Recent advances in thermoregulation

Thermoregulation is the maintenance of a relatively constant core body temperature. Humans normally maintain a body temperature at 37°C, and maintenance of this relatively high temperature is critical to human survival. This concept is so important that control of thermoregulation is often the principal example cited when teaching physiological homeostasis. A basic understanding of the processes underpinning temperature regulation is necessary for all undergraduate students studying biology and biology-related disciplines, and a thorough understanding is necessary for those students in clinical training. Our aim in this review is to broadly present the thermoregulatory process taking into account current advances in this area. First, we summarize the basic concepts of thermoregulation and subsequently assess the physiological responses to heat and cold stress, including vasodilation and vasoconstriction, sweating, nonshivering thermogenesis, piloerection, shivering, and altered behavior. Current research is presented concerning the body's detection of thermal challenge, peripheral and central thermoregulatory control mechanisms, including brown adipose tissue in adult humans and temperature transduction by the relatively recently discovered transient receptor potential channels. Finally, we present an updated understanding of the neuroanatomic circuitry supporting thermoregulation.

Wavelet entropy of Doppler ultrasound blood velocity flow waveforms distinguishes nitric oxide-modulated states

Wavelet entropy assesses the degree of order or disorder in signals and presents this complex information in a simple metric. Relative wavelet entropy assesses the similarity between the spectral distributions of two signals, again in a simple metric. Wavelet entropy is therefore potentially a very attractive tool for waveform analysis. The ability of this method to track the effects of pharmacologic modulation of vascular function on Doppler blood velocity waveforms was assessed. Waveforms were captured from ophthalmic arteries of 10 healthy subjects at baseline, after the administration of glyceryl trinitrate (GTN) and after two doses of N(G)-nitro-L-arginine-methyl ester (L-NAME) to produce vasodilation and vasoconstriction, respectively. Wavelet entropy had a tendency to decrease from baseline in response to GTN, but significantly increased after the administration of L-NAME (mean: 1.60 ± 0.07 after 0.25 mg/kg and 1.72 ± 0.13 after 0.5 mg/kg vs. 1.50 ± 0.10 at baseline, p < 0.05). Relative wavelet entropy had a spectral distribution from increasing doses of L-NAME comparable to baseline, 0.07 ± 0.04 and 0.08 ± 0.03, respectively, whereas GTN had the most dissimilar spectral distribution compared with baseline (0.17 ± 0.08, p = 0.002). Wavelet entropy can detect subtle changes in Doppler blood velocity waveform structure in response to nitric-oxide-mediated changes in arteriolar smooth muscle tone.

Renal response to the angiotensin II receptor subtype 1 antagonist irbesartan versus enalapril in hypertensive patients.

OBJECTIVE: To compare the acute and sustained renal hemodynamic effects on hypertensive patients of 100 mg irbesartan and 20 mg enalapril each once daily. PATIENTS: Twenty patients (aged 35-70 years) with uncomplicated, mild-to-moderate essential hypertension and normal serum creatinine levels completed this study. STUDY DESIGN: After random allocation to treatment (n=10 per group), administration schedule (morning or evening) was determined by further random allocation, with crossover of schedules after 6 weeks' therapy. Treatment and administration assignments were double-blind. Twenty-four-hour ambulatory blood pressure was monitored before and after 6 and 12 weeks of therapy. Renal hemodynamics were determined on the first day of drug administration and 12 and 24 h after the last dose during chronic treatment. RESULTS: Administration of each antihypertensive agent induced a renal vasodilatation with no significant change in glomerular filtration rate. However, the time course appeared to differ: irbesartan had no significant acute effect 4 h after the first dose, but during chronic administration a renal vasodilatory response was found 12 and 24 h after the dose; enalapril was effective acutely and 12 h after administration, but no residual effect was found 24 h after the dose. Both antihypertensive agents lowered mean ambulatory blood pressure effectively, with no significant difference between treatments or between administration schedules (morning versus evening). CONCLUSIONS: Irbesartan and enalapril have comparable effects on blood pressure and renal hemodynamics in hypertensive patients with normal renal functioning. However, the time profiles of the renal effects appear to differ, which might be important for long-term renoprotective effects.

Examining the roles of core and local temperature on forearm skin blood flow

The interaction between local and reflexive control of skin blood flow (SkBF) is unclear. This thesis isolated the roles of rectal (Tre) and local (Tloc) temperature on forearm SkBF regulation at normal and elevated body temperatures, and to investigate the interaction between local and reflexive SkBF control. While either normothermic (Tre ~37.0°C) or hyperthermic (∆Tre +1.1°C), SkBF was assessed on the dorsal aspect of each forearm in 10 participants while Tloc was manipulated in an A-B-A-B fashion between neutral (33.0°C) and hot (38.5°C). Finally, local heating to 44°C was performed to elicit maximal SkBF. Data are presented as a percentage of maximal cutaneous vascular conductance (CVC), calculated as laser-Doppler flux divided by mean arterial pressure. Tloc manipulations performed during normothermia had significantly greater effects on CVC than during hyperthermia. The decreased modification to SkBF from the Tloc changes during hyperthermia suggests that strong reflexive vasodilation attenuates local SkBF control mechanisms.

Étude sur l’oxygénation des lits capillaires du disque optique au cours du cycle menstruel chez les femmes

Il est connu qu’on retrouve chez les femmes en post-ménopause un risque plus important de développer des maladies oculaires comparativement aux hommes du même groupe d’âge. Il semble que les changements hormonaux, et en particulier la baisse importante des niveaux d’estradiol, secondaires à la sénescence folliculaire constituent un facteur étiologique à long terme. Cela étant, il est légitime de se demander si les variations des niveaux d’hormones sexuelles endogènes peuvent également occasionner des effets à court terme sur les tissus de l’œil. Cette interrogation constitue d’ailleurs le motif principal de l’élaboration de la présente étude. Sachant qu’il se produit chez les femmes non ménopausées des variations continuelles des niveaux d’hormones sexuelles stéroïdiennes au cours de leur cycle menstruel, des femmes en âge de procréer ont été recrutées comme sujets d’étude. Dans un deuxième temps, afin de trouver le paramètre d’intérêt, on a effectué une revue de la documentation scientifique qui révèle un fait bien établi : les estrogènes favorisent la vasodilatation des vaisseaux sanguins par l’intermédiaire du monoxyde d’azote, et permettent, par le fait même, l’accroissement du débit sanguin tissulaire. Or, comment mesurer des variations de débit sanguin dans des tissus oculaires? Comme il est expliqué dans la discussion du présent mémoire, les variations d’oxygénation dans un organe dont le métabolisme est relativement stable sont le reflet de variations de débit sanguin. Grâce à une technique de mesure basée sur la spectroréflectométrie, il est possible de mesurer le taux d’oxyhémoglobine (HbO2) des lits capillaires du disque optique. En observant les variations du taux d’oxyhémoglobine au cours du cycle menstruel chez les sujets, on peut ainsi mesurer l’effet des variations hormonales cycliques sur l’irrigation des tissus oculaires. En somme, l’objectif de cette recherche est de mieux comprendre, en suivant le cycle menstruel des femmes, l’effet des hormones sexuelles endogènes sur l’oxygénation des lits capillaires du disque optique. Étant à la base du métabolisme de l’œil, l’apport en oxygène et en divers substrat véhiculés par la circulation sanguine est important au maintien de la santé oculaire. L’éclaircissement du lien entre les hormones et l’oxygénation de la rétine constituerait un avancement important, puisqu’il permettrait de comprendre pourquoi certaines atteintes oculaires, comme la cécité, touchent davantage les femmes. Les résultats de cette étude ont démontré que le taux d’oxyhémoglobine mesuré dans les lits capillaires du disque optique de l’œil ne subit pratiquement pas de variations significatives durant le cycle menstruel lorsqu’on considère les incertitudes des valeurs mesurées. Également, on observe une variabilité similaire des taux d’oxyhémoglobine mesurés chez les femmes en âge de procréation et chez les hommes du même groupe d’âge. Cela suggère que les changements hormonaux cycliques, qui ne se produisent que chez les femmes, n’occasionnent probablement pas de variation significative mesurable du taux d’oxyhémoglobine. Bref, malgré les effets possibles des estrogènes sur le diamètre artériolaire, il semble que les mécanismes locaux de régulation du débit sanguin tissulaire maintiennent un état d’équilibre propre au tissu irrigué et adapté aux besoins métaboliques locaux.

Relation entre la structure et la fonction des artères cérébrales dans l’athérosclérose : impact des traitements cardioprotecteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec Dre Christine Des Rosiers

Altération du couplage neurovasculaire par l'angiotensine II : évaluation du rôle de la signalisation calcique astrocytaire

Le couplage neurovasculaire (CNV) est un mécanisme d’homéostasie cérébrale régulant le débit sanguin cérébral (CBF) en fonction de l’activité neuronale. La manière dont il est altéré par l’angiotensine II (Ang II), une hormone synthétisée et relâchée dans la circulation systémique ou, alternativement, produite dans le cerveau grâce aux astrocytes, demeure à élucider. Ces cellules expriment le récepteur AT1 (rAT1) et participent à l’orchestration du CNV en relâchant des agents vasoactifs suivant la réponse calcique astrocytaire. Nous avons donc étudié le rôle de cette réponse dans l’altération du CNV induite par l’Ang II. Nous avons trouvé par fluxmétrie par laser Doppler que l’Ang II atténue (p<0.05) la réponse du CBF engendrée par l’activation des récepteurs métabotropes du glutamate du groupe I (mGluRI) du cortex chez la souris C57BL/6. De manière similaire, l’Ang II diminue l'élévation du CBF induite par la stimulation des vibrisses (p<0.05). Sur tranches de cerveaux en aiguë, la polarité de la réponse vasculaire induite par un agoniste mGluRI dans les artérioles parenchymateuses a été significativement renversée par l’Ang II de la vasodilatation vers la vasoconstriction. En parallèle, l’Ang II a augmenté les niveaux de calcium astrocytaire basaux et l’amplitude des réponses calciques (p<0.05). L’altération des réponses vasculaires et calciques maximales a été prévenue par le candesartan, antagoniste des rAT1. Nos résultats suggèrent que l’Ang II potentialise via les rAT1 la réponse calcique qui atteint un seuil favorisant la vasoconstriction par rapport à la vasodilatation, altérant ainsi l’augmentation du CBF en réponse à l’activité neuronale.

Angiopoietin like-2: a pro-inflammatory and pro-oxidative protein that contributes to endothelial dysfunction

Le vieillissement vasculaire est caractérisé par une dysfonction de l’endothélium. De nombreux facteurs de risque cardiovasculaire tels que l’obésité et l’hypertension prédisposent l’endothélium à un stress oxydant élevé aboutissant à une dysfonction endothéliale, celle-ci étant communément accompagnée d’une diminution de la biodisponibilité du monoxyde d’azote. Bien que la fonction endothéliale soit un déterminant majeur de la prédiction du risque cardiovasculaire des patients, son évaluation individuelle reste très limitée. En conséquence, il existe un intérêt scientifique grandissant pour la recherche de meilleurs biomarqueurs. L’Angiopoiétine like-2 (angptl2), une protéine identifiée récemment, joue un rôle pro-inflammatoire et pro-oxydant dans plusieurs désordres causés par une inflammation chronique allant de l’obésité à l’athérosclérose. L’inflammation et un stress oxydant accru ont été établis comme des mécanismes sous-jacents à l’apparition d’une dysfonction endothéliale, c’est pourquoi ce travail met l’accent sur le rôle de l’angptl2 dans la dysfonction endothéliale. Plus précisément, ce travail vise à: 1) déterminer les effets aigus de l’angptl2 sur la fonction endothéliale, 2) caractériser la fonction endothéliale et la contribution des différents facteurs relaxants dérivés de l'endothélium (EDRF) dans plusieurs lits vasculaires, et ce, dans un modèle de souris réprimant l’expression de l’angptl2 (knock-down, KD), et 3) examiner si l'absence d'expression angptl2 protège contre la dysfonction endothéliale induite par un régime riche en graisses (HFD) ou par perfusion d'angiotensine II (angII) chez la souris. Dans la première étude, l’incubation aigue avec de l’angptl2 recombinante induit une dysfonction endothéliale dans les artères fémorales isolées de souris de type sauvage (WT), probablement en raison d’une production accrue d'espèces réactives oxygénées. Les artères fémorales de souris angptl2 KD présentent une meilleure fonction endothéliale en comparaison aux souris WT, vraisemblablement par une plus grande contribution de la prostacycline dans la vasodilatation. Après 3 mois d’une diète HFD, les principaux EDRF respectifs des artères fémorales et mésentériques sont conservés uniquement dans les souris angptl2 KD. Cette préservation est associée à un meilleur profil métabolique, une moindre accumulation de triglycérides dans le foie et des adipocytes de plus petite taille. De plus, l’expression de gènes inflammatoires dans ces tissus adipeux n’est augmentée que chez les souris WT. Dans la seconde étude, l’absence d’angptl2 résulte en une production accrue de monoxyde d’azote dans les artères cérébrales isolées par rapport à celles des souris WT. La perfusion chronique d’angII provoque, seulement chez les souris WT, une dysfonction endothéliale cérébrale probablement par le biais d’une augmentation de la production d’espèces réactives oxygénées, probablement dérivé des NADPH oxydase 1 et 2, ainsi que l'augmentation des facteurs constricteurs dérivés de l’endothélium issus de la cyclo-oxygénase. En revanche, l’apocynine réduit la dilatation cérébrale chez les souris KD traitées à l’angII, ce qui suggère le recrutement potentiel d’une voie de signalisation compensatoire impliquant les NADPH oxydases et qui aurait un effet vaso-dilatateur. Ces études suggèrent fortement que l’angptl2 peut avoir un impact direct sur la fonction endothéliale par ses propriétés pro-inflammatoire et pro-oxydante. Dans une optique d’application à la pratique clinique, les niveaux sanguins d’angptl2 pourraient être un bon indicateur de la fonction endothéliale.

Índice de pulsatilidad de arteria cerebral media como predictor para desenlaces desfavorables en fetos pequeños para la edad gestacional

Introducción: La aparición de vasodilatación aislada de la arteria cerebral media en fetos pequeños para la edad gestacional sin otros cambios en el doppler puede interpretarse como fisiológica o podría ser la manifestación inicial de una restricción de crecimiento intrauterino de inicio tardío. Se pretende evaluar la asociación de la disminución del índice de pulsatibilidad de la arteria cerebral media, como predictor de desenlaces perinatales adversos, en fetos con bajo peso para edad gestacional. Metodología: Se realizó un estudio de cohorte analítica de temporalidad histórica para determinar si el hallazgo de disminución de la pulsatibilidad en el doppler de arteria cerebral media se asocia con el pronóstico perinatal adverso, en fetos pequeños para edad gestacional mediante un muestreo no probabilístico. Resultados: Se recolectaron un total de 325 flujometría doppler de fetos pequeños para edad gestacional. El riesgo de parto pretérmino fue RR 2.6 IC95% 1.6-4.1, de hospitalización fue RR 1.4 IC95%1.1-1.9 y de muerte fue 2.1 IC95%1.5-3.2 cuando hay índice de pulsatilidad alterada en la arteria cerebral media. La regresión logística mostró que el riesgo de desenlaces desfavorables con alteraciones en la arteria cerebral media fue de RR 4.2 IC95% 2.5-7.1 ajustado por edad materna, edad gestacional y bajo peso al nacer. Discusión Los pacientes expuestos presentan mayor riesgo de desenlaces desfavorables con diferencias significativas, no así en otros estudios publicados. El presente estudio muestra asociaciones significativas que debe ser evaluada con estudios más amplios.

Efectos de la simpatectomía torácica sobre la pletismografía de los miembros superiores en sujetos con hiperhidrosis palmar

Introducción: La simpatectomía es el tratamiento de la hiperhidrosis palmar y consiste en denervación simpática de miembros superiores que produce un efecto en el flujo sanguíneo al impactar la respuesta vasoconstrictora. El cambio en el flujo sanguíneo se puede evaluar a través de la onda fotopletismográfica. Metodología: Se realizaron 2 sesiones (presimpatectomía y postsimpatectomía) de 10 minutos en cada miembro superior en 28 pacientes obteniendo 79 señales fotopletismográficas distribuidas así: 37 presimpatectomía y 42 señales postsimpatectomía. De cada señal se analizó 1.5 minutos donde se tienen 80 ondas de fotopletismografía y se miden 6 variables: 1. Componente AC (componente pulsátil), 2. Componente DC (componente no pulsátil), 3. Relación entre AC/DC (índice de perfusión), 4. Area bajo la curva (AUC), 5. Tiempo entre el inicio de la onda y pico sistólico (T_DA) y 6. Tiempo entre cada onda de pulso (T_DD). Resultados: Aumentó 120% el componente AC y disminuyó 78% en DC del miembro superior derecho (MSD) con 99% de confiabilidad (p<0.001) entre presimpatectomía (n=18) y postsimpatectomía (n=21). AC/DC aumentó 55% con 95% de confiabilidad entre presimpatectomía (n=19) y postsimpatectomía (n=21) en el miembro superior izquierdo (p<0.05). No se encontró diferencia para T_DA, T_DD ni AUC. Discusión y Conclusión: La simpatectomía en pacientes con hiperhidrosis palmar produce un cambio en el flujo sanguíneo de los miembros superiores evidenciado por los cambios en el componente no pulsátil (DC) y pulsátil (AC) que es secundario a la vasodilatación consecuencia del bloqueo simpático por la denervación quirúrgica de los ganglios simpáticos torácicos.

Neurokinin B is a paracrine vasodilator in the human fetal placental circulation

Neurokinin (NK) B is a member of the tachykinin family of neurotransmitters, exerting hypotensive or hypertensive effects in the mammalian vasculature through synaptic release from peripheral neurons, according to either NK1 and NK2 or NK3 receptor subtype expression, respectively. There is recent evidence that NKB is expressed by the syncytiotrophoblast of the human placenta, an organ that is not innervated. We hypothesized that NKB is a paracrine modulator of tone in the fetal placental circulation. We tested this hypothesis using the in vitro perfused human placental cotyledon. Our data show that NKB is a dilator of the fetal vasculature, causing a maximal 25.1+/-4.5% (mean+/-SEM; n=5) decrease in fetal-side arterial hydrostatic pressure (5-muM NKB bolus; effective concentration in the circulation, 1.89 nM) after preconstriction with U-46619. RT-PCR demonstrated the presence of mRNA for NK1 and NK2 tachykinin receptors in the placenta. Using selective receptor antagonists, we found that NKB-induced vasodilation is through the NK1 receptor subtype. We found no evidence for the involvement of either nitric oxide or prostacyclin in this response. This study demonstrates a paracrine role for NKB in the regulation of fetal placental vascular tone.

Soya isoflavone-enriched cereal bars affect markers of endothelial function in postmenopausal women

Soya isoflavones are thought to be cardioprotective due to their structural similarity to oestrogen. In order to investigate the effect of soya isoflavones on markers of endothelial function we conducted a randomised, double-blind, placebo-controlled, cross-over study with thirty healthy postmenopausal women. The women consumed cereal bars, with or without soya isoflavones (50 mg/d), for 8 weeks, separated by an 8-week washout period. Systemic arterial complince (SAC), isobaric arterial compliance (IAC), flow-mediated endothelium-dependent vasodilation (FMD) and nitroglycerine-mediated endothelium-independent vasodilation (NMD) were measured at the beginning of the study and after each intervention period. Blood pressure (BP) and plasma concentrations of nitrite and nitrate (NOx) and endothelin-1 (ET-1) were measured at the beginning and end of each intervention period. NMD was 13.4 (sem 2.0) % at baseline and 15.5 (sem 1.1) % after isoflavone treatment compared with 12.4 (sem 1.0) % after placebo treatment (P=0.03). NOx increased from 27.7 (sem 2.7) to 31.1 (sem 3.2) mu m after isoflavones treatment compared with 25.4 (sem 1.5) to 20.4 (sem 1.1) mu m after placebo treatment (P=0.003) and a significant increase in the NOx:ET-1 ratio (P=0.005) was observed after the isoflavone treatment compared with placebo. A significant difference in SAC after the isoflavone and placebo treatment was observed (P=0.04). No significant difference was found in FMD, IAC, BP and ET-1. In conclusion, 8 weeks' consumption of cereals bars enriched with 50 mg soya isoflavones/d increased plasma NOx concentrations and improved endothelium-independent vasodilation in healthy postmenopausal women.

Isoflavones and endothelial function

Dietary isoflavones are thought to be cardioprotective due to their structural similarity to oestrogen. Oestrogen is believed to have beneficial effects on endothelial function and may be one of the mechanisms by which premenopausal women are protected against CVD. Decreased NO production and endothelial NO synthase activity, and increased endothelin-1 concentrations, impaired lipoprotein metabolism and increased circulating inflammatory factors result from oestrogen deficiency. Oestrogen acts by binding to oestrogen receptors alpha and beta. Isoflavones have been shown to bind with greater affinity to the latter. Oestrogen replacement therapy is no longer thought to be a safe treatment for prevention of CVD; isoflavones are a possible alternative. Limited evidence from human intervention studies suggests that isoflavones may improve endothelial function, but the available data are not conclusive. Animal studies provide stronger support for a role of isoflavones in the vasculature, with increased vasodilation and endothelial NO synthase activity demonstrated. Cellular mechanisms underlying the effects of isoflavones on endothelial cell function are not yet clear. Possible oestrogen receptor-mediated pathways include modulation of gene transcription, and also non-genomic oestrogen receptor-mediated signalling pathways. Putative non-oestrogenic pathways include inhibition of reactive oxygen species production and up regulation of the protein kinase A pathway (increasing NO bioavailability). Further research is needed to unravel effects of isoflavones on intracellular regulation of the endothelial function. Moreover, there is an urgent need for adequately powered, robustly designed human intervention studies in order to clarify the present equivocal findings.

Effects of chronic and acute fruit and vegetable juice consumption on cardiovascular disease risk factors

Diets low in fruit and vegetables are reportedly responsible for 2.7 million deaths annually from cardiovascular diseases (CVD) and certain cancers. A daily fruit and vegetable intake of five 80 g portions is recommended for chronic disease prevention. However, in the UK, average adult consumption is less than three portions. It is suggested that fruit juice should only count as one portion. However, fruit juices are a beneficial source of phytochemicals. The preliminary results of two randomized, controlled, crossover, dietary intervention studies investigating the effects of chronic and acute consumption of fruit and vegetable puree and juice based drinks (FVPJ) on bioavailability, antioxidant status, vascular reactivity, and risk factors for CVD are reported. In the first study, 39 volunteers consumed 200 ml FVPJ, or fruit-flavoured control, daily for six weeks. In the second study, 24 volunteers consumed 400 mL FVPJ, or sugar-matched control, on the morning of the study day. Blood and urine samples were collected throughout both studies and real-time measurements of vascular tone were performed using laser Doppler imaging with iontophoresis. Overall, the studies showed that the fruit and vegetable puree and juice based drink increased dietary phytochemicals. There was a trend towards increased vasodilation following both acute and chronic fruit juice consumption. Measurements of antioxidant status, oxidative stress and other cardiovascular disease risk factors are currently being determined.

Fish oil fatty acids improve postprandial vascular reactivity in healthy men

Chronic fish oil intervention had been shown to have a positive impact on endothelial function. Although high-fat meals have often been associated with a loss of postprandial vascular reactivity, studies examining the effects of fish oil fatty acids on vascular function in the postprandial phase are limited. The aim of the present study was to examine the impact of the addition of fish oil fatty acids to a standard test meal on postprandial vascular reactivity. A total of 25 men received in a random order either a placebo oil meal (40 g of mixed fat; fatty acid profile representative of the U.K. diet) or a fish oil meal (31 g of mixed fat and 9 g of fish oil) on two occasions. Vascular reactivity was measured at baseline (0 h) and 4 h after the meal by laser Doppler iontophoresis, and blood samples were taken for the measurement of plasma lipids, total nitrite, glucose and insulin. eNOS (endothelial NO synthase) and NADPH oxidase gene expression were determined in endothelial cells after incubation with TRLs (triacylglycerol-rich lipoproteins) isolated from the plasma samples taken at 4 h. Compared with baseline, sodium nitroprusside (an endothelium-independent vasodilator)-induced reactivity (P = 0.024) and plasma nitrite levels (P = 0.001) were increased after the fish oil meal. In endothelial cells, postprandial TRLs isolated after the fish oil meal increased eNOS and decreased NADPH oxidase gene expression compared with TRLs isolated following the placebo oil meal (P <= 0.03). In conclusion, meal fatty acids appear to be an important determinant of vascular reactivity, with fish oils significantly improving postprandial endothelium-independent vasodilation.