TermoregulaceTermoregulace

doc. MUDr. Miloslav Franěk, Ph.D.doc. MUDr. Miloslav Franěk, Ph.D.

ÚvodÚvod

klasický příklad fyziologického regulačního klasický příklad fyziologického regulačního mechanismumechanismu

teplota jádra u člověka bez horečky teplota jádra u člověka bez horečky stabilní (stabilní (±± 0,5°C) 0,5°C)– nemění se ani v závislosti na t okolí (12-54 nemění se ani v závislosti na t okolí (12-54

°C)°C)

teplota kůže se mění (nutné pro teplota kůže se mění (nutné pro termoregulaci)termoregulaci)

Normální teplota jádraNormální teplota jádra

není u každého stejnánení u každého stejnáměřeno v ústech: 36-měřeno v ústech: 36-37.5°C37.5°Cza průměr se za průměr se považuje 36.6-37°C, považuje 36.6-37°C, rektálně o 0.6°C vícerektálně o 0.6°C víceextrémní teplo (fyzická extrémní teplo (fyzická námaha) : 40°C, námaha) : 40°C, extrémní zima pod extrémní zima pod 35.5°C35.5°C

Rovnováha mezi produkcí a ztrátou Rovnováha mezi produkcí a ztrátou tepla Itepla I

produkce tepla - vedlejší produkt produkce tepla - vedlejší produkt metabolismu:metabolismu:– bazální metabolismusbazální metabolismus– svalová aktivita (včetně třesu)svalová aktivita (včetně třesu)– metabolismus aktivovaný tyroxinem metabolismus aktivovaný tyroxinem

(testosteron, růstový hormon)(testosteron, růstový hormon)– metabolismus aktivovaný sympatikem metabolismus aktivovaný sympatikem

(adrenalin, noradrenalin)(adrenalin, noradrenalin)– metabolismus aktivovaný zvýšenou metabolismus aktivovaný zvýšenou

chemickou aktivitou v samotných buňkáchchemickou aktivitou v samotných buňkách

Rovnováha mezi produkcí a ztrátou Rovnováha mezi produkcí a ztrátou tepla IItepla II

ztráta teplaztráta tepla

teplo vzniká v orgánech (svaly, játra), teplo vzniká v orgánech (svaly, játra), proniká do kůže a z ní se ztrácíproniká do kůže a z ní se ztrácí

ztrátu tepla proto určuje:ztrátu tepla proto určuje:– rychlost vedení tepla z hloubky do kůžerychlost vedení tepla z hloubky do kůže– rychlost ztráty tepla z kůžerychlost ztráty tepla z kůže

tepelný izolátortepelný izolátor

Tepelný izolátorTepelný izolátor

kůže, podkoží a kůže, podkoží a podkožní tukpodkožní tuk izolují (na izolují (na 1/3), srovnatelné s oblečením1/3), srovnatelné s oblečením

zabraňuje oboustranným ztrátám tepla za zabraňuje oboustranným ztrátám tepla za cenu velkých výkyvů teploty kůžecenu velkých výkyvů teploty kůže

izolátor „porušují“ krevní cévy – nosiče izolátor „porušují“ krevní cévy – nosiče teplatepla

Kožní cirkulaceKožní cirkulace

arteriovenózní anastomózy na rukou, nohu, arteriovenózní anastomózy na rukou, nohu, ušíchuších

podkožní venózní plexuspodkožní venózní plexus

Regulační funkce kožní cirkulaceRegulační funkce kožní cirkulace

do plexu nemusí téci do plexu nemusí téci nic nebo až 30% nic nebo až 30% srdečního výdeje – srdečního výdeje – obrovská schopnost obrovská schopnost regulaceregulace

8 násobné zvýšení 8 násobné zvýšení tepelné vodivosti při tepelné vodivosti při plné vazodilataci plné vazodilataci (sympatikus, (sympatikus, hypothalamus)hypothalamus)

Fyzikální základFyzikální základ

0°C = 32 F = 273.15 K0°C = 32 F = 273.15 K

37°C = 98.6 F37°C = 98.6 F

ztráta tepla:ztráta tepla:1.1. záření (radiace)záření (radiace)

2.2. vedení (kondukce)vedení (kondukce)

3.3. odpařování (evaporace)odpařování (evaporace)

Záření (radiace)Záření (radiace)

nahý člověk při pokojové teplotě ztrácí nahý člověk při pokojové teplotě ztrácí 60% tepla radiací60% tepla radiací

infračervené záření (5-20 um)infračervené záření (5-20 um)

září všechna tělesa, která nemají 0 K, září všechna tělesa, která nemají 0 K, proto může teplo jít do těla i z tělaproto může teplo jít do těla i z těla

Vedení (kondukce)Vedení (kondukce)

předávání tepla kontaktem s pevnými předávání tepla kontaktem s pevnými předměty (minimum), do vzduchu ale předměty (minimum), do vzduchu ale kolem 15 %kolem 15 %

teplo - kinetická energie vibrujících teplo - kinetická energie vibrujících molekul – se předává studenějšímu molekul – se předává studenějšímu vzduchu, ten se tím zahřeje a vzduchu, ten se tím zahřeje a proudí proudí (konvekce)(konvekce)

Proudění vzduchu (konvekce)Proudění vzduchu (konvekce)

nejprve kondukce (kůže-vzduch), pak nejprve kondukce (kůže-vzduch), pak konvekcekonvekce

vítr: vzduch proudí pryč dříve a je vítr: vzduch proudí pryč dříve a je nahrazen studeným, a proto jsou ztráty nahrazen studeným, a proto jsou ztráty tepla podstatně většítepla podstatně větší– ztráta tepla úměrná přibližně 2.mocnině ztráta tepla úměrná přibližně 2.mocnině

rychlosti větru (4m/s 2x účinnější než 1m/s)rychlosti větru (4m/s 2x účinnější než 1m/s)

VodaVoda

mnohokrát vyšší tepelná kapacita – mnohokrát vyšší tepelná kapacita – absorbuje mnohem víc tepla než vzduchabsorbuje mnohem víc tepla než vzduch

proto i obrovské ztráty kondukcí a proto i obrovské ztráty kondukcí a konvekcíkonvekcí

není možné vytvořit „izolační vrstvu“ vody není možné vytvořit „izolační vrstvu“ vody (u vzduchu ano), a proto ztráty tepla (u vzduchu ano), a proto ztráty tepla mimořádně velkémimořádně velké

Evaporace (odpařování)Evaporace (odpařování)

1 gram vody odebere 0.58 kcal1 gram vody odebere 0.58 kcal

pocenípocení

perspiratio insensibilis perspiratio insensibilis (i plíce): 450-600 ml (i plíce): 450-600 ml denně (12-16 kcal za hodinu, až 384 kcal denně (12-16 kcal za hodinu, až 384 kcal denně)denně)– nelze nijak regulovatnelze nijak regulovat

Vysoké teplotyVysoké teploty

radiace ani kondukce nepomohou, radiace ani kondukce nepomohou, naopak, klíčová role evaporacenaopak, klíčová role evaporace

lidé s vrozeným defektem potních žlaz:lidé s vrozeným defektem potních žlaz:– nízké teploty zvládají normálněnízké teploty zvládají normálně– při vysokých mohou i zemřít – teplota jádra se při vysokých mohou i zemřít – teplota jádra se

jim radiací a kondukcí zvyšujejim radiací a kondukcí zvyšuje

Ztráty tepla - shrnutíZtráty tepla - shrnutí

60%

3%

15%

22%

radiace

kondukce

konvekce

evaporace

OblečeníOblečení

izolační vrstva vzduchuizolační vrstva vzduchu

normální oblečení sníží ztráty na polovinu, normální oblečení sníží ztráty na polovinu, arktické na šestinuarktické na šestinu

polovina tepla z kůže do oblečení radiací, polovina tepla z kůže do oblečení radiací, proto zlatá folie teplo zachováproto zlatá folie teplo zachová

mokré oblečení funkci ztrácí – 20x mokré oblečení funkci ztrácí – 20x zvýšená ztráta teplazvýšená ztráta tepla

Pocení a jeho regulacePocení a jeho regulace

přední hypothalamus (tepelná nebo přední hypothalamus (tepelná nebo elektrická stimulace) – autonomní dráhy elektrická stimulace) – autonomní dráhy do míchy – sympatikus do kůžedo míchy – sympatikus do kůže

cholinergní inervacecholinergní inervace, ale A a NA , ale A a NA kupodivu potní žlázy stimulují také kupodivu potní žlázy stimulují také (význam při cvičení)(význam při cvičení)

Mechanismus sekrece potuMechanismus sekrece potu

žláza (primární pot) žláza (primární pot) a vývoda vývod

primární pot – primární pot – podobný plazmě podobný plazmě bez proteinů (Na bez proteinů (Na 142, Cl 104)142, Cl 104)

reabsorpce v duktureabsorpce v duktu

Složení potuSložení potu

závisí na rychlosti sekrece:závisí na rychlosti sekrece:slabá stimulace – pomalá sekrece – slabá stimulace – pomalá sekrece – vysoká reabsorpce Na a Cl (až k 5 vysoká reabsorpce Na a Cl (až k 5 mmol/l), tedy i vody – tj. velmi vysoká c mmol/l), tedy i vody – tj. velmi vysoká c urey, laktátu, draslíkuurey, laktátu, draslíkusilná stimulace – rychlá sekrece – Na a Cl silná stimulace – rychlá sekrece – Na a Cl 50 mmol/l, hodně vody – tj. nízká c urey 50 mmol/l, hodně vody – tj. nízká c urey (2x plazma), laktátu (4x), draslíku (1.2x)(2x plazma), laktátu (4x), draslíku (1.2x)nutnost aklimatizacenutnost aklimatizace

AklimatizaceAklimatizace

neaklimatizovaný člověk: do 1l/hneaklimatizovaný člověk: do 1l/h

aklimatizace (týdny) – profúzní pocení až aklimatizace (týdny) – profúzní pocení až 3 l/h (podstatně efektivnější ochlazování)3 l/h (podstatně efektivnější ochlazování)

aldosteron – pokles Na a Cl v potualdosteron – pokles Na a Cl v potu– neaklimatizovaný ve vedru: ztráta až 15-30g neaklimatizovaný ve vedru: ztráta až 15-30g

NaCl denně, po několika týdnech 3-5g NaCl denně, po několika týdnech 3-5g

Panting (funění)Panting (funění)

zvířata nemají potní žlázy nebo mají zvířata nemají potní žlázy nebo mají kožich – teplo musí vylučovat i jinakkožich – teplo musí vylučovat i jinak

centrum funění spojeno s centrum funění spojeno s pneumotaxickým centrem v pontupneumotaxickým centrem v pontu

přísun chladného vzduch z okolí, přísun chladného vzduch z okolí, evaporace tekutiny a slin z jazykaevaporace tekutiny a slin z jazyka

ventilace se nemění – mrtvý prostorventilace se nemění – mrtvý prostor

Regulace tělesné teplotyRegulace tělesné teploty

okolí 12-54°C: okolí 12-54°C: teplota jádra teplota jádra stabilní (okolo stabilní (okolo 37°C)37°C)nervová zpětná nervová zpětná vazbavazbapřední přední hypotalamus, hypotalamus, periferie, zadní periferie, zadní hypotalamushypotalamus

Hypotalamické centrumHypotalamické centrum

v přední hypotalamické-preoptické oblasti v přední hypotalamické-preoptické oblasti množství termosenzitivních neuronů (2/3 množství termosenzitivních neuronů (2/3 reagují akčními potenciály na teplo, 1/3 na reagují akčními potenciály na teplo, 1/3 na chlad)chlad)

termodatermoda

zahřátí této oblasti: okamžité profúzní zahřátí této oblasti: okamžité profúzní pocení, masivní dilatace kožních cév, pocení, masivní dilatace kožních cév, inhibice tvorby teplainhibice tvorby tepla

Detekce na periferiiDetekce na periferii

povrchové: tepelné a chladové (10x víc) povrchové: tepelné a chladové (10x víc) receptory v kůži, při ochlazení okamžitý receptory v kůži, při ochlazení okamžitý reflex:reflex:– třes, inhibice pocení, kožní vazokonstrikcetřes, inhibice pocení, kožní vazokonstrikce

hloubkové: stejné rozložení i v míše, hloubkové: stejné rozložení i v míše, břišních orgánech a kolem velkých žil: břišních orgánech a kolem velkých žil: registrace teploty jádraregistrace teploty jádra

hlavním úkolem je prevence hlavním úkolem je prevence hypotermiehypotermie

Zadní hypothalamusZadní hypothalamus

integrační centrum: bilaterálně na úrovni integrační centrum: bilaterálně na úrovni corpora mammilariacorpora mammilaria

informace z přední hypotalamické-informace z přední hypotalamické-preoptické oblasti i z periferních senzorůpreoptické oblasti i z periferních senzorů

vyhodnocení a odpověď: tvorba nebo vyhodnocení a odpověď: tvorba nebo šetření nebo odevzdávání tepelné energiešetření nebo odevzdávání tepelné energie

Efektorové mechanismyEfektorové mechanismy

poté, co hypotalamické centrum poté, co hypotalamické centrum rozhodne o stavu organismu, spouští se:rozhodne o stavu organismu, spouští se:

1.1. mechanismy snižování teploty nebomechanismy snižování teploty nebo

2.2. mechanismy zvyšování teplotymechanismy zvyšování teploty

Když je teplota vysoká…Když je teplota vysoká…

1.1. Vazodilatace kožních cév: 8x zvýšení Vazodilatace kožních cév: 8x zvýšení přísun tepla do kůže, inhibice přísun tepla do kůže, inhibice sympatických center v zadním sympatických center v zadním hypothalamu, téměř na celém tělehypothalamu, téměř na celém těle

2.2. Pocení: nastupuje při 37°C, velmi Pocení: nastupuje při 37°C, velmi efektivníefektivní

3.3. Pokles v produkci tepla: silná inhibice Pokles v produkci tepla: silná inhibice třesu a chemické termogenezetřesu a chemické termogeneze

Když je teplota nízká…Když je teplota nízká…

1.1. Vazokonstrikce kožních cév: stimulace Vazokonstrikce kožních cév: stimulace sympatického centra v zadním sympatického centra v zadním hypothalamu, také téměř všudehypothalamu, také téměř všude

2.2. Piloerekce: sympatikus na Piloerekce: sympatikus na musculi musculi arrectoresarrectores, u člověka malý význam, , u člověka malý význam, „izolační vrstva vzduchu“„izolační vrstva vzduchu“

3.3. Zvýšená termogeneze: 1.třes, 2. Zvýšená termogeneze: 1.třes, 2. sympatikus, 3.tyroxin, sympatikus, 3.tyroxin,

Hypothalamus a třesHypothalamus a třes

v dorzomediální části zadního hypotalamu v dorzomediální části zadního hypotalamu primární motorické centrum třesuprimární motorické centrum třesu

normálně inhibováno termickým centrem z normálně inhibováno termickým centrem z předního hypotalamupředního hypotalamu

při chladu aktivováno periferními senzory – při chladu aktivováno periferními senzory – kmen – mícha – motoneuronykmen – mícha – motoneurony

impulsy nemají rytmus, pouze zvyšují tonus – impulsy nemají rytmus, pouze zvyšují tonus – když přesáhne kritickou hranici – třeskdyž přesáhne kritickou hranici – třes

až 5x vyšší produkce tepla než v klidu až 5x vyšší produkce tepla než v klidu

„„Chemická“ excitace sympatikemChemická“ excitace sympatikem

A a NA zvyšují oxidaci živin a uvolnění A a NA zvyšují oxidaci živin a uvolnění tepla, ale ne vznik ATP: uncoupled tepla, ale ne vznik ATP: uncoupled oxidaceoxidaceprobíhá především v hnědém tuku probíhá především v hnědém tuku (speciální mitochondrie)(speciální mitochondrie)významná aklimatizace, po ní až 5x významná aklimatizace, po ní až 5x efektivnější tvorba tepla (potkan)efektivnější tvorba tepla (potkan)člověk málo hnědého tuku, proto zvýšení člověk málo hnědého tuku, proto zvýšení produkce tepla jen o 15 %, u dětí o 100 % produkce tepla jen o 15 %, u dětí o 100 %

TyroxinTyroxin

ochlazení předního hypotalamického ochlazení předního hypotalamického centra: sekrece TRHcentra: sekrece TRH

pomalé, až po několika týdnech zimy se pomalé, až po několika týdnech zimy se produkce T3 a T4 významně zvýšíprodukce T3 a T4 významně zvýší

u lidí proto význam spornýu lidí proto význam sporný

ŠŽ se zvětšuje, možná i proto je toxická ŠŽ se zvětšuje, možná i proto je toxická struma častější u lidí žijících v chladném struma častější u lidí žijících v chladném klimatuklimatu

Kritický „set-point“Kritický „set-point“

37,1 °C je zásadní 37,1 °C je zásadní teplota, kterou se teplota, kterou se snaží organismus snaží organismus udržet i za cenu udržet i za cenu značných výdajů značných výdajů (energie, sůl, voda)(energie, sůl, voda)

Zpětná vazbaZpětná vazba

síla zpětné vazby:síla zpětné vazby:

u termoregulace kolem 27, což je u termoregulace kolem 27, což je extrémně extrémně mnoho mnoho (baroreflex 2)(baroreflex 2)

1

core

envir

T

TFG

Nastavení „set-pointu“ pro poceníNastavení „set-pointu“ pro pocení

v předním v předním hypothalamu, ale hypothalamu, ale modulováno i modulováno i periferními senzoryperiferními senzory

anticipaceanticipace

Behaviorální kontrolaBehaviorální kontrola

významná u zvířat, ale u člověka kupodivu významná u zvířat, ale u člověka kupodivu takétaké

ve velkém chladu je to jediný ve velkém chladu je to jediný mechanismus zabraňující poškození mechanismus zabraňující poškození organismu organismu

klíčová po poranění krční páteře, lokální klíčová po poranění krční páteře, lokální reflexy samy nestačíreflexy samy nestačí

Lokální kožní reflexyLokální kožní reflexy

ruka pod lampou nebo ve studené voděruka pod lampou nebo ve studené vodě

místní pocení a reakce cévmístní pocení a reakce cév

přímé působení na cévy + míšní reflexypřímé působení na cévy + míšní reflexy

intenzita intenzita kontrolována hypotalamemkontrolována hypotalamem

HorečkaHorečka

teplota zvýšená teplota zvýšená nad normunad normu

infekce, mozkové infekce, mozkové nádory, nádory, environmentální environmentální příčinypříčiny

PyrogenyPyrogeny

látky schopné změnit nastavení set-pointulátky schopné změnit nastavení set-pointu

proteiny, rozpadové produkty proteolýzy, proteiny, rozpadové produkty proteolýzy, lipopolysacharidylipopolysacharidy

bakteriální toxiny, produkty rozpadu tkáníbakteriální toxiny, produkty rozpadu tkání

změna nastavení set-pointu následována změna nastavení set-pointu následována mechanismy tvorby tepla (několik hodin)mechanismy tvorby tepla (několik hodin)

Mechanismus účinku pyrogenůMechanismus účinku pyrogenů

některé přímo v hypotalamu, ale většina některé přímo v hypotalamu, ale většina nepřímo (endotoxiny)nepřímo (endotoxiny)

po fagocytóze produkují leukocyty po fagocytóze produkují leukocyty interleukin 1interleukin 1 – endogenní pyrogen – endogenní pyrogen

ten v hypotalamu do 10 min zvýší teplotu, ten v hypotalamu do 10 min zvýší teplotu, stačí několik ngstačí několik ng

asi také nepřímo, přes PgE2 - KASasi také nepřímo, přes PgE2 - KAS

Mozkové lézeMozkové léze

mechanické stimulace hypotalamu – hypo- mechanické stimulace hypotalamu – hypo- i hypertermiei hypertermie

neurochirurgie, tumorneurochirurgie, tumor

změna set-pointuzměna set-pointu

Zimnice a „flush“Zimnice a „flush“

doba, kdy set-point doba, kdy set-point neodpovídá teplotě neodpovídá teplotě tělatěla

zimnice: pocit chladu, zimnice: pocit chladu, studená kůže studená kůže (vazokonstrikce), třes(vazokonstrikce), třes

flush: horko, pocení, flush: horko, pocení, vazodilatacevazodilatace

ÚžehÚžeh

člověk vydrží několik hodin 55 °C na suchém člověk vydrží několik hodin 55 °C na suchém vzduchu, 34 °C při 100% vlhkosti a 29-32 °C při vzduchu, 34 °C při 100% vlhkosti a 29-32 °C při těžké prácitěžké prácistoupne-li teplota těla na 40°C – úžeh: zvracení , stoupne-li teplota těla na 40°C – úžeh: zvracení , zmatenost, delirium, ztráta vědomí, oběhový šokzmatenost, delirium, ztráta vědomí, oběhový šokněkolik minut extrémní teploty může být fatální: několik minut extrémní teploty může být fatální: poškození mozkupoškození mozku– poškození jater a ledvin může způsobit smrt i po poškození jater a ledvin může způsobit smrt i po

několika dnech po úžehuněkolika dnech po úžehu

lokální chlazení možná lepší než celkové (třes) lokální chlazení možná lepší než celkové (třes)

Aklimatizace v horkuAklimatizace v horku

vojáci v tropech, horníci v Jižní Africe vojáci v tropech, horníci v Jižní Africe (100% vlhkost, teplota skoro 37°C)(100% vlhkost, teplota skoro 37°C)

aklimatizace několik týdnůaklimatizace několik týdnů

větší objem krve, větší pocení, omezení větší objem krve, větší pocení, omezení ztrát sodíku potem a močí - aldosteronztrát sodíku potem a močí - aldosteron

Extrémní chladExtrémní chlad

20-30 minut v ledové vodě fatální (zástava 20-30 minut v ledové vodě fatální (zástava srdce), teplota těla 25 °Csrdce), teplota těla 25 °C

pokles pod 34°C nebezpečný – nízká pokles pod 34°C nebezpečný – nízká tvorba chemického tepla, spavost, koma tvorba chemického tepla, spavost, koma (není třes)(není třes)

arteficiální hypotermie: srdeční operace arteficiální hypotermie: srdeční operace (32°C): buňky vydrží bez kyslíku i 1h(32°C): buňky vydrží bez kyslíku i 1h