477-1483, 2010.

40

Knihy: Hill R.W., Wyse G.A., Anderson M.: Animal Physiology. Sinauer Associates, Inc., Sunderland, Massachusetts U.S.A., 1st , pp.1-770, 2004. Hořejší V., Bartůňková J.: Základy imunologie, TRITON, Praha, 4th edition, pp. 1-316, 2009. Lavers Ch.: Proč mají sloni velké uši. Dokořán a Argo, Praha, 1st edition, pp. 1-263, 2004. Randall D., Burggren W., French K.: Eckert Animal Physiology: Mechanisms and Adaptations. W.H. Freeman and Company, New York, 5th edition, pp. 1-736, 2001. Uhlenbroek Ch.: Život zvířat: Obrazový průvodce světem zvířat a jejich chování. Euromedia Group, k.s. – Knižní klub, Praha, 1st edition, pp. 1-512, 2008. Toman M. et al.: Veterinární imunologie, Grada Publishing, a.s., Praha, 2nd edition, pp. 1377, 2009. Turner R.J.: Immunology – A Comparative Approach, John Wileyand and sons, Ltd., Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore, pp. , 1994. Vácha M., Fellnerová I., Bičík V., Petrásek R., Šimek V.: Srovnávací fyziologie živočichů, Masarykova univerzita, Brno, 2nd edition, pp. 1-160, 2008. Willmer P., Graham S., Johnston I.: Environmental Physiology of Animals. Blackwell Publishing, Malden, USA, 2nd edition, pp. 1-768, 2004.

Studijní materiály: Hyršl P.: Studijní materiály předmětu Bi8250 Vývojová a srovnávací imunologie, 2011.

11. Internetové zdroje URL 1 URL 2 URL 3 URL 4 URL 5 URL 6 URL 7 URL 8 URL 9 URL 10 URL 11 URL 12 URL 13 URL 14

http://teacher2.smithtown.k12.ny.us/epaulik/ap_lab_10.htm http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=104543 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Homeothermy-poikilothermy.png http://www.nytimes.com/2009/10/27/science/27rat.html http://www.itmonline.org/arts/antler.htm http://www.the-scientist.com/news/display/23186/, Phillips M.L., 2006 http://www.tutorvista.com/content/biology/biology-iv/immune-system/immunity.php http://contemporarypediatrics.modernmedicine.com/contpeds/content/printContent Popup.jsp?id=143315 http://www.scienceclarified.com/He-In/Hibernation.html http://www.myslivost.cz/Casopis-Myslivost/Myslivost/2009/Zari---2009/Zimnispanek.aspx http://www.sciencedaily.com/releases/2002/04/020402074547.htm http://www.bats101.info/white-nose-syndrome.php http://www.thedailygreen.com/environmental-news/latest/white-nose-syndromemap#ixzz1IqfXdkJl http://ekolist.cz/cz/zpravodajstvi/zpravy/syndrom-bileho-nosu-bila-nemoc-netopyru, Vítková Z., 2010 41

42