MUNI MED Stres a naše tělo, kolik vydržíme? Julie Dobrovolná Ústav patologické fyziologie LF MU i 3 Co jsou to extrémní podmínky? Jedná se o místa, která: A. Vykazují extrémní vlastnosti, které představují problém pro většinu forem života B. Které mohou lidé zkoumat C. Jejichž zkoumání vyžaduje speciální vybavení a technologie D. Patří sem vesmír, velehory, polární čepičky, velmi slané vody a pouště E. Vše výše zmíněno VL 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie Správná odpověď: E Jedná se o extrémní prostředí, které lidé mohou zkoumat, kde je nicméně život či krátkodobé přežití velmi obtížné a/nebo nemožné. Extrémní prostředí např. u člověka neumožňuje dýchání (vesmír), nebo neobsahuje zdroje vody či potravy. Z toho důvodu je možné přežití v takových podmínkách pouze za pomocí speciálně vyvinutých technologií (např. na ISS). MUNI MED Které prostředí není extrémní? Která z dále uvedených prostředí nejsou extrémní? A. Antarktida B. Amazonský deštný prales C. Sahara D. Mariánský příkop E. Mrtvé moře Odpověď: B Odůvodnění: Extrémní prostředí je takové prostředí, kde je pro člověka život velmi obtížný či nemožný. Amazonský deštný prales je domovem mnoha lidských společenstev, jedná se o obyvatelné místo, kde je přístup ke vzduchu, pitné vodě, potravě a který poskytuje útočiště. VL 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie Antarktida je nejjižnější kontinent na Zemi a má nejchladnější, nejsušší a největrnější podmínky. Z toho důvodu je Antarktida považována za poušť (největší na světě) Poušť Sahara se nachází na Blízkém východě v pásmu pod nejsevernějšími zeměmi Afriky. Jedná se nejteplejší místo na Zemi a třetí největší poušť světa. VL 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie Mariánský příkop je nejhlubší část zemských oceánů a běží o hloubky 2,5 kg. V této hloubce je tlak 1000krát vyšší než na úrovni mořské hladiny. Mrtvé moře se také nachází na blízkém východě a jedná se o oblast s velmi vysokou salinitou (33,7 %). Z toho důvodu v něm nemohou žít konvenční organismy. VL 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie Základní požadavky pro přežití člověka? A. Oheň, voda, vzduch, půda B. Úkryt, oheň voda, vzduch C. Potrava, voda, oheň, úkryt D. Voda, úkryt, vzduch, potrava Odpověď: D Odůvodnění: Extrémní podmínky jsou takové, kde je lidské přežití obtížné či nemožné. Pro přežití člověk vyžaduje pitnou vodu, útočiště, vzduch a potravu. V polárních oblastech je např. obtížné zajistit přežití z důvodu absence útočiště a extrémně nízkých teplot, i když vzduch, voda i potrava jsou přítomny. 3 MINUTES without AIR 3 HOURS 3 DAYS without without SHELTER WATER 30 DAYS without FOOD % Naopak v okolním vesmíru není přítomna ani jedna z nutných podmínek a pokud chceme zajistit přežití člověka v takových podmínkách, musí se tak dít za použití speciálních technologií. VL 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie u r j i ED Co z toho vyplývá? Naše planeta je poměrně nehostinná.. A může to být ještě horší. Co budeme dělat? Stres, homeostáza, alostáza A = ALLOSTAZA H = HOMEOSTÁZA C = KAKOSTÁZA HOMEOSTÁZA j U DÁ LOSÍ ALLOSTAZA AMYGDALA + locus ceruleus E, NE VL 2019 - JD - Ustav patologické fyziologie KRÁTKODOBÉ/ OPAKOVANĚ CRH hypothalamus ACTH adeno hypophysis CORTISOL I DLOUHODOBÉ/ NEADEKVÁTNĚ ADAPTACE (NOVÝ BOD) Repeated "hits- Lack of adaptation cl ' Normal response repeated over time ■ Normal adaptation Prolonged response Inadequate response v f ROZVOJ ONEMOCNENÍ (MIMO ADAPTAČNÍ REZERVU) 11 Ale na jaké prostředí jsme vlastně adaptováni? possible aquatic adaptations in human _species: Homo sapiens arguments for the aquatic ape hypothesis and related water-based models proposed natural habitat: coasts & beaches "It is not the strongest of the species that survives, nor the most intelligent that survives. It is the one that is most adaptable to change." Charles Darwin (1809 - 1882) A jak se vlastně adaptujeme? VL 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie MUNI MED Stres a okolní prostředí Co je to vlastně stres? Aoant strossant Hans SELYE Claude BfcKMAHD Walter CANNON 1907^1982 Henri LABORfT Charles McEWEN Wylie VALE Yvette TACHÉ Charles DARWN 1800 '810 '830 1830 1840 IM I860 1870 1880 1880 WO 1910 1890 1830 1840 1880 1800 1870 1880 1880 1000 »10 1010 Evoluce termínu „stres" Claude Bernard (1813-1878) Legons sur les phénoměnes de la vie communs aux animaux et aux végétaux Vnitřní prostředí je udržováno jako stálé Walter Cannon (1871 -1945) The Wisdom of the Body Homeostáza, stres, autonomní (sympatický) nervový sysém Hans Selye (1907-1982) The Physiology and Pathology of Stress; a Treatise Based on the Concepts of the General-Adaptation-Syndrome and the Diseases of Adaptation Hypotalamo-hypofyzárně nadledvinková osa (HPA) Evoluce termínu „stres" Robert Sapolsky Stress, the Aging Brain, and the Mechanisms of Neuron Death Why Zebras Don't Get Ulcers: an Updated guide to Stress, Stress-Related Diseases, and Coping Úloha limbického systému (hippocampus) v regulaci HPA Bruce McEwen & Theresa E. Seaman The End of Stress as We Know It Allostáza, homeodynamika Gordon Lithgow a další Hormeze, endokrinní regulace délky života u much, hlístů a myší Stres a okolní prostředí = definice? The Stress of Life, Hans Selye, 1956: „... the non-specific response of the body to any demand made upon it, whether it is caused by or results in, pleaseant, or unpleasant conditions". The Physiology and Pathology of Exposure STRESS A treatise based on the concepts of the GENERAL-ADAPTATION-SYNDROME and the DISEASES OF ADAPTATION by HANS SELYE M.D.. Ph.L>. {Prague), D.Sc. (McGitt). F.RJS. (Canada) Professor and Director of the Institut de Medecinc et de Chirurgic experimental** University de Montreal ACTA. INC. MEDICAL PUBLISHERS MONTREAL. CANADA Figure 2. Cover page to the first monograph by Selye on stress published in 1950. 19 Základní pojmy A = ALLOSTAZA H = HOMEOSTÁZA C = KAKOSTÁZA HOMEOSTÁZA j U DÁ LOSÍ ALLOSTAZA KRÁTKODOBÉ/OPAKOVANE AMYGDALA + locus ceruleus E, NE CRH hypothalamus CORTISOL ACTH adeno hypophysis ADAPTACE (NOVÝ BOD) Repeated "hits- Lack of adaptation A A A A A A A ponse Ä k AA A A A AAAAAAA ; Res fi j« jliľurn i\i\ :/¥VV¥¥Y\ s o _ ' Normal response repeated over time CL —ú— Normal adaptation Time Time DLOUHODOBĚ/N E ADEkVAT 1 ■v NE Prolonged response Inadequate response v f ROZVOJ ONEMOCNENÍ (MIMO ADAPTAČNÍ REZERVU) 20 H PA osa Hypothalamus 4- Pituitary Adrenal Cortex Glucocorticoid 1 Metabolic Glycolysis/Gluconeogenesis AnaboHsm/catabotism Lipolysis Insulin sittnaünK Immune Apoptosis Neutrophil/L>Tnphocy1e trafficking Cytokine production Anti-inflammatory responses Pro-inflammatory responses_ Central Nervous System ß Endorphin GAdrenal Medulla T BEHAVIORAL ADAPTATION Neuiotrammltten (HI! Peripheral Sympathetic Nenes Epinephrine i r Norepinephrine T « \RDlO\ ASCI I.AR ADAPTATION Metabolic Glycolysis Immune Regulation of cytokines Stabilization of cytoskeleton Infection Wound healina V Catecholamines (jlucocor'icoids METABOLIC ADAPTATION Behaviour Aggressive behauours Increased heart rate and blood pressure Increased respiration Stres a okolní prostředí Kde se to děje? 22 Stres a řízení organismu? Úloha tukové tkáně? 23 Charakteristiky bílých a hnědých adipocytů Typy buněk v bílé tukové tkáni - Adipocyty (buňky naplněné tukem) 30% - Preadipocyty a fibroblasty - Matrix z kolagenních vláken - Krevní cévy (kapiláry/endoteliální bb) - Imunitní bb (monocyty-makrofágy, lymphocyty) Lymphocyt Endoteliální bb Preadipocyty Adipocyty Vývoj tukové tkáně - více než diferenciace adipocytů Zralé adipocyty Preadipocyty Endotelie Zralé adipocyty ANGIOGENEZE Makrofágy Preadipocyty Buněčný původ peptidů secernovaných v AT i Adipocyty -> Adipokiny ! Lept in J Adiponektin i Sérový amyloid i Retinol binding protein 4 (RBP4) Apelin i pi appear i Buňky stromální vaskulární frakce cytokiny & chemokiny Monocyte chemoattractant protein 1 (MC Macrophage inflammatory protein (MIP) Tumor necrosis faktor a (TNFa) Interleukiny ip, 6, 8,10, .... Chemokiny Resistin Komunikace mezi buňkami Infiltrace ^ Cytokiny MCP-1 makrofágů další Spoustec Homeostatický stres loaická odnověd' Akutní zánět Patologická odpověď Posun bodu homeostáz Přejídání Inzulínová Rezistence vůči . katecholaminům . Nature Reviews | Endocrinology Nature Reviews | Endocrinology Metabolismus mastných kyselin a glukózy ve WAT IR Komplikace obezity Choroby plic Poruchy plicních funkcí Obštrukční spánková apnoe Syndrom hypoventilace Nealkoholická steatóza jater - steatóza steatohepatitida cirrhosa Choroby močového měchýře Gynekologické poruchy amenorrhea infertilita Syndrom polycystických ovarií Osteoartróza Kůže Dna Idiopaticka intrakraniální WežteJV^mrtvice Katarakta Ischemická choroba <-srdeční Diabetes Dyslipidemie Hypertenze Závažná pankreatitida Nádory Prsu, dělohy, děložního čípku, střeva, jícnu, pankreatu, prostaty, ledviny Zánět žil venostáza Role adipokinů a cytokinů u komplikací obezity Podkožní tuková tkáň Viscerální tuková tkáň makrofágy uzacel Nealkoholická ACRP * ▼ »,jkozv steatohepatitidaT PAh'f tolerance glukózy Inzulínová rezistence H-4 Secretované * látky : I Kosterní sval / Leptin \ Adiponektin i RBP4 TNF-a, IL-6... \ Další cílové tkáně teroskleróza cév, hyperten ze ^Komplikace obezity Lipolyza ve WAT u cloveka FFA glycerol a2-AR, HM74A, A1 receotor. EP3 receotor. Pharmacol. Res. 2006 53:482-91 Koordinace regulace ukládání/mobilizace tuků ve WAT u člověka Nalačno Katecholaminy ANP, BNP Do jater, do svalu Do jater Rozdíly v osudu mastných kyselin mezi WAT a BAT Bílý adipocyt Hnědý adipocyt Glycen FA FA" Glycerol _____i r\r* FA esterifikace Glycerol FA esterifikace Adrenergní kontrola metabolismu hnědých adipocytů Plazmatická membrána Mitochondriální biogeneze 3 (PGC1) o o m z camp —► pka -> Transkripce UCP1 " UCP1 ^ aktivace Lipolýza (FA) ^ P oxidace Souhrn Diabetes, kardiovaskulární choroby Stres a řízení organismu? Úloha tukové tkáně? 38 Osa mozek - tuková tkáň _/ Sensory feedback Nature Reviews | Neuroscience OSA „MOZEK - TUKOVÁ TKÁŇ" Stres a řízení organismu? Co to vše znamená? Lze objektivně změřit stres? Jakou roli ve stresu hraje tuková tkáň? 41 PATRA adipogeneze Strongly resistant Heavily predisposed Genetic predisposition (2) Dead individual (^) Sick individual (^) Healthy individual Death threshold Disease threshold Set of possible phenotypes Phenotypes no longer accessible to an individual Lenart P et al., Nat. Comm., under review üiii ED CO DELAME .Q ■o a; ■i-t c a; E en fü a; Ol o. a; ■i-t to a; E x a; Initial population I r- Single parasite generation Parasitism (if present) nv parasite generatior Mating (preference pt for the same phenotyp i Host infection (matching alleles model) New parasite generation (incl. mutation of antigen alleles) to a; ■i-t fD y "5. a; i_ S (Age-dependent) reproduction Reduced fecundity of infected host£ Offspring phenotype (aging or non aging) determination: threshold ru|e I (Age-dependent) mortality Extra mortality of infected hosts I Maximum of N individuals randoml' selected to form the next generatic SCIENTIFIC REPORTS OPEN tcccived:i Jnly IUI* 1? October 201 £ Evolution favours aging in populations with assortative mating and in sexually dimorphic populations Pttjfrr Leridrt.1'1, Julie Bie-iw-rt-öwi-VilLu1" 4 Ludek 3-+ LZE STRES VYPOČÍTAT? o Q. ID As SEL - QV-Qe body á(02)M(02) + á(C02)M(C02) 1 rÍAí(s)/ ŤB(s)\ „/l l \ / l l \ - á(H20)M(H2Oin) + á(H20)M(H20out) - a(02)M(02) + <7(C02)M(ťľO2) - a(H20)M(H2Oin) + a(H20)M(H20out) , Qcnv . Oevp . Qrad . Qc skin + 1.87Ae —(Ts(s)-TA(s)-)š J Po P___-V +Ae>.n - i;TlAaSBTair + - eAaSBTsshir, +--+ -—y- +--+ 611.21 exp 18.678 + 3 Qevp res skin body m(ť) dt f body skin skin aPROD{nostress) (ť)dt. Years of life Bienertova-Vasku et al.: PLoS One. 2016 Jan 15;ll(l):e0146667. ((• Ts(s) - 273.15\ Ts(s) - 273.15 234.5 ) Ts(s) - 16.01 rs(s)-273.15\7Vs)-273.15Yj/ 1 1 \ 234.5 y 7>,(s) - 16.01 +AeM(s)[0.0014(rRSS(s) - TA(sy) + 0.0017(58.7 - 133.332 ŤbÍs) 1 // r.(s)-273.15\r.(s)- 273.15\ tfR611.21exp (18.678--^-- 2345 / ^(s)-16.01 j (—-—)- \Tres(s) Tb(s)J 0 (ŤB{s) Ťs(s)\ \TB{sy Ts{sYJ Csb^sCs)4 - TlAefJsB^Cs)4) dr + 1.87A. -'-f(( — í(Tsír)-TA(r))ldr + Po J 7~s(r)-273.15' I Ts{r)-16.01 j /ŕfl(s) ŕc(s)\ ((18,6'- 23 1.5 ; r,(c)-16.01 s f^y^ - J^^V* í MW [0.0014(TKES(r) - ^(r)) + 0.0017(58.7 \'bKs) 'res(s) I j TA(r) - 273.15\TA(r) - 273.15 -//,,,! 1.2 lexp H lH.h78- 10J c-J ^7/ [6ll.2lexp[ dr + 133.332 /V r.fr) -273.15\7\(r) -273.15U //„611.21 exp 18.678——-1-^-I I n^|2^Jb)}PsLQ§oQji^t2018 - in press JAK TO SOUVISÍ S TUKEM? As SEL - Qp-Qe body - á(02)M(02) + á(C02)M(C02) - á(H20)M(H2Oin) + á(H20)M(H20out) - <7(02)M(02) + a(C02)M(C02) - a{H20)M{H2Oln) + o(H20)M(H20out) 4 4 - -r]AaSBT3air + - eAoSBT]kin + + Qevp res 1 Tbody m(t) 3 dt Qcnv , Qevp Qrad Qcnvres skin "i body skin skin t2 °>flOD(nostress) (ť)dt. Positive t Positive Stres a řízení organismu? Co to vše znamená? Jak je řízena tělesná distribuce tuku? Jak souvisí tělesná distribuce tuku s celularitou AT? Jak souvisí celularita s termogenezí? Jak s tím vším souvisí sympatoadrenální osa? A HPA osa? Jak s tím souvisí kvalita okolního prostředí? A jde to 47 Stres a řízení organismu? 48 Jak je řízena tělesná distribuce tuku? Jak souvisí tělesná distribuce tuku s celularitou AT? Jak souvisí celularita s termogenezí? Jak s tím vším souvisí sympatoadrenální osa? A HPA osa? Jak s tím souvisí kvalita okolního prostředí? A jde to změřit? Dýchatelný vzduch? CENTRAL NEURAL CONTROL Mi r m Nt

TPR SA Regulation Change Node Qt.QbT ABP Circulations 3 HR Heart RESPIRATORY SYSTEM exercise stimulus Vco2 '-Local Flow Regulation Chemical — Pico Drive CARDIOVASCULAR SYSTEM P|022 inspired air Glucose, Insulin & FFA Dynamics Al-, Epinephrine Regulation METABOLIC CONTROL 49 An Improved Dynamic Model for the Respiratory Response to Exercise Leidv Y, Serna1'2*, Miguel A, Marianas12, Alher M, Hernandez3 and Roberto A. Rabinovich45 UNI ED Dýchatelný vzduch - Adaptace na vysokou nadmořskou výšku trvá od 2 týdnů do 2 měsíců. - Většina změn se děje, aniž by o nich daný člověk věděl - Při dlouhodobém pobytu mají tyto změny i zjevný strukturální korelát - tzv. soudkovitý hrudník. - Různé další změny - vyšší počet krvinek, větší kapacita krve pro přenos kyslíku - Tělo udržuje vyšší míru hydratace - Různé populace: Tibeťané, obyvatelé And, Etiopané Noc vědců 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie MUNI MED Dýchatelný vzduch: rekord Úkryt: chlad a teplo - Adaptace na teplo-zimu: Bergmannovo pravidlo Teplokrevní živočichové žijící v chladnějším podnebí mají obvykle větší tělesnou hmotu než odpovídající živočichové z teplejšího podnebí - Adaptace na teplo-zimu: Allenovo pravidlo Teplokrevní živočichové žijící v chladnějším podnebí mají obvykle kratší končetiny než odpovídající živočichové z teplejšího podnebí Adaptace na teplo-zimu u člověka: člověk se na vysokou teplotu adaptuje převážně pocením, což je aktivní proces uvolňování tekutiny potními žlázami. Adaptace na chlad se děje primárně vazokonstrikcí - stažením cév v periferii, ale tímto samotným mechanismem nelze v nižších teplotách dosáhnout přežití. Na nízkou teplotu se adaptujeme důmyslným systémem obydlí - úkrytů a technologických řešení (oblečení), jedná se tedy primárně o technickou-kulturní adaptaci. Physiological Mitochondria Non-shivering bat^<(Q0£J) (BAT) <^A™ sis —K/ therm ogenesi: Skin blood flow Water evaporation Behaviorial Shivering thermogenesis //A Postural changes Temperature choice Altering microenvironment Cold-defense Heat-defense Activated Inhibited Vasoconstriction Vasodilation Sweating Inhibited Panting Saliva spreading Activated Inhibited Reduce Increased exposed surface exposed surface Heat-seeking Cool-seeking Nesting .... o jl Air conditioning Social huddling 3 MUNI MED Ukryt: chlad a teplo - rekordy Suchý vzduch: 120+ °C (248+ °F) krátkodobě, 70+ °C (158+ °F) dlouhodobě (s přístupem k vodě o nižší teplotě) Tropický vzduch: 60+ °C (140 °F) krátkodobě, 47 °C (117 °F) dlouhodobě Saturovaný vzduch: 48 °C (118 °F) krátkodobě, 35 °C (95 °F) dlouhodobě Voda: 46° C (115 °F) krátkodobě, 41 °C (106 °F) dlouhodobě Preoptic Area PACAP+ WSNs Temperature discrimination Temperature homeostasis Lateral Parabrachial Warm-relay Cool-relay C #spikes #spikes adapted from Nakamura and Morrison 2008, 2010 Spinal Cord Warm-active Absolute Temp adapted from Yarmolinsky et. al. 2016 V. Regulation of Body Temperature by the Nervous System Chan LekTan1ZacharvA.Knight1234 Temp Change adapted from Ran et. al. 2016 UNI ED Voda? Definujte zápatí - název prezentace / pracoviště Decreased effective circulating volume Decreased venous return i -*■ Decreased atrial stretch Increased ADH release ■*- I-Decreased cardiac — \ output \ Decreased arterial —i r Decreased renal BP. perfusion I \ Decreased Baroreceptors Decreased afferent peritubular arteriolar slretch '1 i r— Increased sympathetic tone Compensatory changes (increased cardiac output, increased peripheral resistance) capillary hydrostatic pressure Increased renin release L Increased renal Na reabsorption Altered Na delivery to macula densa 3 rIncreased angiotensin II Aldosteron e Increased renal HjO retenlion Increased effective Circulating volume MUNI ED Voda: fyziologické požadavky, rekord? Tr brain 80% lungs 90% bones 30% eyes 95% heart 75% ji blood 83% skin 64% muscles 75% a llliiiiiiiiij UNI ED Potrava: fyziologické požadavky, rekord? 74 vs. 382 dní? Noc vědců 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie A co vesmír? -Všechny 4 podmínky zaráz! MASARYKOVA UNIVERZITA