Všeobecný (generalizovaný) adaptační syndrom (GAS) Definice stresu a GAS Fáze stresové reakce Konsekvence GAS Definice stresu a GAS • GAS je termín popisující sumu krátkodobých a dlouhodobých reakcí a adaptací organizmu na stres s cílem obnovit homeostázu, které, bez ohledu na povahu stresu, mají značně uniformní charakter • stres • suma biologických reakcí na stimuly nebo události, které hodnotíme jako ohrožující nebo stimulační (= stresory) a které mají tendenci porušit homeostázu • “pozitivní” stres (eustres) – omezené trvání, pomáhá překonat každodenní zátěžové situace a docílit překonání překážek a dosažení cílů  stimulace výkonnosti, která vede k následnému uspokojení • ztráta nebo porucha schopnosti reagovat na stres v důsledku poruchy zúčastněných systémů (např. Addisonova choroba) jsou život ohrožující • “negativní” stres (disstres) - pokud je kompenzace nedostatečná, nepřiměřená nebo stresor působí příliš dlouho, pak reakce vede k rozvoji poruch • stresor • jakýkoliv faktor narušující homeostázu • typy: fyzický (obj.), mentální, emoční • zdroj: externí nebo interní Pojem GAS zavedl Hans Selye • lékař maďarského původu (1907-1982), studoval v Praze, 1939 emigroval do Kanady • původně hledal nový hormone (aplikoval pokusným zvířatům extrakt z ovárií, pozoroval hypertrofii adrenálního kortexu, involuci imunitního systému a hemoragické ulcerace žaludku, nicméně stejná odpověď se dostavila po aplikaci mnoha jiných látek  popsal tuto stereotypickou reakci jako stresovou neboli GAS • napsal > 30 knih a > 1,500 vědeckých článků o stresu a souvisejících problémech, vč. Stress without Distress (1974) a The Stress of Life (1956) • Nature 138, 32, 1936: GAS sestává ze třech stádií resp. cest jak se vyrovnat se stresem • (1) všeobecný – není způsoben jediným specifických činitelem, ale jakýmkoliv inzultem, který má schopnost narušit homeostázu • (2) adaptační – stimuluje obranyschopnost • (3) syndrom – jednotl. manifestace jsou koordinovány a značně na sobě navzájem závisí • GAS zahrnuje 2 hl. regulační systémy • autonomní nervový systém (ANS), zejm. sympatikus • endokrinní systém hypothalamo-hypofyzární-adrenální (HPA) osa • 3 postupná stádia rozvoje syndromu • poplachová (alarmová) reakce (popsána již Walterm B. Cannonem v r. 1914 a 1935) • stádium resistence • stádium vyčerpání • objevnost Selyho práce spočívala v rozpoznání jednotné, efektivní a koordinované reakce organizmu na spektrum inzultů narušujících homeostázu • Claude Bernard: charakterizoval řadu specifických regulačních mechanizmů k udržení homeostázy • Hans Selye: stereotypní nespecifická reakce k udržení klíčových homeostatických parametrů v rozmezí slučitelném se životem Stádia stresu & jejich účel • (1) alarmová reakce (AR) • “fright  fight or flight” (F&F neboli Cannonova emergentní reakce) • rezistence organizmu k fyzickému poškození přechodně klesá s cílem přeorganizovat priority pro vyrovnání se se stresorem • spotřeba energie z dostupných zdrojů (glycogen), redistribuce krve k udržení  TK (perif. rezistence),  oxygenace bronchodilatací,  perfuze svalů, srdce a mozku • pokud stresor přestane působit, organizmus se rychle vrací k normální úrovni rezistence • (2) stádium rezistence • pokud působení stresoru trvá (není možný “fight or flight” v konkrétní psychosociálním prostředí), rezistence se zvyšuje nad rámec normy • energeticky náročné stádium - nároky hrazeny adipo- a proteo-katabolismem, TK zůstává zvýšen díky  resorpci Na • toto stádium je příkladem alostázy (= dosažení stability změnou, aktivním procesem) • (3) stádium vyčerpání • dlouhodobá (týdny - roky) trvající expozice stresoru (alostatické přetížení) snižuje postupně rezistenci díky neschopnosti udržet energetické nároky a v důsledku vedlejších efektů vystupňované stresové reakce  choroby z maladaptace • extrémní katabolismus, ovšem bez omezení energ. příjmu, imunodeficit, kardiovask. důsledky metabolických změn (1) Poplachová (alarmová) reakce (AR) • adaptivní, pomáhá přežití alterací metabolismu, kardiovaskulárních & respiračních funkcí, poklesem vnímání bolesti (analgesie) a zároveň inhibicí procesů snižujících šanci na přežití jako sexuální chování a chování spojené s příjmem a zpracováním potravy • metabolické změny  zvýšení glykemie pomocí katecholaminů (KAT) a glukokortikoidů (GK) •  insulinem-stimulovaný příjem Glc •  syntéza proteinů, MK a glycogenu •  lipolýza a proteolýza (vč. částí imunitního systému, který je “obětován” s cílem uvolnit AK •  glykogenolýza (KAT) – krátkodobý efekt na glykemii •  gluconeogeneza (GK) - dlouhodobý efekt na glykemii • kardiovaskulární a respirační změny  dodávka Glc a O2 svalům, srdci a mozku (KAT, GK a ADH) • uvolnění ADH napomáhá, kromě působení GK přes retenci Na v ledvině,  cirkulující objem • stresem-indukovaná analgezie (SIA)  pokles percepce bolesti 2 způsoby • opiáty-dependentní SIA: enkefaliny a -endorfiny • opiáty-independentní SIA: glutamát • kognitivní a emoční změny •  motivace, bdělost, pozornost, anxiozita zvýšeným uvolňováním noradrenalinu (NA) v CNS Analýza situace v CNS • (1) analýza potenciálně ohrožujících situací • nadřazené kognitivní oblasti – prefrontální kortex • hl. spojení se stresovými podkorovými centry - amygdala a locus coeruleus (LC) • nicméně umožňuje vědomou modifikaci automatické odpovědi a kontrolu nad stresem a anxietou! • proces extinkce = stimulace aktivující strach opakováním postupně ztrácí efekt • hl. oblast expertní analýzy nebezpečí = po iniciální automatické emoční reakci je vybráno chování, které je na základě dosavadních zkušeností nejlepší (pří poškození frontálního kortexu - “frontální syndrom“ není možné plánovat ani nejjednodušší úkoly) • (2) autonomní a neuroendokrinní reakce • limbický systém • hippocampus • paměť (zapamatování a vzpomínání), spoje s amygdalou a hypothalamem • zdroj emocí spojených s konkrétními vzpomínkami • analýza kontextu situace • amygdala • zásadní pro dekódování emocí a informací o ohrožení • spoje ze sensorického thalamu a prim. sensorických kortexů • thalamus • odbočka sensorických informací do amygdaly • hypothalamus • aktivován strukturami limbického systému • kontroluje aktivitu hypofýzy a ANS (přes LC) • mozkový kmen • pons • locus coeruleus (LC) – aferentace z hypothalamu, kontrola aktivity SNS a dalších částí CNS dodávkou NA  vzestup kognitivních funkcí (prefrontální kortex), motivace, aktivita HPA osy ( CRH), SNS aktivace • medulla oblongata – n. tractus solitarii Limbický systém Různá povaha stresorů vs. uniformní reakce • stresová reakce může být iniciována nejrůznějšími stresory: • skutečné • externí (viděné, slyšené, …) • z prim. sensorického kortexu cestou prefrontálního kortexu • interní (detekované/kvantifikované) • z jednotl. hypothalamických center, somatická a autonomní aferentace • zdánlivé • emoční (amygdala) • paměť (hippocampus) • bez ohledu na iniciální stresor, reakce probíhá uniformně preformovanými drahami zahrnující limbický systém  • (a) LC - SNS – dřeň nadledvin – KAT • (b) hypothalamus – HPA – kortizol • (c) CNS funkce (motorika, kognitivní f., chování) (1a) AR – autonomní nervový systém SNS  dřeň nadledvin  KAT • dřeň nadledviny funguje jako stres-responzivní rezervoár KAT jehož aktivita je modulována SNS (limbický systémem + LC), hypothalamem (CRH), hypofýzou (ACTH) a kortizolem • produkuje • 80% adrenalinu (hl. F&F mediátor) • 20 % noradrenalinu • KAT cirkulují ve vazbě na albumin, rychlá degradace v játrech  krátkodobě působící regulátory • syntéza KAT a metabolismus • rychlost limitujícím enzymem je tyrosinhydroxyláza • vrozené defekty syntézy (enzymy) • nadprodukce buňkami feochromocytomu • efekty •  GIT sekrece, motility, digesce •  salivace •  srd. frekvence, rychlosti vedení a kontraktility •  respirace & bronchodilatace • redistribuce krve ze splanchniku a kůže do svalů a mozku a srdce •  aktivity, bdělost, pozornost • metabolické efekty ( Glc a VMK) • adrenergní receptory a přísl. signální kaskády • receptory s G-proteiy • α (1 a 2) – PLC/IP3/DAG •  (1 - 3) - cAMP/PKA Metabolické efekty A – glykémie aj. (1b) AR – humorální odpověď – HPA • CRH je produkován v n. paraventricularis (PVN)  dostává se do hypofýzy hypothalamo-hypophyseálním portálním systémem  stimuluje uvolnění ACTH • prekursor proopiomelanocrtin (POMC) • ACTH se váže na G-prot. receptor  cAMP • efekty CRH • skrze HPA osu • metabolické efekty kortisolu • mimo HPA osu • v imunitním systému • poločas kortizolu v cirkulaci ~90min • vazba na cortisol-binding globulin (CBG, ~75%) a albumin (~15%) • periferní tkáňově-specifické modulace dostupnosti kortisolu účinkem enzymů • 11β hydroxysteroid dehydrogenáza typu 1 (11βHSD1) • 11β hydroxysteroid dehydrogenáza typu 2 (11βHSD2) • patologická odpověď na stres • hypokortkcalismus (Addisonova choroba) • panhypopituitarismus (Sheehanův syndrom) Regulace produkce kortisolu • produkci kortizolu ovlivňuje • (1) diurnální rytmus (melatonin) • (2) negativní zpětná vazba • kortisol  ACTH a CRH • substráty (Glc)  insulin  HPA • (3) stres • GK se účastní všech 3 stádií GAS • ER je spojena s krátkodobou aktivací HPA • setrvalejší aktivace HPA je podstatou stádia rezistence • dlouhodobé působení stresorů a tím HPA vede k stádiu vyčerpání Působení ACTH Biosyntéza steroidů • p450 enzymy jsou lokalizovány v mitochondriích, každá katalyzuje několik kroků • 3βHSD (hydroxysteroid dehydrogenáza) je lokalizována v cytoplazmě ve vazbě na endoplasmatické retikulum • 17βHSD a p450aro jsou exprimovány zejm. v gonádách Účinek GK – genomické efekty • receptor pro GK (GR) existuje ve dvou isoformách • cytoplasmatický (cGR) • membránový (mGR) • GK mají tedy několik způsobů působení • genomické – prostřednictvím cGR po vazbě na responsive elements (GREs) • non-genomické – prostřednictví, cGR, mGR a nespecifických efektů volných GK • (A) genomické efekty – cestou cGR – většina metabolických účinků GK je realizována genomicky • ~ 20-30% všech genů jsou GK-responsivní, GK jsou tudíž nepostradatelné pro život • GR knock-out zvířata nejsou viabilní!! • cGR má 3 domény: N-terminální transaktivační doména / DNA-vazebná doména / ligand-vazebná doména • po syntéze je GR lokalizován v cytoplasmě v komplexech s molekulárními chaperony • Hsp-70 – nově syntetizovaný GR, napomáhá foldingu nascentních GR • Hsp-90 – napomáhá dalšímaturaci a dosažení konformace nutné pro vazbu GK • funkce komplexů GR/Hsp/další proteiny • chrání GR před degradací proteasomem • zvyšuje afinitu GR ke GK (~100) • inaktivuje ostatní proteiny komplexu (např. MAPK) • aktivace receptoru • po vazbě GK v cytoplasmě nastává konformační změna a uvolnění z inhibičního komplexu s Hsp  translokace do jádra a homodimerisace • efekty: • (1) transaktivace = vazba na GRE • krátké specifické sekvence DNA lpromotery genů)  transkripce [I] • (2) transreprese = vazba na negativní GRE (nGRE) [II], interakce s jinými TF [III] nebo jejich koaktivátory [IV] • represe transkripce nebo blokáda působení TF (např. AP-1, NFkB, ...) • sled událostí po vazbě GK an receptory trvá min. 20-30min – pozdní efekty ve srovnání s peptidovými hormony nebo nongenomickými účinky GK • afinita steroidních receptorů (pro GK, aldosteron, estradiol) není specifická!! • např. GK se pohotově váží MR v mozku, v ledvině ale ne (degradace) • (B) non-genomické efekty – celá řada protizánětlivých a imunosupresivních účinků GK Signální kaskáda receptorů steroidních hormonů • GR fungují jako hormon- dependentní nukleární transkripční faktory • GK vstupují do buněk pasivní difuzí, váží se na receptor [1], který je následně uvolněn z komplexu s heat shock proteiny [2] a translokován do jádra [3] • zde receptor dimerizuje [4], váže se na specifické sekvence DNA [5] zvané Hormone Responsive Elementy (HRE) a ve spolupráci s ko-regulátory [7] zahajuje transkripci genů • poslední krok může být modulován některými signálními kaskádami [10] nebo antagonisty receptoru (např. tamoxifen [11]) • následná genová transkripce [8] je charakteristická pro genomické efekty GK • působení je ukončeno proteasomální degradací [9], • jiné, non-genomické efekty jsou zprostředkovány např. membránově vázanými receptory [6] Metabolické efekty GK – zvýšený obrat volných a skladovaných substrátů Tkáň/orgán Fyziologické efekty Důsledky nadprodukce Játra Jaterní glukoneogeneze ( Glc) (stimulace klíč. enzymů – pyruvátkarboxyláza, PEPCK, G6Páza) porucha glukózové tolerance/diabetes mellitus jaterní lipogeneze ( MK a VLDL) (stimulace klíč. enzymů acetyl-CoA-karboxyláza a syntetáza MK) steatóza/steatohepatitida Tuková tkáň lipolýza v subkutánní tuk. tkáni ( VMK) (aktivace HSL a inhibice LPL) insulinová rezistence ve svalu (kompetice VMK s Glc o oxidaci) vychytávání Glc (down-regulace IRS, inhibice PI3K, Glut4 translokce aj.) insulinová rezistence v důsledku interference s post-receptorovou signalizací v insulinu diferenciace adipocytů viscerální tuk. tkáně (exprese GR a 11βHSD1 je rozdílná v podkožní a viscerální tuk. tkáni) trunkální (abdominální) obezita, metabolický syndrom Kosterní sval vychytávání Glc (down-regulace IRS, inhibice PI3K, Glut4 translokce aj.) insulinová rezistence v důsledku interference s post-receptorovou signalizací v insulinu proteolýza,  proteosyntáza ( AK) (protisměrný efekt k IGF, aktivace ubiquitin/proteasom degradace,  myostatin a glutamin syntetáza) svalová atrofie, slabost, steroidní myopatie Pankreas (β bb.) sekrece insulinu (suprese GLUT2 a K+ kanálů, apoptóza) porucha glukózové tolerance/diabetes mellitus Periferní modulace dodávky GK • prostřednictvím enzymů katalyzujících konverzi aktivní a neaktivní formy GK • (a) 11β hydroxysteroid dehydrogenáza typu 1 (11βHSD1) • působí jako reduktáza, regeneruje kortisol z kortisonu   intracelulární koncentraci kortisolu • zejm. v játrech a tukové tkáni • exprese 11βHSD1 je vyšší v ve viscerálním než podkožním tuku  viscerální tuk je tedy flexibilnějším poolem energie, ale zase je citlivěji suprimovatelná (což hraje roli v rozvoji abdominální obezity u Cushingova syndromu) • ko-lokalizována s GR (v játrech a tuk. tkáni) a tak lokálně amplifikuje efekt kortizolu • 11βHSD1 overexprese u myší vede k obezitě, zatímco 11βHSD1 knock-out myši jsou rezistentní k obezitě i při přejídání • tkáňově-specifické inhibitory 11βHSD1 by mohly být terapeuticky využitelné u metabolického syndromu a obesity • patologie spojené s 11βHSD1 • Cushingův syndrom – vyšší exprese 11βHSD1 ve visc. tuku, ale zároveň vyšší suprese GK vede k převaze lipolýzy v podkožním tuku a jeho kumulaci ve viscerálním • kongenitální deficit 11βHSD1 (apparent cortison reductase deficiency)  kompenzatorní aktivace HPA osy  nadbytek adrenálních androgenů  oligomenorhea, hirsutismus u žen • overexprese 11βHSD1 v subkutánním tuku (kongenitální nebo získaná) vede k lipodystrofii • deficit 11βHSD1 hraje roli v patogenezi syndromu polycystických ovarií (PCOS)  kompenzatorní aktivace HPA osy  hyperandrogenizmus  oligomenorhea, hirsutismue, cystická ovaria • regulace: hladovění, kortisol, další hormony • (b) 11β hydroxysteroid dehydrogenáza typu 2 (11βHSD2) • působí jako dehydrogenáza, degraduje kortisol na kortison   intracel. koncentraci kortisolu • zejm. v ledvině = degradací kortisolu umožňuje tkáňově specificky preferenční působení aldosteronu na MR i přesto, že konc. plazm. kortisolu >>> aldosteronu • patologie spojené s 11βHSD2 • kongenitální deficit 11βHSD2 (apparent mineralocorticoid excess)  monogenní forma hypertenze • 11βHSD1 je exprimována v placentě (udržuje nižší hladiny kortizolu ve fetální cirkulaci) – deficit napomáhá některým těhotenským komplikacím (preeclampsie, IUGR, ...) a možná hraje roli při tzv. “fetálním či metabolickém programování” Shrnutí – kinetika GK (2) Stádium rezistence • pokud stres trvá (dlouho po bezprostřední F&F reakci), typicky v nižší intenzitě ale zato dlouho, zvýšené energetické nároky jsou kryty metabolicky zvýšením dostupnosti Glc a VMK • především regulací jaterní glukoneogeneze a lipolýzy v tukové tkáni • kromě toho jsou “šance na přežití” optimalizovány změnami imunitních funkcí • supprese adaptivní (specifické) imunity • aktivace některých složek vrozené (nespecifcké) imunity za souč. suprese jiných • konečně se plně projevuje celá řada ne-metabolických/neimunologických efektů GK (Tab.) které jsou výhodné krátkodobě, ale škodlivé dlouhodobě Tkáň/orgán Fyziologický efekt Důsledek nadprodukce Kost a pojivo  činnost osteoblastů a tvorba kosti vs.  činnost osteoklastů and resorpce kosti osteoporóza  syntéza kolagenu a  proteolýza osteoporóza,špatné hojení ran, snadná tvorba modřin, ztenčení kůže GIT  absorpce kalcia osteoporóza  Sekrece žal. šťávy,  tvorba hlenu stresové vředy Ledvina  retence Na (GK-activated kinase, zvýš. tvorba Nakanálů a angiotensinogenu v játrech hypertenze, hypokalemie Kostní drěň  maturace erytrocytů a PMN polyglobulie, granulocytóza Reprodukční systém suprese produkce estradiolu a testosteronu oligomenorhea, infertilita CNS GR exprimovány v hippocampu  genomické a non-genomické účinky ( glutamate, Ca, serotonin, opiáty, NE z LC) post-traumatic stress disorder, “burn-out”, deprese, úzkostná porucha Fetální a neonatální vývoj surfaktant a maturit plic; indukce fetálních jaterních a gastrointestinálních enzymů nezralost plic u nedonošených Mechanizmus působení GK na imunitní systém • genomické efekty [I] • transaktivace a transreprese celé řady proteinů zúčastněných v imunitních reakcích • non-genomické efekty • sekvestrace proteinů cGR [II] • např. kináz (MAPK)  blokáda jejich působení • mGR [III] - multi-proteinové komplexy s jinými membránovými receptory  blokáda působení • např. růstové faktory • alternativně, indukce apoptózy • přímá interakce GK s buněčnými membránami [IV]  interkalace do membrány  stabilizace • inhibice Na/Ca výměníku • “proton leak” v mitochondriích  pokles ATP • ATP-dependentních procesů v imunitním systému (cytokineze, migrace, fagocytóza, prezentace antigenu, syntéza protilátek, cytotoxicita, …) GK a imunitní systém Efekt GK na buňky imunitního systému Monocyty / makrofágy ↓ počet cirkulujících bb. (↓ myelopoéza, ↓ uvolňování) ↓ exprese MHC-II molekul a Fc receptorů ↓ syntéza pro-zánětlivých cytokinů (např. IL-1, -2, -6, TNFα) a prostaglandinů T lymfocyty ↓ počet cirkulujících bb. (apoptóza, redistribuce) ↓ produkce a účinek IL-2 Granulocyty ↑ počet cirkulujících neutrofilů ↓ počet cirkulujících bazofilů a eosinofilů Endotelové bb. ↓ cévní permeabilita ↓ exprese of adhesivních molekul ↓ produkce IL-1 a prostaglandinů Fibroblasts ↓ proliferace ↓ produkce fibronektinu a prostaglandinů Příklad mnohočetného působení GK na imunitu Rovnováha Th1/Th2 imunitních odpovědí - Th2 posun jako důsledek stresu Shrnutí – efekt GK na imunitu (3) Stádium vyčerpání (“wear and tear”) • příklady klinicky významných důsledků: • stres je jednou z nedědičných komponent metabolického syndromu • následné kardiovaskulární postižení • GIT • peptické ulcerace, dráždivý tračník, průjmy, ulcerativní kolitida • genitourinární systém • impotence, frigidita, inkontinence • kůže • ekzém, akne, zhoršené hojení • bolesti hlavy a zad • tenzní cefalea, vertebrogenní algický syndrom, … • imunitní systém • imunosuprese a násl. paradoxní chron. infekce a autoimunity • CNS • únava, letargie, přejídání, deprese, nespavost, úzkost • nesprávná technika relaxace • dlouhodobě lze stres tolerivat pouze intermitentně, periody zátěže střídané periodami relaxace! • vyšší incidence nemocí během dovolených • vysoká incidence úmrtí v prvních letech odchodu do důchodu po odchodu ze stresujícího zaměstnání Subjektivní a fylogenetické rozdíly v odpovědi na stres • “flourish or perish” – značné interindividuální rozdíly v intenzitě odpovědi konkrétní osoby na stres v důsledku celé řady faktorů • prenatální stres = fetální programování • zkušenosti v časné fázi života • postnatal handling and mother care, mother separation, … • např. u pokusných zvířat (hlodavců) – mateřská péče (olizování a čištění) vede k rozvoji explorativního, zvídavého a méně emocionálního chování u potomků = neofilní ( HPA aktivita) spolu s dlouhověkostí a nižší mortalitou • špatná mateřská péče nebo separace vede k rozvoji bojácného, emotivního a anxiózního chování potomků = neofobické s nižším dožíváním • na druhou stranu, bez ohledu na stresové působení, zneužívání potomků (hrubé zacházení matkou) navozuje závislost a ne odpor  chování, které zvyšuje šance na přežití protože zajišťuje pokračující přísun potravy (u člověka mnohem komplexnější souvislosti!) • zkušenosti nabité během dospělosti • škola, práce, rodina, interpersonální vztahy spánková deprivace, … • pohlavní rozdíly • genetické faktory - sensitivity to stress/reward mediators • polymorfizmus např. v genu pro serotoninový transportér, brain-derived neurotrophic factor, GR, MR, … • stres hraje různou roli u různých druhů podle charakteristických typů sociálního chování, prostředí atd. • příklad: dominantní a subdominantní primáti (samci) • ve stabilních podmínkách (bez teritoriálního ohrožení), dominantní samci mají nižší hladiny GK než subdominantní • v nestabilních podmínkách se situace obrazí, resp. vyrovnává • “síla osobnosti” dominantních samců koreluje s hladinami GK v klidových podmínkách • člověk je ve srovnání s jinými druhy zvyklý a přizpůsobený k adaptaci na dlouhodobý stres hyperaktivitou některých systémů (selekční výhoda) • dnes bohužel nevýhoda