Homeostáza

Základné fyziologické regulačné princípy

Boris Mravec 2020

teplo/chlad infekcia

zlyhanie orgánu

genetická dysfunkcia

nedostatok/nadbytok

potravy/jej kvalita

nedostatok/nadbytok

vody/jej kvalita

kvalita ovzdušia

Koncept homeostázy a jej význam počas

fyziologických a patologických situácií

Vnútorné prostredie

• Claude Bernard (1813-1878)

- francúzsky fyziológ, vypracoval koncept “milieu interieu” (vnútorné prostredie)

Vnútorné prostredieKoncept

Vnútorné prostredieKoncept

Vnútorné prostredieKoncept

Homeostáza

• Walter Bradford Cannon (1871-1945)

- americký fyziológ, vypracoval koncept homeostázy

- reakcia boj alebo útek

HomeostázaKoncept

• stav vnútornej fyzickej a psychickej rovnováhy

• súbor regulačných (stabilizačných) princípov organizmu, ktoré

zabezpečujú samoudržiavanie určitej úrovne vnútornej organizovanosti

• systém regulačných mechanizmov udržiava premenné veličiny:

- teplotu

- objem tekutín

- iónové zloženie vnútorného prostredia a pH

- hladiny metabolitov atď.

v rámci určitého úzkeho intervalu, čím zabezpečuje organizmu relatívnu

nezávislosť od faktorov vonkajšieho prostredia

HomeostázaKoncept

HomeostázaKoncept

HomeostázaHomeostat

HomeostázaHomeostat

HomeostázaHomeostat

HomeostázaHomeostat

HomeostázaHomeostat

• centrálne homeostaty:

- hypotalamus

- predĺžená miecha

HomeostázaHomeostat

HomeostázaSet point

HomeostázaSet point – cirkadiánne oscilácie

HomeostázaBarostat

HomeostázaBarostat

HomeostázaGlukostat

HomeostázaGlukostat

HomeostázaTermostat

HomeostázaSystém s viacerými efektormi

HomeostázaSystém s viacerými efektormi

HomeostázaZdieľanie efektorových systémov

- prečo je u pacientov so zlyhávajúcim srdcom prítomná hyponatriémia?

HomeostázaZdieľanie efektorových systémov – zlyhanie srdca

HomeostázaZdieľanie efektorových systémov – zlyhanie srdca

Homeostáza

Narušenie činnosti homeostatu a jeho prestavenie

- blokáda aferentného prenosu informácií alebo narušenie funkcie homeostatu

má za následok zmenu rozsahu, v ktorom sa udržuje hodnota monitorovanej

premennej

- homeostatické systémy, hlavne tie, ktoré regulujú vitálne funkcie, však

zväčša majú viacero monitorovacích ako aj efektorových štruktúr a preto

narušenie iba jednej z nich nemusí viesť k výraznejšiemu narušeniu

regulovanej funkcie

AllostázaSet point

• krátkodobé zmeny v nastavení homeostatu počas stresu vo všeobecnosti

pôsobia prospešne (klasickým príkladom je reakcia počas cvičenia)

• dlhodobé prestavenie homeostatu môže mať nepriaznivé dôsledky

• ak dochádza k takýmto zmenám u jedinca s kardiovaskulárnym ochorením,

potom môže mať prestavenie homeostatu závažné negatívne dôsledky

• je to zapríčinené tým, že počas stresových situácií (napr. fyzickej záťaže

a chladu) hemodynamické účinky prestavenia homeostatu zvyšujú srdcovú

prácu alebo afterload v dôsledku celkového alebo miestne špecifického

vzostupu sympatikovej aktivity

Homeostáza

Narušenie činnosti homeostatu a jeho prestavenie

Dopredná regulácia

• počas cvičenia, dochádza k prestaveniu homeostatu v dôsledku zmenených

„centrálnych príkazov“

- výsledkom je to, že sympatiková aktivita v kostrovom svalstve už nie je

tak striktne regulovaná baroreceptorovými kontrolnými mechanizmami

• cefalická fáza príjmu potravy

Dopredná regulácia

Mnohoúrovňové homeostatické regulácie

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň molekúl

S M M PE1 E2 E3

-

S substrát

M medziprodukt

P výsledný produkt

E enzým

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň molekúl

- negatívna spätná väzba

S M M PE1 E2 E3

-

S M M PE1 E2 E3

+

- pozitívna spätná väzba

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň molekúl

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň molekúl

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň organel

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň bunky

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň bunky – bunková homeostáza

• bunkový objem

• osmolarita

• pH

• membránový potenciál

• koncentrácia:

- elektrolytov (napr. Na+, K+ a Cl-)

- proteíny

- živiny

- cholesterol

- kyslík

- reaktívne formy kyslíka (ROS)

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň bunky

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň bunky

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň tkaniva

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň tkaniva – tkanivová homeostáza

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň tkaniva

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň orgánu

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň orgánového systému

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň organizmu

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň organizmu – systémová homeostáza

- tlak krvi

- objem krvi

- koncentrácia v krvi:

- glukóza

- Na+, Ca2+, Mg2+, PO43-

- pO2, pCO2

- pH krvi

- osmolarita krvnej plazmy

- teplota telesného jadra

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň organizmu – systémová homeostáza

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň organizmu

Mnohoúrovňové homeostatické regulácieÚroveň organizmu

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Východiská

- závažné narušenie homeostázy/homeostatických regulácií podmieňuje

vznik chorôb

- cieľom liečby chorôb je úprava narušených homeostatických regulácií

- prečo dochádza k narušeniu homeostázy?

- genetické faktory

- faktory vonkajšieho prostredia

- traumy

- toxíny a patogény

- neadekvátny príjem potravy (kvalita a kvantita)

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Východiská

Choroby Alterované homeostaty

Kardiovaskulárne baroreflex, obličky

Nádorové teloméry, kompozícia buniek v tkanive

Metabolické energostat

a endokrinné

Infekčné a zápalové protizápalová dráha, imunitné bunky

Nervové neuronálna homeostáza, proteostáza

Psychické neuronálna homeostáza (plasticita)

Genetické bunková homeostáza

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Východiská

• infarkt myokardu

• lokálna popálenina

• krvácanie

• diabetická kóma

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Východiská

- zápal ako dôsledok inadekvátne fungujúceho imunostatu

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Východiská

- obezita ako dôsledok nedekvátne fungujúceho energostatu

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Východiská

- hypertenzia ako dôsledok nedekvátne fungujúceho barostatu

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Východiská

• fyziologické procesy:

- pôrod

- hemostáza

• patofyziologické procesy:

- zlyhanie srdca

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Pozitívna spätná väzba

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Pozitívna spätná väzba

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Pozitívna spätná väzba

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Liečba chorôb

- viacero liečebných metód

používaných v modernej

medicíne využíva umelé

homeostaty alebo efektory na

korekciu alebo nahradenie

nefunkčných fyziologických

homeostatických systémov

Graham-Rowe, 2005

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Umelé homeostaty

- implantovaný defibrilátor

- rozpoznáva stratu srdcového rytmu, diagnostikuje ventrikulárnu fibriláciu

a vysiela defibrilačný elektrický podnet, ktorú upravuje aberantnú elektrickú

aktivitu srdca

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Umelé homeostaty

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Umelé homeostaty

Hovorka, 2011

- u pacientov s diabetes mellitus zlyháva ich endogénny glukostatický systém

regulujúci plazmatické hladiny glukózy

- implantovaný senzor glukózy môže monitorovať hodnoty premennej

(glukózy) a regulovať rýchlosť aplikácie inzulínu

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Umelé homeostaty

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Umelé homeostaty

Henry et al., 2014

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Umelé homeostaty

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Umelé homeostaty

Zásahy do homeostatických regulácií v medicíne

Umelé homeostaty

zlyhanie srdca

reumatoidná artritída

hypertenzia

inkontinencia

hyperaktívny močový mechúrnauzea/vomitus

Narušenie homeostázy ako príčina vzniku chorôb

Mediátory zdravia vs. mediátory choroby

• zdravie = „nízka“ signalizácia

• choroba = zvýšená signalizácia

• signálne molekuly fyziologických funkcií (adiponektín, osteokalcín, klotho-a)

• signálne molekuly patologických stavov (THF-α, HMGB-1)

• potenciácia zdravia?

Redukcionistický vs. komplexný

prístup k štúdiu (pato)fyziologických dejov

redukcionistický

prístup

komplexný

prístup?

Redukcionizmus versus komplexicitaPrístupy

redukcionistický

prístup

komplexný

prístup

+ Detaily

- Strata celostného pohľadu

Redukcionizmus versus komplexicitaPrístupy

redukcionistický

prístup

komplexný

prístup

+ Komplexný pohľad

- Povrchnosť znalosti detailov

Redukcionizmus versus komplexicitaPrístupy

Redukcionizmus versus komplexicitaPrístupy

• signálne dráhy na úrovni bunky

• interakcie medzi nádorovými bunkami (podtypy nádorových buniek)

• interakcie medzi nádorom a okolitým tkanivom

• interakcie medzi nádorom a regulačnými systémami organizmu

• environmentálne faktory (psychosociálne, nutričné, pohybová aktivita)

Sociálne

„prostredie“

Psychologické

„prostredie“

Makro

prostrediesystémová úroveň

Mikro

prostredie

Volden a Conzen, 2013

Nádorové

bunkytumoro-centrický pohľad (gény...)

Redukcionizmus versus komplexicitaÚrovne

Redukcionizmus versus komplexicitaÚrovne

Doporučená literatúra

Ashley NT, Demas GE. Neuroendocrine-immune circuits, phenotypes, and interactions. Horm Behav 2017;

87: 25-34.

Chovatiya R, Medzhitov R. Stress, inflammation, and defense of homeostasis. Mol Cell 2014; 54: 281-8.

Famm K, Litt B, Tracey KJ, Boyden ES, Slaoui M. Drug discovery: a jump-start for electroceuticals. Nature

2013; 496: 159-61.

Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB. Campbell Biology: Benjamin

Cummings, 2010, 1464 pp.

Doporučená literatúra

boris.mravec@fmed.uniba.sk