人体热调节极限的重新定义：基于健康青年人群的预测模型关键评估

本刊推荐：本研究通过严谨的8小时热暴露实验，首次系统验证了核心温度拐点（CTIP）方法和生物物理模型在预测人体热调节极限中的局限性。结果表明，在五种极端湿热环境下（最高达50°C/24.5%RH），所有受试者均能维持热平衡（Trec上升速率≤0.1°C/h），峰值直肠温度（38.2±0.4°C）远低于热射病阈值。该发现对现有热风险评估模型提出重要挑战，为修订职业健康与公共卫生指南提供了关键实证依据。

　　

引言

随着气候变化导致全球气温持续上升，极端高温事件日益频繁和严重，对人类健康和生产活动构成重大威胁。长时间暴露于极端高温环境可能引发从热衰竭到危及生命的热射病等一系列热相关疾病，尤其对老年人、儿童、慢性病患者和户外工作者等脆弱群体影响更为显著。准确界定人体耐热极限对于制定有效的风险缓解策略至关重要。目前评估人体热调节极限的主要方法包括核心温度拐点（CTIP）法（又称湿度斜坡协议）、生物物理建模和先进的热调节模型。尽管这些方法能快速估算热耐受极限，但其在长时间热暴露条件下的准确性尚未经过实证验证。

研究方法

本研究获得西安科技大学机构审查委员会批准（批准号：XUST-IRB225003），所有受试者在入组前均签署知情同意书。通过事前效能分析确定最小样本量，最终招募36名健康青年（20名男性，16名女性），年龄20.9-22.4岁，体重指数21.1-22.3 kg/m²。女性受试者均在月经周期的卵泡早期（5±3天）进行测试，此阶段雌激素和孕酮水平较低。所有参与者均进行低至中等强度体育活动，无心血管、呼吸系统或代谢疾病史。

实验环境基于CTIP方法和生物物理建模的预测结果，设置了五种不同的热暴露条件：36°C/74.5%RH（T_w=32.0°C）、40°C/55.0%RH（T_w=32.0°C）、44°C/29.2%RH（T_w=28.7°C）、47°C/35.6%RH（T_w=33.0°C）和50°C/24.5%RH（T_w=31.4°C）。环境舱内空气流速保持在0.20±0.05 m/s，CO₂浓度控制在1,000 ppm以下，温湿度通过四个高精度数据记录仪在四个垂直高度连续监测。

实验设计采用五重平衡设计，每轮暴露持续8小时（9:00-17:00），间隔5天洗脱期。终止标准包括核心温度达到39.0°C、心率达到预计最大值的80%并维持5分钟、完成8小时暴露或受试者主动退出。受试者进行久坐办公任务（1.29-1.67 METs），穿着标准化夏季服装（0.39-0.40 clo），自由饮用电解质饮料，中午提供500 kcal三明治。

测量指标包括连续监测直肠温度（T_rec）和平均皮肤温度（T_sk），使用COSMED K5可穿戴代谢系统测量代谢率，通过尿液比重（USG）和体重变化评估水合状态。数据采用R软件进行平滑处理，使用混合模型方差分析统计方法。

研究结果

水合状态显示所有实验条件下平均尿液比重值均维持在正常水合范围内（≤1.020），体重损失未超过1-2%的轻度脱水阈值，不同条件间汗率和液体摄入量无显著差异。

代谢率在8小时热暴露结束时显著增加（P<0.05），男性MET值从1.35-1.40增至1.58-1.67，女性从1.28-1.30增至1.52-1.56。男性代谢率始终高于女性（P<0.01），极端热条件下代谢增加最为明显。

体温反应表明所有五种实验条件对两性均为可补偿热应激。男性达到热调节稳态的时间为216-291分钟，女性为221-262分钟。除44°C/29.2%RH条件外（P<0.01，Cohen's d>0.4），其他条件下两性核心温度无显著差异（P>0.10）。所有条件下平均峰值直肠温度为38.2±0.4°C，远低于热射病临界阈值。

皮肤温度（T_sk）在所有实验条件下均显著上升（P<0.01），在40°C/55.0%RH、44°C/29.2%RH、47°C/35.6%RH和50°C/24.5%RH条件下观察到显著的性别差异。皮肤温度需要至少240分钟才能达到稳定状态，表明皮肤温度在长时间热暴露中适应缓慢。

讨论与分析

严格的环境控制是准确确定临界环境极限的关键。本研究通过四个垂直高度的连续监测确保了环境条件的精确控制，这与先前研究中高达±5.72%的湿度波动形成对比。

观察到的代谢率与Vecellio等研究的MiniAct条件（1.34-1.51 METs）和Vanos等生物物理模型模拟中使用的代谢率输入（1.5 METs）相当。8小时热暴露后代谢率增加15.4%-20.3%，与现有文献报道一致（每升高1°C核心温度增加7-23%）。使用CTIP方法和生物物理建模估算人体热调节极限时假定代谢率恒定，这一假设与实际情况不符，可能给估算带来误差。

研究发现与生物物理模型和CTIP方法的预测存在关键差异。生物物理模型基于简化的热交换方程，未能充分考虑人类热适应的生理和行为复杂性，如忽略水合状态、间歇性皮肤干燥和个体行为反应；性别特异性差异（汗液 production、身体形态和心血管功能）；以及细胞水平机制（线粒体功能、细胞因子反应和热休克蛋白表达）。最重要的是，这些模型未在极端高温暴露条件下进行验证。

CTIP方法假定核心温度的短暂上升（5-10分钟）表示热平衡丧失，从而预示不可补偿热应激，但此类短期波动更可能反映热效应器反应的延迟而非真正的热失衡。本研究的8小时试验证明，在充分水合条件下，所有三种选定条件对两性均为可补偿，这与CTIP报告的临界湿球温度直接矛盾。

皮肤温度响应表现出条件依赖的幅度和时间动态，在最热最干燥的条件下变化最大（50°C at 24.5%RH；男性ΔT_sk=5.4°C，女性6.8°C），在较凉较湿的条件下变化较小（36°C at 74.5%RH；男性ΔT_sk=3.4°C，女性3.3°C）。受试者在所有暴露中均报告进行性热不适感，热感觉评分升高，心率增加，平均动脉压降低，这些感知和心血管反应可能反映随时间累积的热负荷。

未来展望与局限性

推进热耐受研究需要解决当前局限性，纳入人类生存研究的实证数据，捕捉长时间热应激下的全面生理和行为反应。应将实际生存机制（如用纸巾或毛巾定期擦汗、用手扇风等）纳入模型以提高准确性。此外，需要考虑不同性别和人群的生理差异，确保跨多样化场景的适用性并防止过度泛化。

本研究未旨在界定人体热调节极限，因此人体热调节极限仍然未确定。虽然主要关注点是验证CTIP方法和生物物理建模，但未来研究有必要建立精确的不可补偿阈值。跨越更广湿球温度范围的长时间热暴露试验可为了解人类热耐受性、生存能力和适应极端热浪的能力提供更多见解。此外，本研究仅针对健康青年开展，还需要对老年人等脆弱群体进行额外验证。

结论

本研究证明所有五种测试条件（36°C/74.5%RH、40°C/55.0%RH、44°C/29.2%RH、47°C/35.6%RH、50°C/24.5%RH）在8小时内均为可补偿，受试者在极端热应激下维持了稳定的核心温度。与预测相反，核心温度拐点（CTIP）方法和生物物理建模显著低估了健康青年的热调节极限，表明这些方法可能未充分捕捉长时间暴露下的人类热耐受性。研究结果突显了模型预测与观察到的生理响应之间的关键差异，特别是超过延长持续时间（如8小时暴露）时，而大多数预测方法基于较短试验（1-3小时）。这些结果强调需要改进现有方法以纳入长时间热暴露的影响，从而提高其在职业和公共卫生应用中的可靠性。未来研究应探索更高湿球温度和更长暴露持续时间，以更好界定跨多样化人群的真正不可补偿阈值。