Hyperthermia

The word hyperthermia comes from the Greek wordshyper(excess) andthermo (heat).


 * a condition in whichthere is a non-physiological increasein the temperature of the organism caused bydisorders of thermoregulation – in humans a temperature of 37 °C and higher
 * increase in tissuetemperature induced intentionallymainly forthe purpose of tumor treatment
 * The application of heat (or cold) to the body is also dealt with in the articlethermotherap

Hyperthermia – non-physiological increase in body temperature
Constant maintenance ofbody temperatureis conditioned by the equality of heat generatedby metabolic processesand heat dissipated to the environment. This equality is maintained mainly by regulating the speed of heat dissipation – this is mainly dissipated through the skin and lungs. Inside the body, the blood flow participates in heat exchange (which also ensures the transfer of heat from the inside ofthe body to the surface). Heat exchange takes place untilthe equilibrium state occurs. Physical mechanisms of heat exchange with the environment (radiation, conduction, flow, and evaporation of water) and theeffects of climatic conditionson this exchange are explained in the article -Effects of high temperatures on the body.

The percentage of individual mechanismsis given in the article -heat loss of the organism. If any of these mechanisms are disturbed,hyperthermia occurs.

How does the change in body temperature occur
When body temperature changes, there isa change ininternal energy (denotedby ΔU, unit, ... J[joule]).

This change can occur.
 * performing mechanical work
 * Mechanical workdepends on the force acting on the body, on thepath taken by the body, and on theangle of theforce and trajectory of the body's motion - W = F. s. cosα. But we can also express it as the change in kinetic energy – W = Ek2 – Ek1. It follows: ΔU=|ΔEk|= W


 * heat exchange
 * The measure ofthermal energy that gives heat to a colder body during heat exchange is thequantity HEAT... Q=c.m.Δt [J]
 * No... specific heat capacity = physical quantity that expresses what heat is transferred / received by 1kg of substance when cooled / heated by 1K (°C),m... body mass,Δt... temperature change
 * Heat capacity (C)= physical quantity that expresses the amount of heat by which a body heats/cools by 1K;C=Q.ΔT-1; C=c.m [J.K-1]

Different environments/bodies (e.g. air, water, ...) have a differentspecific heat capacity and therefore have a different warming effect on us. Hot water warms us up more than equally hot air. Therefore, for example, in the sauna we can withstand a temperature of up to 100 ° C, but in steam only 60 ° C. The warming effect also affects:


 * Flow- flowing hot air warms us more
 * thermal conductivity = ability of the environment to conduct heat
 * characterized by the coefficient of thermal conductivity (= specific thermal conductivity)
 * pressure

The human body can be compared to the so-called heat engine, which works on the basis ofthe 1st law of thermodynamics
 * both events az once- mostly
 * The change in the internal energy of the system/human body is equal to the sum of the work done by the surrounding bodies acting on the system by forces and the heat given to the system. ΔU= W + Q

The system canreceive energy (W>0, Q>0) andgive energy (W<0, Q<0). If the work is performed by thesystem itself/ l. body, we use the formula:ΔU= – W' + QThe2nd law of thermodynamics also applies – the conversion of energy cannot be complete.

Causes of hyperthermia

 * physical
 * long-termexposureto the sun (sunstroke), stay in a hot and humid environment ( hot bath, long stay in sauna) - worse heat exchange by conduction and evaporation disorder ( evaporation)
 * above 60 °C particularly high risk
 * disorders of blood circulation in the body, heart failure – disturbed heat exchange by convection (convection)
 * physical exertion – (see introduction – heat engine)
 * dehydration – reduced possibility of evaporation
 * biological
 * infectiousdiseases (colds, flu, rubella, herpes, etc.)
 * damage tothe hypothalamus, thyrotoxicosis (thyroid disease), pheochromocytoma (a type of tumour originating from theadrenal medulla)
 * ectodermaldysplasia (lack of sweat glands),cystic fibrosis
 * hypersensitivityto substances (alcohol, atropine, antihistamines, sympathomimetics...)
 * malignant hyperthermia (skeletal muscle disease)
 * The risk is increasedby obesity, old age, fatigue, insufficient acclimatization, more extensiveskin damage (e.g. burns)

Consequences of hyperthermia

 * extremevasodilation, decrease in blood pressure,impaired blood redistribution,decrease in brain perfusion,heart failure, pulmonary oedema
 * dehydration-> hyperosmolarity (higher amount of osmotically active particles dissolved in a liter of solvent)
 * collapses (prolonged standing in heat and calm), unconsciousness, brain damage, organ failure
 * deepmetabolic acidosis (decrease in the concentration of standard bicarbonates), hyperventilation (rapid and deepened breathing), hyperkalemia (increase in potassium in the blood), but in the early stages there may also behypokalemia (retention of potassium in cells, intestinal losses)
 * damage to tissues by heat (protein denaturation, necrosis, ...)
 * inpregnancy: risk ofmiscarriage, malformations (congenital malformations) – at a body temperature higher by 2-2.5 °C, the duration of exposure to a higher temperature also increases the risk
 * They are not recommended:
 * hot baths (maximum 10 min)
 * saunas (up to 20 minutes for women who regularly visited the sauna before becoming pregnant)
 * very strenuous exercises up to 16 weeks of pregnancy
 * sunburn: malaise, impaired concentration, headache, dizziness, nausea, vomiting, neck stiffness, cerebral sheath congestion (cerebral edema, up toserous meningitis), developmentof convulsions, deliriumtounconsciousness

Hyperthermia in oncology

 * helps to increase the effects of tumor treatment
 * It is beneficial only if healthy tissue is not damaged during treatment and the heat primarily catchesthe tumor cells
 * Treatment is possible mainly due to different blood supply, which makes tumor cells more sensitive to heating
 * uses the secondary thermal effect of microwave radiation, ultrasonic waves, laser
 * other, less used heating methods: infrared radiation, local perfusion, immersion (tissue temperature increases in a limited volume)

Podle výše teploty se dělí na

 * nízkoteplotní – ohřev tkání na teploty 39 °C
 * vysokoteplotní – interval 41-45 °C
 * vyšší teploty – termální destrukce tkání (termoablace)

Mechanismus účinku

 * přesný mechanizmus není znám, hovoří se ale o tzv. primární termosenzitivitě nádorové buňky
 * významnou úlohu hraje krevní zásobení tkáně - nejvyšší účinek je v místě, kde je průtok krve danou oblastí minimální -> rozdílné ochlazování nádorové a normální tkáně
 * množství tepelné energie, která je krví odvedena z tkáně za určitou dobu, můžeme spočítat vztahem:
 * Q= c.m.Δt; c...měrná tepelná kapacita krve, m... hmotnost krve, která danou oblastí proteče, Δt= t2-t1...změna teploty (konečná - počáteční teplota).
 * -> čím větší hmotnost krve proteče, tím více se daná oblast ochladí a tím je účinek hypertermie menší.

Výsledek působení tepelné energie na buňku

 * změna pH vnitřního prostředí -> aktivace lyzosomálních enzymů
 * zpomalení až zastavení reparačních dějů
 * někdy také přímý rozklad buněk

Použití

 * zvyšování účinků radioterapie nebo chemoterapie
 * recidiva nádorů (byly-li vyčerpány možnosti radioterapie)
 * nádory s průměrem větším než 2 cm
 * radioresistentní nádory
 * předoperační zmenšení nádoru
 * dětská onkologie

Podle objemu zahřívané tkáně se hypertermie dělí

 * lokální – zahřívání povrchově uložených ložisek do hloubky 3–4 cm
 * regionální – zahřívání hluboce uložené tkáně a orgánů
 * intersticiální – působení přímo do nádorem postižených tkání (např. mozek)
 * intrakavitální – při které se zavádějí aplikátory do dutin (např. močový měchýř)
 * celotělová – zahřívání celého těla

Termotolerance

 * odolnost buněk na vyšší teploty (nad 41 °C)
 * přechodný, nedědičný typ teplotní rezistence buněk
 * plně se rozvíjí po začátečním ohřevu a trvá 2–3 dny, poté buňka opětovně nabývá termorezistivity

Termoradioterapie

 * využívá opačných účinků hypertermie a radiační léčby


 * vzájemnou kombinací obou metod můžeme dosáhnout synergie účinku -> stejný léčebný efekt i při nižší dávce záření, nebo vyšší efekt při stejné dávce záření
 * nízkoteplotní hypertermií - zvýšíme průtok krve do tkáně
 * ionizující záření ničí DNA rakovinné buňky, ohřev zabraňuje jejímu obnovení
 * podstatou zvýšení účinku radioterapie jsou změny v konformaci proteinů (hlavně reparačních enzymů)
 * snížená schopnost buněk opravovat poškození DNA způsobené radioterapií -> vyšší pravděpodobnost spuštění apoptózy, nebo zabránění v růstu a dělení buněk.
 * snížení syntézy DNA a buněčných proteinů
 * hypertermie se aplikuje 1–4 hodiny po radioterapii
 * aplikace hypertermie trvá 45–60 minut a provádí se 1–2× / týden v průběhu radioterapie

Termochemoterapie

 * podstatou zvýšení účinku chemoterapie je také inhibice reparace DNA (viz termoradioterapie)
 * ovlivnění farmakokinetiky léků, koncentrace léků v nádoru, průnik léků skrz buněčné membrány a jejich metabolizace -> zvýšení koncentrace léčiva v prohřívané oblasti
 * obnovení citlivosti nádoru na některá cytostatika (cisplatina)
 * látky podávané ve speciálních kapslích (liposomy) se uvolňují díky hypertermii až v nádoru – omezení negativních vlivů
 * chemoterapie se aplikuje současně s hypertermií, nebo těsně před hypertermií
 * výrazně stoupá toxicita

Mikrovlnná hypertermie

 * vysokofrekvenční (>106 MHz) elektromagnetické pole se šíří tkání jako elektromagnetická vlna – tu tkáň vstřebá (tkáň se chová jako ztrátové dielekrikum) -> elektromagnetická vlna se přemění v teplo
 * elektromagnetické pole vyvolá pohyb polárních molekul a iontů -> umožňuje vznik proudu, který pak ohřívá biologickou tkáň.

Ultrazvuk

 * nejvhodnější
 * mechanická vlna při průniku do cílené tkáně způsobuje zahuštění a zředění prostředí, tkáň absorbuje ultrazvukovou vlnu a mechanická energie se přemění v tepelnou energii
 * při frekvencích okolo 10 MHz – vrstva do 1 cm
 * při frekvencích 0,5 MHz – až do hloubky 10 cm
 * umožňují ohřev lokální, regionální, intrakavitální či intersticiální

Související články

 * Termoregulace
 * Maligní hypertermie
 * Vlivy extrémních teplot na živé organismy
 * Termoterapie
 * Působení vysokých teplot na organismus
 * Tepelné ztráty organizmu
 * Horečka