Homeostáza, cirkadiánní rytmicita, stres a všeobecný adaptační syndrom VL 28. 2. 2018 Bienertová-Vašků J, Zlámal F, Nečesánek I, Konečný D, Vasku A. PLoS One. 2016 Jan 15;11(1) Regulace energetické homeostázy MCH=melanin concentrating hormon Nat Rev Neurosci. 2012 Mar 7; 13(5): 325–335 Cirkadiánní rytmicita  Centrální „hodiny“ jsou v n. suprachiasmaticus (SCN; přední talamus). SCN neurony generují rytmicitu, elektrickou aktivitu a produkují synchronizující signály, které řídí fázi oscilace tzv. periferních hodin (játra, ledviny, srdce, plíce a svaly).  Rytmická aktivita SCN je synchronizována externím světlem přes sítnici.  Periferní tkáně produkují rytmické fyziologické výstupy, které jsou vedeny SCN a synchronizovány s prostředím, což má za úkol zajistit optimální aktivitu nebo odpověď na potřeby organismu v příslušné denní nebo noční době Porucha cirkadiánních rytmů ovlivňuje negativně mnohé orgánové systémy Příklady cirkadiánních rytmů u savců • Produkce melatoninu • Sekrece kortizolu • Teplota tělesného jádra • Exkrece K+, Na+, Ca++ a vody močí • Arteriální krevní tlak • Hematologické proměnné (hemoglobin, hematokrit, lymfocyty aj.) • Elektroencefalografická aktivita • Cyklus odpočinek-aktivita • Sekrece růstových hormonů • TSH Poruchy cirkadiánní rytmicity • Řada fyziologických procesů vykazuje typický čtyřiadvacetihodinový denní rytmus. Při cestách napříč časovými pásmy či při práci v nepřetržitých provozech ale dochází k narušení cirkadiánní rytmicity, což má za následek celou řadu problémů. • V poslední době se hromadí důkazy o tom, že kromě střídání světla a tmy patří k významným regulátorům cirkadiánní rytmicity i další faktory, např. příjem potravy. Ukazuje se, že kromě centrálního cirkadiánního oscilátoru v nucleus suprachismaticus vykazují typickou cirkadiánní oscilaci i biochemické a molekulárněbiologické procesy v jednotlivých buňkách, tkáních a orgánech. • Cirkadiánní rytmicita procesů v trávicím traktu, ale i v tukové a svalové tkáni je mnohem silněji ovlivňována příjmem potravy než střídáním světla a dne. Při nevhodném denním režimu, např. při konzumaci jídla v nočních hodinách, pak může dojít k asynchronii mezi cirkadiánní oscilací v nucleus suprachiasmaticus a v tkáních těla. Tato asynchronie se ukazuje jako významný faktor pro vznik obezity, diabetu druhého typu a řady dalších metabolických poruch. Cirkadiánní rytmicita  Cirkadiánní oscilace vznikají také na úrovni genové exprese a modifikace proteinů a jejich sekrece. Tyto oscilace jsou řízeny produkty hlavních cirkadiánních genů.  Funkce cirkadiánního systému klesá s věkem. U lidí se ukazuje předstih ve fázi (dřívější čas nejvyšší hodnoty) a redukované amplitudy (= nejvyšší hodnota) cirkadiánní rytmicity teploty a sekrece hormonů (zejména melatoninu a kortizolu). Noční práce • obrací jídelní režim a vede k expozici světlu v nočních hodinách. Expozice světlu v nočních hodinách vede k poruše tvorby serotoninu v SCN, což vede k ovlivnění center zodpovědných za kognici a hypotalamických jader, které ovlivňují metabolismus a periferní cirkadiánní oscilátory. Světlo v noci ovlivňuje sekreci a denzitu receptorů pro melatonin. Světlo v noci melatonin vychytávání volných kyslíkových radikálů Srdeční nemoci Předčasné stárnutí nádory Porucha serotoninových cest: poruchy nálady, deprese, podrážděnost NSC NSC= nucleus suprachiasmaticus hypotalamick á jádra slinivka břišní játra tuková tkáň Jídlo v noci Zvýšená preference/ konzumace jídla s vysokým obsahem cukrů a tuku Zvýšená adipozita a inzulínová rezistence Zvýšený BMI Špatná signalizace leptinu/grelinu Obezita Cévní mozková příhoda Diabetes Srdeční nemoci Erin L. Zelinski, Scott H. Deibel, Robert J. McDonald Neuroscience and Biobehavioral Reviews 40 (2014) 80–101 Denní spánek • Za normálních okolností vykazuje cirkadiánní rytmicitu asi 6,5 % všech OPISOVANÝCH GENŮ (transkriptů) v buňce. Pokud je ale čtyřiadvacetihodinový přirozený rytmus narušen, klesá podíl transkriptů s výraznou cirkadiánní rytmicitou na pouhé 1 %. Mnohé geny tedy ztrácejí typický cirkadiánní rytmus transkripce. • Denním spánkem SE NARUŠÍ transkripce jak genů, které jsou aktivní ve dne, tak i genů, pro něž je typická noční aktivita. K cirkadiánním rytmům, které jsou i při denním spánku zachovány, patří produkce melatoninu. Naopak v ostatních tkáních a orgánech dochází k mnohem výraznějšímu narušení cirkadiánní rytmicity. Denní spánek • Ke genům, u kterých dochází k potlačení cirkadiánní rytmicity po denním spánku, patří geny pro RNA polymerázu II, ribozomální proteiny, iniciační a elongační faktory translace. Dále to jsou geny, které zajišťují epigenetické změny dědičné informace, např. metylázy a acetylázy. • Narušení cirkadiánní rytmicity v tkáních a orgánech se týkÁ i genů klíčových pro udržení cirkadiánních oscilací, jako je gen CLOCK a BMAL1. Denní spánek • Zatím není jasné, jakými mechanismy působí spánek mimo obvyklou noční dobu na řízení cirkadiánní rytmicity v orgánech. Je však zřejmé, že častější dohánění spánkového deficitu spánkem během dne může mít za následek útlum cirkadiánní rytmicity v celé řadě tkání a orgánů a následně pak desynchronizaci aktivity orgánů s cirkadiánní rytmicitou centrálního oscilátoru v nucleus suprachiasmaticus. Pásmová nemoc – jet lag • je únava a poruchy spánku plynoucí z narušení biorytmů po rychlém leteckém překonání několika časových pásem. Příznaky bývají obvykle horší při cestování směrem na východ (než na západ) a u starších lidí. Při cestách na východ má člověk problém usnout, při cestách na západ se budí brzy ráno. Mezi typické příznaky patří zejména únava, nespavost a nechutenství, částečně též nevolnost, dezorientace, podrážděnost. Aklimatizace může trvat několik dnů. Sociální jet-leg Rytmicita melatoninu se přizpůsobuje kratším nocím v noci a delším v zimě pouze v případě, že žijeme v přirozeném cyklu světlo – tma. To, že žijeme v umělém světle, vede k oddálení začátku biologické noci v létě i v zimě. Protože tedy dochází k tomu, že žijeme stále v letní periodě, zůstává stejná biologická délka noci, ale ne cirkadiánní časování. Díky víkendu dochází k sociálnímu jet-legu. Hans Selye • A syndrome produced by diverse nocous agents, Nature 138, 32, 1936 • General adaptation syndrome-stress reaction of organism: • Experiments with animals showed that different toxic substances applied into the organisms led to stereotyped response explicable by suprarenal gland activation. Co je stres? • Stresor – cokoliv, co vychyluje tělesnou (fyzickou anebo duševní) fyziologickou rovnováhu • Stresová odpověď – tělesná adaptace zaměřená na znovuustavení rovnováhy • má složky specifické (např. popáleniny vs. krvácení vs. psychický stres atd.) • složky nespecifické, společné všem odpovědím vyvolaným stresory • Stres – Stav v organismu charakterizovaný souhrnem všech nespecifických, společných složek stresových odpovědí Co je stres? Fyzická odpověď Psychologická odpověď Negativní Pozitivní Medvěd grizzly Cvičení Nezaměstnanost Řeč na veřejnosti Včasný příchod Fyzická aktivita Eustres a distres z hlediska psychologie • Eustres – Podporuje možnosti organismu, zdraví a motivaci • Distres – Snižuje možnosti, podporuje rozvoj nemoci a špatné nálady • Stresory – Příčiny stresu (tlaky, frustrace, konflikty) • Faktory ovlivňující závažnost stresu – Charakteristiky stresoru – Subjektivní vnímání stresu • Reakce na akutní i dlouhodobý stres – Fyzické a psychologické Fyziologické a patologické odpovědi na stres. Tabulka intenzity stresu Událost Body Událost Body Událost Body Smrt partnera 100 Přírůstek do rodiny 39 Změna osobních zvyků 24 Rozvod 73 Změna zaměstnání 39 Problémy s nadřízenými 23 Rozchod manželů 65 Změna finanční situace 38 Změna bydliště 20 Výkon trestu 63 Smrt blízkého přítele 37 Změna školy 20 Smrt blízkého příbuzného 63 Změna pracovního zaměření 36 Změna rekreace 19 Vlastní zranění nebo nemoc 53 Zabavení zastaveného majetku 30 Změna náboženských aktivit 19 Sňatek 50 Změna odpovědnosti v zaměstnání 29 Změna společenských aktivit 18 Výpověď z práce 47 Odchod dětí z domu 29 Změna spánkových návyků 16 Smíření manželů 45 Problémy s příbuznými partnera 29 Změna stravovacích návyků 15 Odchod do penze 45 Vynikající osobní úspěch 28 Dovolená 13 Onemocnění v rodině 44 Partner začal/přestal pracovat 26 Vánoce 12 Těhotenství 40 Zahájení/ukončení studia 26 Drobné porušení zákona 11 Sexuální potíže 39 Změna životních podmínek 25 Stadia stresu • Stadium alarmové reakce (fight and flight-Cannonova emergentní reakce): šok, kontrašok • Stadium resistence • Stadium vyčerpání Stadia stresu a všeobecný adaptační syndrom Výchozí úroveň adaptace Poplachová reakce Stadium rezistence (Stadium vyčerpání) Šok Kontrašok Nová úroveň adaptace Stadia stresu a všeobecný adaptační syndrom Výchozí úroveň adaptace Poplachová reakce Stadium rezistence (Stadium vyčerpání) Šok Kontrašok Nová výchozí úroveň adaptace Nová výchozí úroveň adaptace Nová úroveň adaptace Nová úroveň adaptace Nová úroveň adaptace Stresová odpověď „boj nebo útěk“ Nervový systém Hormony Aktivace osy HPA Percepce situace jako “stresové” Aktivace SNS Aktivace dalších cest v CNS Glukokortikoidy Plasmatické katecholaminy Motorické odpovědi Akutní odpověď na stres: alterace chování vlivem uvolněného CRF Uvolnění CRF v mozku Aktivuje chování spojené se strachem (úzkostí)  Bdělost (pozornost)  “Freezing”  Behaviorální reaktivita Inhibuje chování, které není spojeno se stresem Rozmnožování Jídlo Autonomní nervový systém Parasympatikus Sympatikus “vegetativní funkce”  trávení  tvorba slin  srdeční frekvence  dýchání  perfuze střev stav odpočinku odpověď typu “F& F”  trávení  tvorba slin srdeční frekvence  dýchání redistribuce krve ze střev do svalů, mozku a srdce zvýšená aktivita a bdělost Glykolýza Glukóza Glukóza-6-fosfát Fruktóza-6-fosfát Fruktóza-1,6-bisfosfát 2 Glyceraldehyd-3-fosfát 2 1,3-Bisfosfoglycerát 2 3-Fosfoglycerát 2 2-Fosfoglycerát 2 Fosfoenolpyruvát 2 Pyruvát NADH 2 ATP 2 ATP ATP 2 P Syntéza a metabolismus katecholaminů Tyrosin DOPA Dopamin Noradrenalin Adrenalin Kyselina vanilmandlová Methyl/nor/adrenalin Kyselina dihydroxymandlová Tyrosinhydroxyláza DOPA-dekarboxyláza Dopamin-β-hydroxyláza N-Methyltransferáza COMT COMT MAO MAO MAO COMT Metabolické účinky adrenalinu Glykogen Glukóza-P Pyruvát ↑ Glukóza↑ Glukóza ↑ MK ↑ Ketokyseliny MK HSL Tuková tkáň Glukagon Inzulín Inzulín Inzulín Laktát Pankreas Hlavní cesty syntézy steroidů Cholesterol Pregnenolon Pregnenolon Deoxykortikosteron Kortikosteron Aldosteron 17-Hydroxypregnenolon 17-Hydroxyprogesteron Androstendion 11-Deoxykortizol Kortizol Dehydroepiandrosteron Testosteron Estron Estradiol Mineralokortikoidy Glukokortikoidy Pohlavní hormony Hlavní účinky glukokortikoidů • Stimulace – Glukoneogeneze – Syntéza glykogenu – Katabolismus proteinů – Ukládání tuku – Retence sodíku – Ztráty draslíku – Tvorba kyseliny močové – Cirkulující neutrofily • Inhibice – Syntéza proteinů – Imunitní odpověď – Aktivace lymfocytů – Opožděná hypersenzitivita – Cirkulující lymfocyty – Cirkulující eosinofily Locus coeruleus Noradrenergní systém Hypofýza Nadledviny Negativní zpětná vazba Stimulace cholinergními a serotoninergními mechamismy Inhibice GABA-benzodiazepinergními mechanismy a POMC peptidy Nc arcuatus POMC peptidy Glukokortikoidy Adrenalin noradrenalin Hypotalamus Nc paraventric Klasické složky stresové reakce v CNS LC Sy ggl. Noradrenalin neuropeptidy Ggl zadních míšních kořenů Neuropeptidy ↑ ACTH CRH, AVP Glukokortikoidy mineralokortikoidy androgeny Neurochemické mechanismy LC Nc. tr. solitarius Hipokampus Amygdala Hypofýza Senzorické a kognitivní vazby na původní trauma zprostředkují podmíněné reakce Orbitofrontální inhibice amygdaly zprostředkuje vyhasnutí reakcí Senzitizace: následný stres vyvolá intenzivní odpověď ↑ NA↑ NA ↑ NA ↑ CRH ↑ ACTHNadledviny Negativní zpětná vazba Hypotalamus Parietální kůra Senzorická kůra Orbitofrontální kůra Chiasma opticum Eminentia mediana Hypofyzární stopka Portální véna Neurohypofýza Adenohypofýza Třetí komora Neurony nc. paraventricularis CRH, AVP CRH, AVP ↑ ACTH Hypotalamo-hypofyzární osa (HPA) Receptory neuronů adenohypofýzy Diurnální rytmus Hypotalamo-hypofyzární osa (HPA) • K předchozímu obrázku: • Neurony syntetizující CRH a vazopresin se nacházejí v n. paraventricularis (PVN). Jejich axony dosahují do eminentia mediana; zde jsou z nervových terminál uvolňovány peptidy, které jsou transportovány cévami portálního systému do adenohypofýzy. V adenohypofýze působí přes své receptory stimulaci ACTH. Regulace systému pomocí zpětných vazeb Hypotalamus X-RH X-IH X-RH X-TH Hypofýza Periferní žláza X = Hormon X XX-TH Ultrakrátká vazba Krátká vazba Dlouhá vazba Dlouhá vazba Aktivační peptid steroidogeneze Transferový protein steroidů Regulační protein akutní steroidogeneze Indukční protein steroidních hormonů Růstové faktory Cholesterolesteráza Cholesterylestersyntáza Transport cholesterolu do mitochondrií Vazba cholesterolu na CYP-SCC Syntéza pregnenolonu Transkripce CYP-SCC CYP-C17 CYP-C11 Adrenoxinu LDL receptoru Růst velikosti a vybavení organel Růst a proliferace buněk Účinky ACTH Bezprostřední Následné Dlouhodobé cAMP ACTH Plazmatická membrána Receptor ACTH Vliv stresu na plazmatické hladiny ACTH a kortizolu Stresor Minuty15 30 45 60 Plazmatickákoncentrace ACTH Kortizol (Podle Felker B and Hubbard JR: In Handbook of Stress Medicine, CRC Press, Boca Raton, FL, 1998) 0 Pulzní a diurnální sekrece glukokortikoidů (Podle Felker B and Hubbard JR: In Handbook of Stress Medicine, CRC Press, Boca Raton, FL, 1998) Denní doba 8 12 16 20 24 4 8 hodin Pulsní sekrece po podnětech Křivka cirkadiánní sekrece Denní aktivita Spánek Koncentracekortizoluvplazmě CRH, AVP ↑ ACTH, β-endorfin Nadledviny Složky komplexu HPA-CNS-imunitní systém Tymus Slezina Lymfocyty Glukokortikoidy Lymfokiny Lymfokiny Stres na úrovni buňky Model exprese HSP-peptidů na MHC I. třídy Imunitní dozor Stres fyzikální chemický infekce kancerogeneze Expozice HSP-peptidů vede k aktivaci NK buněk Více HSP-peptidů vzniklých degradací HSP je zabudováno do komplexů s MHC a exprimováno na membránách Masívní expozice HSP-peptidů vede k aktivaci TC-lymfocytů Zvýšená exprese HSP mRNA a HSP proteinů Zvýšená degradace HSP MHC třídy I Komentář k obrázku • Model pro MHC peptidy I. třídy odvozené od heat shock proteinů (HSP) • Buněčný stres zvyšuje transkripci a translaci HSP • HSP jsou degradovány proteasomem a štěpy následně nasedají do žlábku molekul MHC I pro peptidy • Komplexy HSP–peptidy–MHC jsou vystavovány na povrchu buněk pro interakci s přirozenými zabíječi (NK buňkami) nebo efektorovými (cytotoxickými) T- lymfocyty • Individuální nebo synergistické rozpoznání různými efektory vede k destrukci stresovaných buněk a) Historický a b) moderní koncepce kostimulace APC: antigenpresenting cell; MHC: major histocompatibility complex; TCR: T-cell receptor; CTLA: cytotoxic Tlymphocyte antigen; ICOS: inducible co- stimulator; L: ligand. K. C. Beier et al., 2007 Schéma komunikace mezi imunitním a neuroendokrinním systémem Peptidové hormony Peptidové neurotransmitery Cytokiny Aktivace receptorů ve tkáních Neuroendokrinní systémImunitní systém CNS Schéma komunikace mezi osou HPA a imunitním systémem Reakce Aktivace receptorů ve tkáních Exprese proteinů Transkripce genů Receptory glukokortikoidů Transkripční faktory Glukokortikoidy Cytokiny/chemokiny Osa HPA Imunitní systém Rovnováha imunitních odpovědí Th1 a Th2 Th1 Th2 Th0NK γ,δ-T-Ly Tc-Ly B-Ly NKMakrofágy Buněčná imunita Eo Žírné b. Humorální imunita APC Viry Bakterie Plísně Protozoa Paraziti Alergeny Cytokiny typu 1 (prozánětlivé) Cytokiny typu 2 (protizánětlivé) IL-12 IL-4 IL-10 IL-12 TNFα IFNγ Ag IFNγ IL-2 TGF IL-4 IL-10 IL-13 Rovnováha Th1 a Th2 a stres Th1 Th2 MonocytyNK Tc-Ly B-Ly NKMakrofágy ↓ Buněčná imunita Eo Žírné b. Sympatická zakončení Noradrenalin Adrenalin Kortizol IL-12 IL-10 IL-12 TNFα IFNγ IFNγ IL-2 IL-4 IL-10 ↑ Humorální imunita (posun k Th2) IL-12 Nor/adrenalin Kortizol Rovnováha Th1 a Th2, stres a akutní zánět Th1 Th2 Monocyty Žírné b. Tc-Ly B-Ly NKMakrofágy ↓ Buněčná imunita Eo Žírné b. Sympatická zakončení Noradrenalin Adrenalin Kortizol IL-10 IL-12 TNFα IFNγ IL-2 IL-4 IL-10 ↑ Humorální imunita (posun k Th2) IL-12 Nor/adrenalin Kortizol Akutní zánět Alergické reakce Neurogenní zánět ? Histamin Histamin Přehled terapeutických strategií k omezení aktivity Th2 u elargických nemocí. Léky mohou přímo inhibovat Th2 effektorovou funkci nebo modulovat funkci APC. Mohou také podporovat aktivity buněk Th1 neboTreg I.H. Heijink et al., 2006 Stresová reakce a zánět Hypotalamus Hypofýza Sympatická centra Mobilizace energie Aktivace CV soustavy Nadledviny Kortizol Adrenalin Zánět Imunologická odpověď Poškození Kůra Limbický systém Retikulární formace Neurony: Noradrenergní CRH Pozornost Aktivita Agresivita Jídlo Sexuální aktivita Růst Reprodukční funkce Cytokiny Chemokiny Stresory Cytokiny Chemokiny CRH ACTH Mícha Viscerání funkce Zánět jako stresová reakce Podněty: Primární zánětlivé cytokiny IL-1α, -1β, TNF-α Fyzikální, chemické, biologické ZÁNĚT IL-1β, TNF-α Eikosanoidy PGE2, LT PAF Neuropeptidy Zánětlivé mediátory Hypotalamus: CRH, LHRH Hypofýza: ACTH, TSH, gonadotropin, prolaktin, GH Nadledviny: Kortizol katecholaminy Játra: Proteiny akutní fáze Účinky kortizolu na imunitní odpověď a zánět Imunitní odpověď Zánět MakrofágyAntigen IL-1Horečka T-Ly IL-2 a -6TNF-α Proliferace T-Ly Proliferace B-Ly ↑ Ab Fosfatidylcholin Produkce K. arachidonová Leukotrieny Prostaglandiny Tromboxany Fagocytóza Vazodilatace Permeabilita Adheze leukocytů PAF NOLipooxygenáza Cyklooxygenáza = Inhibováno kortizolem Hlavní nežádoucí efekty terapie kortikosteroidy • Fyziologické – Suprese nadledvin a hypofýzy • Patologické – Kardiovaskulární • Zvýšený krevní tlak – Gastrointestinální • Žaludeční vřed • Pancreatitis – Renální • Polyurie • Nykturie – Centrálně nervové • Deprese • Euforie • Psychózy • Insomnie – Endokrinní • Přírůstek váhy • Glykosurie/hyperglykémie/diabet es • Ovlivnění růstu • Amenorrhoea Odpověď HPA osy na akutní a chronické stresory. ACTH, adrenokortikotropin; AVP, arginin vasopresin; CRH, kortikotropní releasing hormon; POMC, proopiomelanocortin. Stimuly ovlivňující reaktivní a anticipační odpovědi osy HPA “Reaktivní” odpovědi “Anticipační” odpovědi Bolest (viscerální a somatická) Vrozené programy Predátoři Nezvyklé podmínky okolního prostředí Sociální změny Neuronální homeostatické signály: Stimulace chemoreceptorů Stimulace baroreceptorů Stimulace osmoreceptorů Druhově specifické podněty (např. osvětlené prostředí pro hlodavce, temná prostředí pro lidi) Humorální homeostatické signály: Glukóza Leptin Insulin Renin-angiotenzin-aldosteron Atriální natriuretický factor Jiné Paměťové programy Klasicky podmíněné stimuli Kontextem podmíněné stimuli Negativní posilování/frustrace Humorální prozánětlivé signály: IL-1 IL-6 TNF- Jiné Akutní odpověď na stres • Adaptivní, umožňující přežití • Ačkoliv se v různých situacích volí různé reakce, cíl je vždy stejný = přežití • Metabolické: glykémie • Kardiovaskulárně/respirační-doprava glukózy ke svalům, srdci a mozku • Analgézie • Inhibice procesů snižujících šanci na přežití (rozmnožovací chování, jídlo, procesy v GIT, deprese imunitního systému) Akutní odpověď na stres – metabolické efekty Účel: zvýšit glykémii prostřednictvím katecholaminů a glukokortikoidů Uptake glukózy je inhibován a syntéza proteinů, mastných kyselin a glykogenu je zastavena. Lipolýza, glykogenolýza, proteolýza katecholaminy mají spíše krátkodobé efekty na glykémii glukoneogeneza (glukokortikoidy mají spíše dlouhodobé efekty na glykémii) Akutní odpověď na stres – kardiovaskulární a respirační efekty Účel: zvýšit kardiovaskulární tonus k rychlé dodávce mobilizované glukózy a kyslíku nejpotřebnějším tkáním Uvolnění vasopresinu z axonových terminál neurohypofýzy vede k reabsorbci vody v ledvinách. Účel: zvýšení náplně CV systému Akutní odpověď na stres – analgézie Účel: snížit vnímání bolesti Rozeznáváme dvě formy analgézie indukované stresem (SIA) na opiátech závislá SIA (enkefaliny a - endorfin) na opiátech nezávislá SIA (glutamát) Během stresové reakce se mohou obě formy SIA kombinovat. Chronická odpověď na stres Maladaptivní = s efekty pokození organismu Chronický stres může vést k onemocnění jako žaludeční vředy, viscerální obezita, snížený růst, zvýšené riziko nemoci koronárních cév Chronický stres ovlivní chování: Inhibice reprodukce Chronický stres je asociován s některými psychiatrickými stavy/nemocemi (deprese, syndrom vyhoření). K předchozímu obrázku • Schematic illustration of an impaired interaction between the decreased activity of AVP in the SCN and the increased activity of CRH neurons in the paraventricular nucleus (PVN). The HPA system is activated in depression and affects mood, via CRH and cortisol. A decreased amount of AVP-mRNA of the SCN was found in depression. The decreased activity of AVP neurons in the SCN of depressed patients is the basis of the impaired circadian regulation of the HPA system in depression. Moreover, animal data have shown that AVP neurons of the SCN exert an inhibitory influence on CRH neurons in the PVN. Increased levels of circulating glucocorticoids decrease AVP-mRNA in the SCN, which will result in smaller inhibition of the CRH neurons. In the light of our data we propose the following hypothesis for the pathogenesis of depression. In depressed patients, stress acting on the HPA system results in a disproportionally high activity of the HPA system because of a deficient cortisol feedback effect due to the presence of glucocorticoid resistance. The glucocorticoid resistance may either be caused by a polymorphism of corticosteroid receptor or by a developmental disorder. Also AVP neurons in the SCN react to the increased cortisol levels and subsequently fail to inhibit sufficiently the CRH neurons in the PVN of depressed patients. Such an impaired negative feedback mechanism may lead to a further increase in the activity of the HPA system in depression. Both high CRH and cortisol levels contribute to the symptoms of depression. Light therapy activates the SCN, directly inducing an increased synthesis and release of AVP that will inhibit the CRH neurons. Anti-depressant medication generally inhibits the activity of CRH neurons in the PVN. • Role mnohočetných faktorů v rozvoji stresu Dominantní a subdominantní primáti: Ve stabilních podmínkách (území se nemění) mají dominantní samci nižší hladiny GCs než subdominantní V nestabilních podmínkách mají dominantní samci glukokortikoidy stejně vysoké nebo vyšší než subdominantní Úroveň dominance samců je v nepřímé úměře s jejich plazmatickými hladinami glukokortikoidů Role psychologických faktorů v rozvoji stresu “Good state of mind” - pozitivní rysy osobnosti: Sociální podpůrné skupiny – formují se nesexuální přátelství osob opačného pohlaví Trénink – schopnost předvídat stresovou situaci a schopnosti přebírat nad ní kontrolu Transformace agresivity při ztrátě možnosti bojovat (sport) Děkuji vám za pozornost ? Hans Selye • A syndrome produced by diverse nocous agents, Nature 138, 32, 1936 • General adaptation syndrome-stress reaction of organism: • Experiments with animals showed that different toxic substances applied into the organisms led to stereotyped response explicable by suprarenal gland activation. Co je stres? • Stresor – cokoliv, co vychyluje tělesnou (fyzickou anebo duševní) fyziologickou rovnováhu • Stresová odpověď – tělesná adaptace zaměřená na znovuustavení rovnováhy • má složky specifické (např. popáleniny vs. krvácení vs. psychický stres atd.) • složky nespecifické, společné všem odpovědím vyvolaným stresory • Stres – Stav v organismu charakterizovaný souhrnem všech nespecifických, společných složek stresových odpovědí Co je stres? Fyzická odpověď Psychologická odpověď Negativní Pozitivní Medvěd grizzly Cvičení Nezaměstnanost Řeč na veřejnosti Včasný příchod Fyzická aktivita Eustres a distres z hlediska psychologie • Eustres – Podporuje možnosti organismu, zdraví a motivaci • Distres – Snižuje možnosti, podporuje rozvoj nemoci a špatné nálady • Stresory – Příčiny stresu (tlaky, frustrace, konflikty) • Faktory ovlivňující závažnost stresu – Charakteristiky stresoru – Subjektivní vnímání stresu • Reakce na akutní i dlouhodobý stres – Fyzické a psychologické Fyziologické a patologické odpovědi na stres. Tabulka intenzity stresu Událost Body Událost Body Událost Body Smrt partnera 100 Přírůstek do rodiny 39 Změna osobních zvyků 24 Rozvod 73 Změna zaměstnání 39 Problémy s nadřízenými 23 Rozchod manželů 65 Změna finanční situace 38 Změna bydliště 20 Výkon trestu 63 Smrt blízkého přítele 37 Změna školy 20 Smrt blízkého příbuzného 63 Změna pracovního zaměření 36 Změna rekreace 19 Vlastní zranění nebo nemoc 53 Zabavení zastaveného majetku 30 Změna náboženských aktivit 19 Sňatek 50 Změna odpovědnosti v zaměstnání 29 Změna společenských aktivit 18 Výpověď z práce 47 Odchod dětí z domu 29 Změna spánkových návyků 16 Smíření manželů 45 Problémy s příbuznými partnera 29 Změna stravovacích návyků 15 Odchod do penze 45 Vynikající osobní úspěch 28 Dovolená 13 Onemocnění v rodině 44 Partner začal/přestal pracovat 26 Vánoce 12 Těhotenství 40 Zahájení/ukončení studia 26 Drobné porušení zákona 11 Sexuální potíže 39 Změna životních podmínek 25 Stadia stresu • Stadium alarmové reakce (fight and flight-Cannonova emergentní reakce): šok, kontrašok • Stadium resistence • Stadium vyčerpání Stadia stresu a všeobecný adaptační syndrom Výchozí úroveň adaptace Poplachová reakce Stadium rezistence (Stadium vyčerpání) Šok Kontrašok Nová úroveň adaptace Stadia stresu a všeobecný adaptační syndrom Výchozí úroveň adaptace Poplachová reakce Stadium rezistence (Stadium vyčerpání) Šok Kontrašok Nová výchozí úroveň adaptace Nová výchozí úroveň adaptace Nová úroveň adaptace Nová úroveň adaptace Nová úroveň adaptace Stresová odpověď „boj nebo útěk“ Nervový systém Hormony Aktivace osy HPA Percepce situace jako “stresové” Aktivace SNS Aktivace dalších cest v CNS Glukokortikoidy Plasmatické katecholaminy Motorické odpovědi Akutní odpověď na stres: alterace chování vlivem uvolněného CRF Uvolnění CRF v mozku Aktivuje chování spojené se strachem (úzkostí)  Bdělost (pozornost)  “Freezing”  Behaviorální reaktivita Inhibuje chování, které není spojeno se stresem Rozmnožování Jídlo Autonomní nervový systém Parasympatikus Sympatikus “vegetativní funkce”  trávení  tvorba slin  srdeční frekvence  dýchání  perfuze střev stav odpočinku odpověď typu “F& F”  trávení  tvorba slin srdeční frekvence  dýchání redistribuce krve ze střev do svalů, mozku a srdce zvýšená aktivita a bdělost Glykolýza Glukóza Glukóza-6-fosfát Fruktóza-6-fosfát Fruktóza-1,6-bisfosfát 2 Glyceraldehyd-3-fosfát 2 1,3-Bisfosfoglycerát 2 3-Fosfoglycerát 2 2-Fosfoglycerát 2 Fosfoenolpyruvát 2 Pyruvát NADH 2 ATP 2 ATP ATP 2 P Syntéza a metabolismus katecholaminů Tyrosin DOPA Dopamin Noradrenalin Adrenalin Kyselina vanilmandlová Methyl/nor/adrenalin Kyselina dihydroxymandlová Tyrosinhydroxyláza DOPA-dekarboxyláza Dopamin-β-hydroxyláza N-Methyltransferáza COMT COMT MAO MAO MAO COMT Metabolické účinky adrenalinu Glykogen Glukóza-P Pyruvát ↑ Glukóza↑ Glukóza ↑ MK ↑ Ketokyseliny MK HSL Tuková tkáň Glukagon Inzulín Inzulín Inzulín Laktát Pankreas Hlavní cesty syntézy steroidů Cholesterol Pregnenolon Pregnenolon Deoxykortikosteron Kortikosteron Aldosteron 17-Hydroxypregnenolon 17-Hydroxyprogesteron Androstendion 11-Deoxykortizol Kortizol Dehydroepiandrosteron Testosteron Estron Estradiol Mineralokortikoidy Glukokortikoidy Pohlavní hormony Hlavní účinky glukokortikoidů • Stimulace – Glukoneogeneze – Syntéza glykogenu – Katabolismus proteinů – Ukládání tuku – Retence sodíku – Ztráty draslíku – Tvorba kyseliny močové – Cirkulující neutrofily • Inhibice – Syntéza proteinů – Imunitní odpověď – Aktivace lymfocytů – Opožděná hypersenzitivita – Cirkulující lymfocyty – Cirkulující eosinofily Locus coeruleus Noradrenergní systém Hypofýza Nadledviny Negativní zpětná vazba Stimulace cholinergními a serotoninergními mechamismy Inhibice GABA-benzodiazepinergními mechanismy a POMC peptidy Nc arcuatus POMC peptidy Glukokortikoidy Adrenalin noradrenalin Hypotalamus Nc paraventric Klasické složky stresové reakce v CNS LC Sy ggl. Noradrenalin neuropeptidy Ggl zadních míšních kořenů Neuropeptidy ↑ ACTH CRH, AVP Glukokortikoidy mineralokortikoidy androgeny Neurochemické mechanismy LC Nc. tr. solitarius Hipokampus Amygdala Hypofýza Senzorické a kognitivní vazby na původní trauma zprostředkují podmíněné reakce Orbitofrontální inhibice amygdaly zprostředkuje vyhasnutí reakcí Senzitizace: následný stres vyvolá intenzivní odpověď ↑ NA↑ NA ↑ NA ↑ CRH ↑ ACTHNadledviny Negativní zpětná vazba Hypotalamus Parietální kůra Senzorická kůra Orbitofrontální kůra Chiasma opticum Eminentia mediana Hypofyzární stopka Portální véna Neurohypofýza Adenohypofýza Třetí komora Neurony nc. paraventricularis CRH, AVP CRH, AVP ↑ ACTH Hypotalamo-hypofyzární osa (HPA) Receptory neuronů adenohypofýzy Diurnální rytmus Hypotalamo-hypofyzární osa (HPA) • K předchozímu obrázku: • Neurony syntetizující CRH a vazopresin se nacházejí v n. paraventricularis (PVN). Jejich axony dosahují do eminentia mediana; zde jsou z nervových terminál uvolňovány peptidy, které jsou transportovány cévami portálního systému do adenohypofýzy. V adenohypofýze působí přes své receptory stimulaci ACTH. Regulace systému pomocí zpětných vazeb Hypotalamus X-RH X-IH X-RH X-TH Hypofýza Periferní žláza X = Hormon X XX-TH Ultrakrátká vazba Krátká vazba Dlouhá vazba Dlouhá vazba Aktivační peptid steroidogeneze Transferový protein steroidů Regulační protein akutní steroidogeneze Indukční protein steroidních hormonů Růstové faktory Cholesterolesteráza Cholesterylestersyntáza Transport cholesterolu do mitochondrií Vazba cholesterolu na CYP-SCC Syntéza pregnenolonu Transkripce CYP-SCC CYP-C17 CYP-C11 Adrenoxinu LDL receptoru Růst velikosti a vybavení organel Růst a proliferace buněk Účinky ACTH Bezprostřední Následné Dlouhodobé cAMP ACTH Plazmatická membrána Receptor ACTH Vliv stresu na plazmatické hladiny ACTH a kortizolu Stresor Minuty15 30 45 60 Plazmatickákoncentrace ACTH Kortizol (Podle Felker B and Hubbard JR: In Handbook of Stress Medicine, CRC Press, Boca Raton, FL, 1998) 0 Pulzní a diurnální sekrece glukokortikoidů (Podle Felker B and Hubbard JR: In Handbook of Stress Medicine, CRC Press, Boca Raton, FL, 1998) Denní doba 8 12 16 20 24 4 8 hodin Pulsní sekrece po podnětech Křivka cirkadiánní sekrece Denní aktivita Spánek Koncentracekortizoluvplazmě CRH, AVP ↑ ACTH, β-endorfin Nadledviny Složky komplexu HPA-CNS-imunitní systém Tymus Slezina Lymfocyty Glukokortikoidy Lymfokiny Lymfokiny Stres na úrovni buňky Model exprese HSP-peptidů na MHC I. třídy Imunitní dozor Stres fyzikální chemický infekce kancerogeneze Expozice HSP-peptidů vede k aktivaci NK buněk Více HSP-peptidů vzniklých degradací HSP je zabudováno do komplexů s MHC a exprimováno na membránách Masívní expozice HSP-peptidů vede k aktivaci TC-lymfocytů Zvýšená exprese HSP mRNA a HSP proteinů Zvýšená degradace HSP MHC třídy I Komentář k obrázku • Model pro MHC peptidy I. třídy odvozené od heat shock proteinů (HSP) • Buněčný stres zvyšuje transkripci a translaci HSP • HSP jsou degradovány proteasomem a štěpy následně nasedají do žlábku molekul MHC I pro peptidy • Komplexy HSP–peptidy–MHC jsou vystavovány na povrchu buněk pro interakci s přirozenými zabíječi (NK buňkami) nebo efektorovými (cytotoxickými) T- lymfocyty • Individuální nebo synergistické rozpoznání různými efektory vede k destrukci stresovaných buněk a) Historický a b) moderní koncepce kostimulace APC: antigenpresenting cell; MHC: major histocompatibility complex; TCR: T-cell receptor; CTLA: cytotoxic Tlymphocyte antigen; ICOS: inducible co- stimulator; L: ligand. K. C. Beier et al., 2007 Schéma komunikace mezi imunitním a neuroendokrinním systémem Peptidové hormony Peptidové neurotransmitery Cytokiny Aktivace receptorů ve tkáních Neuroendokrinní systémImunitní systém CNS Schéma komunikace mezi osou HPA a imunitním systémem Reakce Aktivace receptorů ve tkáních Exprese proteinů Transkripce genů Receptory glukokortikoidů Transkripční faktory Glukokortikoidy Cytokiny/chemokiny Osa HPA Imunitní systém Rovnováha imunitních odpovědí Th1 a Th2 Th1 Th2 Th0NK γ,δ-T-Ly Tc-Ly B-Ly NKMakrofágy Buněčná imunita Eo Žírné b. Humorální imunita APC Viry Bakterie Plísně Protozoa Paraziti Alergeny Cytokiny typu 1 (prozánětlivé) Cytokiny typu 2 (protizánětlivé) IL-12 IL-4 IL-10 IL-12 TNFα IFNγ Ag IFNγ IL-2 TGF IL-4 IL-10 IL-13 Rovnováha Th1 a Th2 a stres Th1 Th2 MonocytyNK Tc-Ly B-Ly NKMakrofágy ↓ Buněčná imunita Eo Žírné b. Sympatická zakončení Noradrenalin Adrenalin Kortizol IL-12 IL-10 IL-12 TNFα IFNγ IFNγ IL-2 IL-4 IL-10 ↑ Humorální imunita (posun k Th2) IL-12 Nor/adrenalin Kortizol Rovnováha Th1 a Th2, stres a akutní zánět Th1 Th2 Monocyty Žírné b. Tc-Ly B-Ly NKMakrofágy ↓ Buněčná imunita Eo Žírné b. Sympatická zakončení Noradrenalin Adrenalin Kortizol IL-10 IL-12 TNFα IFNγ IL-2 IL-4 IL-10 ↑ Humorální imunita (posun k Th2) IL-12 Nor/adrenalin Kortizol Akutní zánět Alergické reakce Neurogenní zánět ? Histamin Histamin Přehled terapeutických strategií k omezení aktivity Th2 u elargických nemocí. Léky mohou přímo inhibovat Th2 effektorovou funkci nebo modulovat funkci APC. Mohou také podporovat aktivity buněk Th1 neboTreg I.H. Heijink et al., 2006 Stresová reakce a zánět Hypotalamus Hypofýza Sympatická centra Mobilizace energie Aktivace CV soustavy Nadledviny Kortizol Adrenalin Zánět Imunologická odpověď Poškození Kůra Limbický systém Retikulární formace Neurony: Noradrenergní CRH Pozornost Aktivita Agresivita Jídlo Sexuální aktivita Růst Reprodukční funkce Cytokiny Chemokiny Stresory Cytokiny Chemokiny CRH ACTH Mícha Viscerání funkce Zánět jako stresová reakce Podněty: Primární zánětlivé cytokiny IL-1α, -1β, TNF-α Fyzikální, chemické, biologické ZÁNĚT IL-1β, TNF-α Eikosanoidy PGE2, LT PAF Neuropeptidy Zánětlivé mediátory Hypotalamus: CRH, LHRH Hypofýza: ACTH, TSH, gonadotropin, prolaktin, GH Nadledviny: Kortizol katecholaminy Játra: Proteiny akutní fáze Účinky kortizolu na imunitní odpověď a zánět Imunitní odpověď Zánět MakrofágyAntigen IL-1Horečka T-Ly IL-2 a -6TNF-α Proliferace T-Ly Proliferace B-Ly ↑ Ab Fosfatidylcholin Produkce K. arachidonová Leukotrieny Prostaglandiny Tromboxany Fagocytóza Vazodilatace Permeabilita Adheze leukocytů PAF NOLipooxygenáza Cyklooxygenáza = Inhibováno kortizolem Hlavní nežádoucí efekty terapie kortikosteroidy • Fyziologické – Suprese nadledvin a hypofýzy • Patologické – Kardiovaskulární • Zvýšený krevní tlak – Gastrointestinální • Žaludeční vřed • Pancreatitis – Renální • Polyurie • Nykturie – Centrálně nervové • Deprese • Euforie • Psychózy • Insomnie – Endokrinní • Přírůstek váhy • Glykosurie/hyperglykémie/diabet es • Ovlivnění růstu • Amenorrhoea Odpověď HPA osy na akutní a chronické stresory. ACTH, adrenokortikotropin; AVP, arginin vasopresin; CRH, kortikotropní releasing hormon; POMC, proopiomelanocortin. Med Hypotheses. 2014 Mar;82(3):271-4. doi: 10.1016/j.mehy.2013.12.008. Epub 2013 Dec 19. "Stress entropic load" as a transgenerational epigenetic response trigger. Bienertová-Vašků J1, Nečesánek I2, Novák J2, Vinklárek J2, Zlámal F2. Relationship between lifetime events, stress entropic load (SEL) and epigenome changes. Lifetime events represent those events that influence the flow of energy, substrates and information within the body. Generally, the organism has to cope with these changes, whereas we consider SEL to be the universal parameter reflecting the “severity” of the influencing events. SEL therefore leads to epigenome changes that are according to SEL “severity” either conserved or reset during meosis and thus passed transgenerationally or not. Med Hypotheses. 2014 Mar;82(3):271-4. "Stress entropic load" as a transgenerational epigenetic response trigger. Bienertová-Vašků J1, Nečesánek I2, Novák J2, Vinklárek J2, Zlámal F2. Relationship between lifetime events, stress entropic load /SEL/ and epigenome changes during time. Grey arrow represents the time flow and it should suggest that as time passes, different events are evaluated differently and their associated SEL level may consecutively increase or decrease and thus affect whether the epigenomic changes are passed to other generation or not. Med Hypotheses. 2014 Mar;82(3):271-4. "Stress entropic load" as a transgenerational epigenetic response trigger. Bienertová-Vašků J1, Nečesánek I2, Novák J2, Vinklárek J2, Zlámal F2. Cirkadiánní systém prostřednictvím transkripční a translační aktivity umožňuje denní synchronizaci fyziologických procesů v živém organismu. Sirtuin -1 (protein deacetyláza) ovlivňuje cirkadiánní hodiny svou akci na úrovni jádra SIRT-3+ SIRT-6 – modulují mitochondriální a nukleární expresi clock genů Stimuly ovlivňující reaktivní a anticipační odpovědi osy HPA “Reaktivní” odpovědi “Anticipační” odpovědi Bolest (viscerální a somatická) Vrozené programy Predátoři Nezvyklé podmínky okolního prostředí Sociální změny Neuronální homeostatické signály: Stimulace chemoreceptorů Stimulace baroreceptorů Stimulace osmoreceptorů Druhově specifické podněty (např. osvětlené prostředí pro hlodavce, temná prostředí pro lidi) Humorální homeostatické signály: Glukóza Leptin Insulin Renin-angiotenzin-aldosteron Atriální natriuretický factor Jiné Paměťové programy Klasicky podmíněné stimuli Kontextem podmíněné stimuli Negativní posilování/frustrace Humorální prozánětlivé signály: IL-1 IL-6 TNF- Jiné Akutní odpověď na stres • Adaptivní, umožňující přežití • Ačkoliv se v různých situacích volí různé reakce, cíl je vždy stejný = přežití • Metabolické: glykémie • Kardiovaskulárně/respirační-doprava glukózy ke svalům, srdci a mozku • Analgézie • Inhibice procesů snižujících šanci na přežití (rozmnožovací chování, jídlo, procesy v GIT, deprese imunitního systému) Akutní odpověď na stres – metabolické efekty Účel: zvýšit glykémii prostřednictvím katecholaminů a glukokortikoidů Uptake glukózy je inhibován a syntéza proteinů, mastných kyselin a glykogenu je zastavena. Lipolýza, glykogenolýza, proteolýza katecholaminy mají spíše krátkodobé efekty na glykémii glukoneogeneza (glukokortikoidy mají spíše dlouhodobé efekty na glykémii) Akutní odpověď na stres – kardiovaskulární a respirační efekty Účel: zvýšit kardiovaskulární tonus k rychlé dodávce mobilizované glukózy a kyslíku nejpotřebnějším tkáním Uvolnění vasopresinu z axonových terminál neurohypofýzy vede k reabsorbci vody v ledvinách. Účel: zvýšení náplně CV systému Akutní odpověď na stres – analgézie Účel: snížit vnímání bolesti Rozeznáváme dvě formy analgézie indukované stresem (SIA) na opiátech závislá SIA (enkefaliny a - endorfin) na opiátech nezávislá SIA (glutamát) Během stresové reakce se mohou obě formy SIA kombinovat. Chronická odpověď na stres Maladaptivní = s efekty pokození organismu Chronický stres může vést k onemocnění jako žaludeční vředy, viscerální obezita, snížený růst, zvýšené riziko nemoci koronárních cév Chronický stres ovlivní chování: Inhibice reprodukce Chronický stres je asociován s některými psychiatrickými stavy/nemocemi (deprese, syndrom vyhoření). K předchozímu obrázku • Schematic illustration of an impaired interaction between the decreased activity of AVP in the SCN and the increased activity of CRH neurons in the paraventricular nucleus (PVN). The HPA system is activated in depression and affects mood, via CRH and cortisol. A decreased amount of AVP-mRNA of the SCN in depression was found. The decreased activity of AVP neurons in the SCN of depressed patients is the basis of the impaired circadian regulation of the HPA system in depression. • Increased levels of circulating glucocorticoids decrease AVP-mRNA in the SCN, which will result in smaller inhibition of the CRH neurons. • In depressed patients, stress acting on the HPA system results in a disproportionally high activity of the HPA system because of a deficient cortisol feedback effect due to the presence of glucocorticoid resistance. The glucocorticoid resistance may either be caused by a polymorphism of corticosteroid receptor or by a developmental disorder. • Also AVP neurons in the SCN react to the increased cortisol levels and subsequently fail to inhibit sufficiently the CRH neurons in the PVN of depressed patients. Such an impaired negative feedback mechanism may lead to a further increase in the activity of the HPA system in depression. • Both high CRH and cortisol levels contribute to the symptoms of depression. • Light therapy activates the SCN, directly inducing an increased synthesis and release of AVP that will inhibit the CRH neurons. • Anti-depressant medication generally inhibits the activity of CRH neurons in the PVN Role mnohočetných faktorů v rozvoji stresu Dominantní a subdominantní primáti: Ve stabilních podmínkách (území se nemění) mají dominantní samci nižší hladiny GCs než subdominantní V nestabilních podmínkách mají dominantní samci glukokortikoidy stejně vysoké nebo vyšší než subdominantní Úroveň dominance samců je v nepřímé úměře s jejich plazmatickými hladinami glukokortikoidů Role psychologických faktorů v rozvoji stresu “Good state of mind” - pozitivní rysy osobnosti: Sociální podpůrné skupiny – formují se nesexuální přátelství osob opačného pohlaví Trénink – schopnost předvídat stresovou situaci a schopnosti přebírat nad ní kontrolu Transformace agresivity při ztrátě možnosti bojovat (sport) Děkuji vám za pozornost ?