Когда наступит первая волна летней жары, начнутся мрачные подсчеты: количество людей, которые в результате погибнут.
По данным Центров по контролю за заболеваниями, мы можем ожидать, что высокие температуры убивают почти 700 человек каждый год только в этой стране, большинство из которых старше 70 лет. Подавляющее большинство не умрут от теплового удара, теплового истощения или обезвоживания. Они умрут от сердечных заболеваний, включая сердечные приступы и сердечную недостаточность.
Причина, по словам физиолога штата Пенсильвания Ларри Кенни, заключается в том, что мы охлаждаем себя в основном за счет перекачивания большего количества крови к коже, где тепло, которое она несет, может быть потеряно в окружающей среде. В жаркую погоду увеличивается приток крови к коже, до 20 раз больше, чем в прохладную погоду. Даже в состоянии покоя, если нам очень жарко, мы можем перекачивать на кожу почти два галлона крови каждую минуту.
Это создает нагрузку на сердце, что может быть особой проблемой для пожилых людей, поскольку их сердца работают тяжелее, пытаясь перекачивать больше крови к коже. Что еще хуже, кровеносные сосуды в старой коже не расширяются так же хорошо, как сосуды в коже молодых людей. Они не могут приспособиться к большему потоку и не могут вернуть столько крови к сердцу.
"Это своего рода двойной удар," говорит Кенни. "Пожилые люди не перекачивают столько крови к коже, но левый желудочек все еще пытается очень сильно сокращаться, чтобы сделать это. Таким образом, у некоторых пожилых людей с сердечной недостаточностью, сердечным приступом или просто слабым левым желудочком сердце внезапно оказывается гораздо сильнее"- иногда с плачевными результатами.
Потеют над деталями
Кенни работал над влиянием возраста на регулирование температуры с 1983 года, когда он получил свой первый грант Национального института здравоохранения на исследование. Первоначально он сосредоточился на потоотделении.
"Существовало старое мнение, что с возрастом потовые железы фактически атрофируются и больше не функционируют – что у пожилых людей выделяется меньше пота. Это привело бы к меньшему испарительному охлаждению," он говорит.
Его лаборатория обнаружила, что, хотя мы, как правило, меньше потеем с возрастом, это лишь отчасти из-за возрастных изменений в железах. Это также связано с изменениями в нашей деятельности.
"Потоотделение как средство терморегуляции в большей степени зависит от уровня аэробной подготовки, от того, насколько вы акклиматизированы к жаре, насколько вы гидратированы, ведете ли вы малоподвижный образ жизни и т. Д," он говорит – вещи, которые часто сопровождают старение, но не вызваны непосредственно старением.
Однако эти ранние исследования показали, что способность терять тепло через нашу кожу напрямую связана с возрастом.
"Хотя потоотделение не всегда напрямую связано с возрастом, способность сужать и расширять кровеносные сосуды в коже действительно очень важна," говорит Кенни. "Итак, последние 15 лет или около того мы сосредоточились на этом аспекте регулирования температуры."
Уникально человек
Кожа человека быстро и точно реагирует на изменения как тепла, так и холода, при этом крошечные сосуды, называемые артериолами, расширяются или сужаются, чтобы помочь отвести тепло или сохранить его. Механизмы, которые позволяют людям достичь этого точного контроля, и величина изменений кровотока в коже отличает нас от наших ближайших родственников в такой же степени, как и прямая ходьба с противопоставленными пальцами.
"Это уникальная человеческая система," говорит Кенни. "Нет ни одного другого животного, которое регулирует кровоток в своей коже так, как это делают люди." Некоторые другие млекопитающие изменяют приток крови к коже, но совершенно другими механизмами и часто только в определенных частях тела. Крысы контролируют кровоток к своим хвостам; кролики изменяют приток крови к ушам. Но только люди увеличивают кожный кровоток по всему телу, и в таком большом количестве.
Увеличение кровотока в коже может быть настолько значительным, что диаметр наших конечностей увеличивается настолько, что Кенни может измерить его с помощью тензодатчика, намотанного на предплечье. "Это очень тонко," он говорит. "Это доли процента изменения окружности тензодатчика, но чем больше крови течет к предплечью, тем больше тензодатчик растягивается."
В последние годы его лаборатория обратилась к лазерным методам для более точного измерения кровотока в коже. С помощью лазерной доплеровской флоуметрии исследователь направляет лазер на участок кожи диаметром примерно с карандаш. Красные кровяные тельца, протекающие через крошечные сосуды, отражают свет. Величина изменения отражения указывает на то, сколько эритроцитов перемещается через область.
Другой метод, лазерная спекл-визуализация, использует точки или спеклы отраженного лазерного света, чтобы показать относительные изменения кровотока на большей площади кожи – например, на всей руке или ноге. "Все картинки в крапинку," Кенни говорит: подумайте о пикселях на экране компьютера. "Если это биологическая ткань, эти пятнышки перемещаются и меняются, и они меняются вместе с кровотоком." Он использует специальную камеру, чтобы отслеживать это движение в режиме реального времени. На полученных изображениях крапинки имеют цветовую кодировку, чтобы указать, сколько из них двигалось в каждой части изображения. Области расширения (больший поток) отображаются ярко-красным и желтым цветом, а области, где сосуды были сужены (меньший поток), имеют спокойный темно-синий цвет.
Классные инструменты
Поскольку эти большие изменения кровотока в коже и контролирующие их молекулярные механизмы уникальны для людей, Кенни не может использовать мышей или других лабораторных животных для своих исследований. Он полагается на людей-добровольцев, желающих разогреться или охладиться во время упражнений или других экспериментальных подходов. Для его экспериментов "старшая" категория начинается с 65 лет; некоторым из его добровольцев уже за 90.
Добровольцы часто откидываются или сидят и могут смотреть фильмы (в основном комедии), читать или просто болтаться – если только они не участвуют в одном из исследований, посвященных тому, насколько хорошо они рассеивают тепло, выделяемое при выполнении упражнений. В этом случае они сидят или откидываются на клинической койке, оснащенной педалями, чем-то вроде лежачего велосипеда, или ходят или бегают трусцой на беговой дорожке. В некоторых экспериментах испытуемые дышат через устройство, которое позволяет команде Кенни измерять сердечный выброс одновременно с измерением кровотока в коже.
Чаще всего исследователи делают это измерение на внутренней поверхности предплечья. Они кладут на кожу небольшое устройство в форме пончика, которое может нагревать или охлаждать только область размером с десять центов внутри кольца. Затем Кенни может использовать один из лазерных методов для измерения кровотока в этой области. Он также может ввести небольшое количество исследуемого вещества прямо под кожу, чтобы увидеть, как вещество влияет на поток, и определить, какие молекулы участвуют в процессе. Волонтеры могут носить на руке до шести колец одновременно. Это позволяет Кенни сравнивать кровоток при разных курсах лечения в одной и той же части тела в одно и то же время у одного и того же добровольца. "Это важно, потому что если мы сравним мой кровоток с вашим, мы не узнаем, вызвана ли разница, которую мы видим, лекарством или просто присущей изменчивостью в том, как мы с вами реагируем," он говорит. "В наших экспериментах каждый сам себе контролирует."
Некоторые эксперименты проводятся в двух климатических камерах в лаборатории Нолла, которые были специально построены для изучения реакции на условия окружающей среды. В каждой комнате два слоя стен, один на пару дюймов внутри другого. Воздух, который был нагрет или охлажден, увлажнен или высушен, стекает вниз из пор в потолке и обратно вверх через пространство между боковыми стенами, поддерживая в помещении постоянную температуру и влажность, без горячих или холодных пятен. Кенни может даже добавить лампы, имитирующие солнце, или сделать это "дождь" внутри комнат.
"Диапазон температур здесь колеблется от 40 до 165 градусов по Фаренгейту," он говорит. "Мы также можем изменить влажность с очень сухой на очень влажную, чтобы смоделировать день в Аризоне или день во Флориде."
В других экспериментах добровольцы носили гидрокостюм из лайкры, напоминающий одежду для акваланга. Такой же костюм носят космонавты и летчики-истребители, чтобы поддерживать комфортную и безопасную температуру. В костюм вшита сеть из узких трубок. Во время эксперимента по трубке прокачивается холодная или теплая вода для понижения или повышения температуры тела добровольца. Клапан на молнии в костюме дает исследователям доступ к коже на предплечье, чтобы они могли измерять кровоток в различных условиях.
Что перестает работать
В ходе десятков серий экспериментов Кенни, соавтор факультета Лейси Александер, их постдоки и студенты выяснили, почему с возрастом мелкие сосуды в нашей коже меньше расширяются при нагревании и меньше сужаются при охлаждении. Какие именно изменения в старой коже и что мы можем с этим поделать??
Они обнаружили, что одним из ключевых факторов является низкомолекулярный оксид азота (NO). NO, производимый в клетках, выстилающих кровеносные сосуды, играет большую роль в здоровье сосудов в целом.
"Если присутствует много оксида азота, сосуды здоровы и могут надлежащим образом расширяться," говорит Кенни. "Если у вас не так много оксида азота, сосуды сужаются. Вот что происходит при гипертонии, в некоторых случаях это происходит с высоким холестерином, и это то, что происходит при старении."
Его группа проследила химические пути, участвующие в производстве оксида азота, и обнаружила, что на нескольких этапах возрастные изменения ограничивают количество производимого нами NO.
"С возрастом в коже происходят множественные избыточные изменения, и все они препятствуют расширению и сужению кровеносных сосудов кожи," он говорит.
Одним из наиболее важных изменений является потеря BH4 (тетрагидробиоптерина), кофактора, необходимого для производства оксида азота. Введение BH4 непосредственно в небольшой участок старой кожи заставляет сосуды в этой области реагировать, как у 20-летнего человека, а прием BH4 в таблетках усиливает кровоток в коже по всему телу. К сожалению, говорит Кенни, BH4 производится только одной компанией в мире и стоит очень дорого – годовые затраты на одного человека могут исчисляться сотнями тысяч долларов.
Но он и бывший аспирант (ныне докторант) Анна Стэнхевич, которая проводила исследования BH4, поняли, что BH4 химически связан с одним из витаминов группы B.
"Есть какой-то черный ход для тела, чтобы вырабатывать BH4, и это за счет приема фолиевой кислоты в свой рацион," говорит Кенни. Фолиевая кислота, также известная как витамин B9, может иметь серьезные побочные эффекты при приеме в слишком больших количествах, но она легко доступна и дёшево. "Мы говорим о копейках," говорит Кенни "Таким образом, мы приблизились к определению доступных стратегий вмешательства."
Более глубокие последствия
Возрастные изменения в пути оксида азота и других механизмах контроля также ограничивают способность сосудов в нашей коже сужаться, что, в свою очередь, делает нас менее способными оставаться в тепле в холодную погоду. Когда мы становимся старше, зимы становятся холоднее. К счастью, у нас есть простые способы компенсировать это: увеличить огонь, надеть более теплую одежду, выпить горячего чая или какао.
Даже если похолодания доставляют нам больше неудобств с возрастом, они не так склонны убивать нас, как волны тепла. Кенни говорит, что способность пожилых людей справляться с высокими температурами станет еще более важной в ближайшие годы из-за увеличения числа пожилых людей -"более 80" является самой быстрорастущей демографической группой в мире, а повышение температуры связано с изменением климата.
"Влияние на здоровье человека не настолько велико, что средняя температура на Земле повышается на градус или долю градуса каждые десять лет или около того," говорит Кенни. "Настоящая опасность заключается в том, что при изменении средней температуры изменяются и крайние значения. Повышение глобальной температуры связано с более частыми волнами тепла и более сильными периодами жары, и есть много доказательств того, что это происходит."
Почти каждое лето за последнее десятилетие приносило по крайней мере одну исключительно смертельную волну жары где-нибудь в мире. Один из самых сильных ударов по Европе в 2003 году, во время самого жаркого лета, зарегистрированного более чем за 400 лет. Представители здравоохранения сообщили, что он стал причиной 70000 смертей, из них около 15000 только в Париже. Опять же, большинство жертв были пожилыми людьми.
Работа Кенни по терморегуляции привела его настолько глубоко к деталям того, как расширяются и сужаются тонкие сосуды, что теперь это значение выходит за рамки способности людей пережить тепловую волну.
"Это действительно влияет на здоровье сосудов в целом," говорит Кенни. "Теперь мы используем кровообращение в коже в качестве модели для изучения того, что произойдет с коронарными артериями, что произойдет с сонными артериями, что произойдет с этими более крупными и важными сосудами позже в жизни – потому что эти изменения мы видеть в коже предшествуют и имитировать то, что происходит с сердечно-сосудистыми заболеваниями."