Kältestress und der Kältepressortest

Es ist bekannt, dass Temperatur und andere Umweltstressoren den Blutdruck (BP) und die Herzfrequenz (HR) beeinflussen. In dieser Aktivität führen die Schüler den Kaltpressortest durch, um die Änderungen des Blutdrucks zu demonstrieren, die einem Umweltstress folgen. Bei Kältestress taucht das Subjekt eine Hand für 1-2 Minuten in Eiswasser ein, während die Gruppenmitglieder die Änderungen des Blutdrucks des Subjekts von der Grundlinie bis zur Genesung überwachen.

Hintergrund

Es ist bekannt, dass Temperatur und andere Umweltstressoren HR und BP beeinflussen. Zum Beispiel verursacht plötzlicher und zunehmend schmerzhafter Kältestress eine massive Entladung des sympathischen Nervensystems und die Freisetzung von Noradrenalin. Diese sympathische Entladung löst Reaktionen im kardiovaskulären (CV) System aus, die arteriolare Verengung, erhöhte HR und erhöhte Herzkontraktilität umfassen. Diese Reaktionen kombinieren, um BP zu erhöhen. Dies wird als Pressorantwort (21) bezeichnet, und das Testen eines Probanden mit Kältestress auf diese Weise wird als Kaltpressortest bezeichnet. Der Kaltpressortest wurde klinisch als Stresstest zur Beurteilung der linksventrikulären Funktion verwendet (15). Der Test wird auch zur Bewertung der autonomen Herzfunktion (24) und als experimenteller Schmerzreiz (23) verwendet.

Der Test wurde einst als Index für das Screening von Probanden auf Bluthochdruck (hoher Blutdruck) vorgeschlagen (8, 16). Mehrere Studien haben gezeigt, dass die CV-Reaktion auf den Kaltpressortest die zukünftige Entwicklung von Bluthochdruck vorhersagen kann. Studien an schwarzen und weißen Erwachsenen und Kindern haben gezeigt, dass schwarze Probanden, die ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung einer frühen Hypertonie haben, stärkere vaskuläre Reaktionen auf den Kaltpressortest zeigen als weiße Probanden (10). Es wurde gezeigt, dass der Kaltpressortest die Koronararterien normaler Probanden erweitert, aber die Koronararterien hypertensiver Probanden verengt (1). Eine Studie (14) verwendete Kaltpressortest-induzierte koronare Vasokonstriktion, um nachfolgende unerwünschte kardiovaskuläre Ereignisse (z. B. Schlaganfall oder Herzinfarkt) bei asymptomatischen Typ-2-Diabetikern erfolgreich vorherzusagen. Vermutlich ist die Vasokonstriktion mit einer endothelialen Dysfunktion verbunden, die zu einer langfristigen CV-Pathologie führt.

Lernziele

Nach Abschluss dieser Aktivität sollten die Schüler in der Lage sein, Folgendes zu tun:

1. Beschreiben und erklären Sie die physiologischen Kontrollwege, die der BP-Reaktion auf den Kaltpressortest zugrunde liegen

2. Entwickeln Sie eine Hypothese und entwerfen Sie ein Experiment, um sie zu testen

3. Sammeln und analysieren Sie Daten und ziehen Sie entsprechende Schlussfolgerungen

4. Kritisiere experimentelles Design, um zukünftige Erkundungen zu verbessern

Aktivitätslevel

Diese Aktivität wäre in einer Vielzahl von Kursen nützlich, einschließlich Physiologie, Anatomie und Physiologie, allgemeine Biologie, Humanbiologie, Honors Biology oder Advanced Placement Biology von der High School bis zur Professional School.

Voraussetzung Kenntnisse oder Fähigkeiten der Schüler

Bevor Sie diese Aktivität ausführen, sollten die Schüler ein grundlegendes Verständnis für Folgendes haben:

1. Physiologische Faktoren, die HR und BP beeinflussen

2. Wege und Reaktionen des autonomen Nervensystems

3. Die Arten von sensorischen Rezeptoren im Körper und wo sie gefunden werden

Die Schüler sollten wissen, wie man Folgendes macht:

1. Messen Sie den Blutdruck mit einem Blutdruckmessgerät / einer Blutdruckmanschette und einem Stethoskop oder mit einem automatisierten Datenerfassungssystem

2. Pulsfrequenz messen, entweder manuell oder mit einem Fingerpulswandler

Benötigte Zeit

Eine einfache Demonstration des Reflexes dauert <1 h. Wenn die Studierenden dies als Anfrageaktivität tun, planen Sie je nach Anzahl der Probanden mindestens 1 h (im Labor oder vor dem Labor) für die Hintergrundliteraturrecherche, 30 min für die Planung und Gestaltung des Experiments und 1-2 h für die Datenerfassung ein.

Ausrüstung und Zubehör

Erforderliche Ausrüstung (1 Satz / Gruppe).

Folgende Ausrüstung ist für diese Aktivität erforderlich:

1. Ein Blutdruckmessgerät / eine Blutdruckmanschette oder ein elektronisches Äquivalent

2. Ein Stethoskop

3. Ein Wassereimer / Pfanne

4. Eis

5. Ein Thermometer, das bis zu 4 ° C messen kann

6. Eine Uhr oder Uhr, die in Sekunden abgelesen werden kann

Optionale Ausrüstung (1 Satz/Gruppe).

Folgende Ausrüstung ist für diese Aktivität optional:

1. Ein EKG- oder HR-Monitor; alternativ ein Computer mit physiologischer Datenerfassungssoftware (z.B., AD Instruments, Biopac, oder iWorx) plus finger puls wandler und blutdruckmessgerät wandler können verwendet werden

2. Ein gekühltes Wasserbad

3. Eine Stoppuhr

Zulassung von menschlichen Probanden

Dieses nichtinvasive Experiment wird vom Institutional Review Board der University of Texas (Austin, TX) als ausgenommene Bildungsaktivität angesehen. Anwender dieser Aktivität sind dafür verantwortlich, von ihrer Heimatinstitution eine Genehmigung für die Forschung am Menschen zu erhalten. Eine Zusammenfassung der “Leitprinzipien für die Forschung an Tier und Mensch” finden Sie unter www.the-aps.org/mm/Publications/Ethical-Policies/Animal-and-Human-Research.

Anleitung

1. Vorbereitung: Ausrüstung sammeln. Es ist keine zusätzliche Vorbereitungs- oder Nachbereitungszeit erforderlich. Ein Beispieldatenerhebungsblatt ist in Tabelle 1 dargestellt.

2. Bereiten Sie eine Pfanne mit Eis und Wasser vor, die auf 4 ° C gehalten werden kann. Hinweis: sie können Wasser im Bereich von 4-10 ° C verwenden und erwarten eine Reaktion.

3. Zeigen Sie den Schülern das Eiswasser und bitten Sie sie, eine Hypothese / Hypothesen zu schreiben, die die Auswirkungen des Eintauchens einer Hand in das Wasser auf das Nervensystem vorhersagen. Sie sollten eine Vorhersage der Auswirkungen von Kältestress auf den Blutdruck, die Herzfrequenz und den Blutfluss enthalten, basierend auf dem, was sie über die autonome Kontrolle des Blutdrucks und über die Thermoregulation wissen. Eine Vorhersage könnte beispielsweise wie folgt aussehen: “In der Kälte verengen sich die kutanen Blutgefäße, um den Wärmeverlust über die Körperoberfläche zu begrenzen, und diese Vasokonstriktion sollte den Blutdruck erhöhen.”

4. Bitten Sie das Subjekt, sich auf den Rücken zu legen (Rückenlage) oder 5 Minuten lang ruhig zu sitzen. Es ist vorzuziehen, die Rückenlage zu verwenden, wo dies möglich ist.

5. Nehmen Sie BP und HR zwei- bis dreimal, um normale Werte zu bestimmen. Lassen Sie die entleerte BP-Manschette am Arm.

6. Tauchen Sie mit dem Arm OHNE Manschette die Hand des Probanden in das Eiswasser und lassen Sie sie dort 2 Minuten lang stehen. Wenn die Erkältung zu schmerzhaft wird, kann das Subjekt die Hand jederzeit zurückziehen.

7. Bestimmen Sie BP und HR alle 30 s für 2 min. Hinweis: Viele der klinischen Kaltpressortests verwenden nur 1 min Eintauchen. Wenn die Probanden feststellen, dass die Hand für einen 2-minütigen Test zu schmerzhaft wird, verkürzen Sie den Test auf 1 Minute. Das Experiment kann auch mit dem Fuß anstelle der Hand durchgeführt werden.

8. Nehmen Sie die Hand des Probanden aus dem Eiswasser.

9. Messen Sie sofort den systolischen und diastolischen Blutdruck und zählen Sie die Pulsfrequenz in Abständen von 30 Sekunden, bis sich Blutdruck und Puls wieder normalisiert haben.

10. Berechnen Sie den durchschnittlichen normalen systolischen und diastolischen BPs aus den vor dem Eintauchen erhaltenen Daten. Subtrahieren Sie die durchschnittlichen Voreintauchdrücke von den höchsten Messwerten, die während oder nach dem Eintauchen erhalten wurden.

∙Die Änderung des Blutdrucks liefert einen Index der Labilität oder Reaktivität des Blutdrucks.

∙Patienten, deren systolischer Blutdruck um 25 oder mehr mmHg ansteigt oder deren diastolischer Blutdruck um 20 oder mehr mmHg ansteigt, gelten als hyperreaktiv (25).

Kontinuierliche Überwachungsmethode

Der wahrscheinlich schwierigste technische Aspekt dieses Experiments ist die Notwendigkeit, schnelle serielle Messungen des Blutdrucks durchzuführen. Wenn die Schüler ein computergestütztes Datenerfassungssystem mit einem Blutdruckmessumformer verwenden, Es kann möglich sein, Änderungen des Blutdrucks mit kontinuierlichen Messwerten zu überwachen, wie unten beschrieben.

1. Die Manschette des Blutdruckmessgeräts darf nicht auslaufen. Um dies zu testen, blasen Sie die Manschette auf einen Druck unterhalb des systolischen Blutdrucks des Probanden auf und ziehen Sie die Schraube fest. Beobachten Sie die Spur auf dem Computerbildschirm, um sicherzustellen, dass der Blutdruck konstant bleibt. Entleeren Sie die Manschette.

2. Berechnen Sie anhand von Messungen Ihres Probanden in Ruhe den mittleren Blutdruck wie folgt: Mittlerer Blutdruck = diastolischer Blutdruck + 1/3 Pulsdruck, wobei Pulsdruck = systolischer Blutdruck − diastolischer Blutdruck.

3. Wenn das Experiment beginnen kann, legen Sie die Manschette auf das Subjekt und blasen Sie es auf ∼ 5 mmHg unter dem mittleren Blutdruck des Subjekts auf. Halten Sie den BP konstant auf diesem Wert, indem Sie die Schraube am Gummiball festziehen.

Starten Sie die Aufnahme. Sie sollten kleine Druckimpulse auf der Spur beobachten, wenn jede Druckwelle unter der Manschette verläuft. Erhöhen Sie bei Bedarf die Empfindlichkeit der y-Achse. Die Spur auf der Aufzeichnung ermöglicht es Ihnen, Änderungen des systolischen Blutdrucks sowie Variationen der Grundlinie der Aufzeichnung zu sehen.

Sicherheitshinweise

Personen mit EINER der folgenden Bedingungen sollten NICHT als Subjekt dienen:

1. Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems

2. Neurologische Erkrankungen

3. Raucher

4. Kürzlich eingenommenes Koffein

Den Schülern sollte nachdrücklich gesagt werden, dass sie, wenn das kalte Wasser zu schmerzhaft wird, die Hand sofort entfernen und nicht bis zum Ende des Testzeitraums warten sollten.

Warnen Sie die Schüler davor, die Manschette zu lange aufgeblasen zu lassen. Wenn das Subjekt über Schmerzen im Arm klagt, entleeren Sie die Manschette sofort.

Fehlerbehebung

Mögliche Probleme und Lösungen für diese Aktivität sind in Tabelle 2 dargestellt.

ERGEBNISSE

Erwartete Ergebnisse

Arterieller Blutdruck und HR sollten während des Eintauchens der Hand in kaltes Wasser ansteigen und sich nach dem Entfernen der Hand wieder normalisieren (Abb. 1).

Auswertung der studentischen Arbeit

Die Studierenden sollten ihre Daten als Grafiken darstellen. Sie können systolische und diastolische BP-Werte darstellen und dann den mittleren BP berechnen und darstellen. Sie können HR-Daten auf einer separaten Achse auf demselben Millimeterpapier enthalten.

Es ist oft nützlich, dass Schüler ihre Daten bündeln und ihre Diagramme mit kompilierten Klassendaten erstellen, da dies ihnen die Möglichkeit gibt, die Variabilität zu beobachten, die einer Population von Menschen innewohnt. Wenn die Klasse Statistiken enthält, lassen Sie die Schüler sowohl gepaarte als auch ungepaarte Schüler-T-Tests an den Daten durchführen, um zu zeigen, wie ein gepaarter T-Test Signifikanz in einer variablen Population zeigen kann, die bei der Analyse mit einem ungepaarten T-Test signifikante Vorher-Nachher-Unterschiede aufweisen kann oder nicht.

Fragen zum Laborbericht

Frage 1.

Was war größer: die Wirkung von Kälte auf den systolischen Blutdruck oder auf den diastolischen Blutdruck? Was könnte dafür verantwortlich sein?

ANTWORTE.

Die Literatur sagt voraus, dass der Effekt auf den systolischen Blutdruck größer ist. Sympathische Innervation erhöht die Kontraktilität des Herzens, was den systolischen Blutdruck beeinflusst.

Frage 2.

Werden die Veränderungen der HR durch das vegetative Nervensystem vermittelt? Wenn ja, welcher Zweig?

Frage 3.

Funktioniert der Barorezeptorreflex während des Kaltpressortests? Verwenden Sie Beweise, um Ihre Antwort zu unterstützen.

ANTWORTE.

Nein, der Barorezeptorreflex funktioniert nicht. Wenn es so wäre, würde der Anstieg des Blutdrucks zu einer Reflexabnahme der HR führen.

Frage 4.

Nach welchen physiologischen Mechanismen funktioniert der Kaltpressortest? Machen Sie eine detaillierte Karte des Prozesses, beginnend mit dem Eintauchen der Hand in kaltes Wasser und endend mit erhöhtem Blutdruck.

Anfrage Anwendungen

Wenn die test ist durchgeführt wie geschrieben in die anweisungen, diese aktivität ist eine “kochbuch” labor. Um das Untersuchungsniveau zu erhöhen, kann der Lehrer den Schülern erlauben, zu entscheiden, welcher Teil des Körpers der Kälte ausgesetzt werden soll (siehe Hinweis unten), welche Wassertemperatur verwendet werden soll und wie lange der Körperteil der Kälte ausgesetzt werden soll. Die Schüler können auch gefragt werden, wie sie diesen Test kontrollieren sollen, um auszuschließen, dass der Druck des Wassers auf die Haut die Reaktion auslöst (Antwort: Wiederholen Sie den Test mit Körpertemperatur oder wärmerem Wasser).

Für ein noch höheres Maß an Untersuchung werden die Schüler gebeten, selbst etwas über den Kaltpressortest zu lernen und ein Experiment zu entwerfen, um dies zu testen. Dazu müssen sie die Literatur mit PubMed durchsuchen.www.pubmed.com ) und lesen Sie veröffentlichte Artikel zum Kaltpressortest. Die Literatur ist explizit genug über das Protokoll, dass von Studenten entworfene Experimente dem oben beschriebenen Protokoll sehr nahe kommen sollten.

Die Schüler können den Kaltpressortest verwenden, um Aspekte der Umweltauswirkungen auf BP und HR weiter zu untersuchen. Fragen, die die Schüler stellen und testen können, umfassen Folgendes:

• Was ist die Schwellentemperatur, die die Reaktion des Kaltpressors auslöst?

• Variiert die Schwellentemperatur von Person zu Person?

• Variiert es nach Geschlecht, Rasse / ethnischer Gruppe, Gewicht, Alter usw.?

• Unterscheiden sich verschiedene Populationen in der Intensität der Reaktion?

• Gibt es andere Stressoren, die BP beeinflussen, die für die Exploration verwendet werden könnten?

Hinweis: Wenn Kälte auf das Gesicht aufgetragen wird, insbesondere im Nasenbereich, kann der Reiz einen Tauchreflex auslösen, der durch eine Abnahme der HR (Bradykardie) und einen geringen oder keinen Anstieg des Blutdrucks angezeigt wird. Ein Forschungsexperiment könnte darin bestehen, dass die Schüler feststellen, ob die CV-Reaktion auf Kälte davon abhängt, welcher Teil des Körpers dem Kältereiz ausgesetzt ist.

Zusätzliche Ressourcen

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter Refs. 2-7, 9, 11-13, 17-20, 22, und 26.

GRANTS

Diese Arbeit wurde mit Unterstützung der National Science Foundation Grant DUE-041064 entwickelt.

ANGABEN

Es werden keine finanziellen oder sonstigen Interessenkonflikte von den Autoren angegeben.

AUTORENBEITRÄGE