MUNI
MED
Stres a naše tělo, kolik vydržíme?
Julie Dobrovolná
Ústav patologické fyziologie LF MU a RECETOX PřF MU
1
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?
YOU CA N
3 MINUTES
without O
AIR ===?
3 HOURS
without
SHELTER
3 DAYS
without
WATER
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.
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 adaptatic
Normal response repeated over time
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?
To be totally without
stress is to be dead.
Hans Sei
taoo  wo ieo luo imo imo imo iito imo imo im wo i«0 nao wo iwo '*» isto imo i«o 2000 .*jio topo
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 lo rhe first monograph by Sclyc 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 adaptatic
Normal response repeated over time
DLOUHODOBĚ/N E ADEkVAT 1
NE
Prolonged response
Inadequate response
v f
ROZVOJ ONEMOCNENÍ (MIMO ADAPTAČNÍ REZERVU)
20
H PA osa
Hypothalamus I4-
Central Nervous System
Pituitary
Adrenal Cortex
Glucocorticoid
Metabolic
Glycolysis/Gluconeogenesis AnaboHsm/catabotism Lipolysis Insulin signaling
Immune
Apoptosis
Neutrophil/Lymphocyte trafficking Cytokine production Anti-inflammatory responses Pro-inflammatory responses _
GAdrenal Medulla
Peripheral Sympathetic Nenes
Epinephrine
I
Norepinephrine
Glycolysis
Metabolic
Immune
Regulation of cytokines Stabilization of cytoskeleton Infection Wound healing
Behaviour
Aggressive beha\iours
Increased heart rate and blood pressure
Increased respiration
.VlllOtmiMllittrli
CRM
< ARDIOYAS( n.AR ADAPTATION
V
Catecholamines
(jlucocor'icoids
4
. METABOLIC ADAPTATION
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
Soouštěč
Homeostatický stres
Fv7Íoloairká odnnvěd'
Akutní zánět
Patologická odpověď
Posun bodu homeostáz
Přejídání		Inzulínová	II	Rezistence vůči
		rezistence		, katecholaminům
Dead adipocyte
yayx
Lipopolysaccharide
Macrophage
TLR4  I Adipocyte
Chemokine expression (for example. MCP1) \		Pro-inflammatory chemokine expression (for example. TNF) \
Inflammatory cell recruitment		Pro-inflammatory polarization of recruited immune cells
Catecholamine
Adipocyte
Lipid droplet
Mitochondrion
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
r—J—r
			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
tcoeived:i Jnly IUI*
1? October 201 £
Evolution favours aging in populations with assortative mating and in sexually dimorphic populations
Pfrtfrr Leftdrt.1'1, Julie Bie-iw-rt-öwi-VilLu1" 4 Ludek &&*-c 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)-273.15Y|/  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 // 7\(s)-273.15\7\(s)- 273.15\
tfR611.21exp (18.678--^--
2345      / ^(s)-16.01 j
(—-—)-
\Tres(s) Tb(s)J
0
/rB(s) Ťs(s)\ \TB{sy Ts{sYJ
Csb^sCs)4 - T\AeaSBTA(s)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      J T,{r)- 16.01
f^y^ - J"Rss(s)W í M(r) [0.0014(Wr) " ^(r)) + 0.0017(58.7
\'blsJ       'res(s) I j
TA(r) - 273.15\TA(r) - 273.15 -//,,,! 1.2 lexp H lH.h78-       nrlA c-
[611.21exp[ dr +
133.332
/V            r.M-273.15\r-M-273.15\\ //„611.21 exp    18.678——-1-^-I I
^,^^£^006*2018 - in fress
JAK TO SOUVISÍ S TUKEM?
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
M
Nt<* Dt
ť-1 m
\ Neural control —
AUTONOMIC CONTROL
T, =TE
MRV
neurogenic mechanisms Exercise neural control
Mean value detector
PamCO, k
P' ram02
Central chemoreceptors
Peripheral chemoreceptors
humoral agents Ventilation controller
h
Frequency Optimizer
Otis' Equation
DT -> total ventilatory drive = Vc = VA + VD
Arousal
DT   I-'T-^
[ Upper airway J
Neural drive
V(t)
Variable breathing rhythm
Mechanical inspiratory muscle activity
1 V,
RESPIRATORY CONTROL
Lung stretch
Chemo-reflex
4
CNS response
ANS control
Gas exchange and transport
Baroreceptor	TPR
Regulation	Change
SA Node
V(0 V(t)
iVie'abclism dynamics
dynamics
ABP
Qt.QbT
Circulations
-i^neri
^HR
Heart
Glucose, Insulin & FFA Dynamics ,
RESPIRATORY SYSTEM
exercise stimulus
"C02
I-Local Flow Regulat
Chemical
P,co2 Drive CARDIOVASCULAR SYSTEM
pio2
inspired air
Epinephrine Regulation
METABOLIC CONTROL
AO
^J An Improved Dynamic Model for the Respiratory Response to Exercise
Leidv Y. Serna1'2*,     Miguel A, Mananas12,     Alher M. Hernandez3 and     Roberto A. Rabinovich4'5
MUNI
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
Noc vědců 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie
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
Skin blood flow
Water JLť^C\ evaporation
Shivering thermogenesis //t
Behaviorial
Postural changes
Temperature choice
Altering microenvironment
Cold-defense Heat-defense
Mitochondria
Non-shivering bat^(Q£$
(BAT) <£**r    \UCP1 Activated
sis —y/"'
therm ogenesi:
Inhibited
Vasoconstriction Vasodilation
Inhibited
Activated
Sweating Panting Saliva spreading
Inhibited
Reduce Increased exposed surface   exposed surface
Heat-seeking Cool-seeking
Nesting .... Social huddling    A.r cond.t.on.ng
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
30    °C 42 adapted from Tan et. al 2016
Trigeminal Ganglia
Noxious-heat (90%)
Temperature discrimination Temperature homeostasis
Lateral Parabrachial
J\_Type I (70%)
_Type II (20%) Type III (10%)
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?
i
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 alteram peritubular arteriolar stretch
'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
Aldosterone
Increased renal HjO retention
Increased effective
Circulating volume
MUNI
ED
Voda: fyziologické požadavky, rekord?
M U N I
MED
Příjem potravy?
56
MUNI
MED
Potrava: fyziologické požadavky, rekord?
74 vs. 382 dní?
Noc vědců 2019 - JD - Ústav patologické fyziologie
I
ED
A co vesmír?
-Všechny 4 podmínky
58
MASARYKOVA UNIVERZITA