Ústav histologie a embryologie LF MU pvanhara@med.muni.cz 5. Koncept a klasifikace tkání Petr Vaňhara, PhD KONCEPT TKÁNÍ OBJEV BUNĚK MODERNÍ BUNĚČNÁ TEORIE Theodor SchwannMatthias Jacob Schleiden Omnis cellula e cellula! Rudolf Wirchow J.E.P. Robert Remak Cells are the basic units of any organism Všechny organismy jsou složeny z buněk!  Všechny organismy jsou složeny ze základních jednotek – buněk a jejich produktů  Nové buňky vznikají pouze dělením stávajících buněk  Buňky představují termodynamicky otevřený systém  Dědičná informace se přenáší na dceřiné generace  Buňky se neliší v základním strukturním a chemickém složení OBDIVUHODNÁ VARIABILITA • 6  1013 buněk více než 200 různých typů • Tkáně: funkční, trojrozměrné, organizované seskupení morfologicky podobných buněk a jejich produktů a derivátů • Orgány: strukturní a funkční uspořádání tkání Myocardium TKÁNĚ A ORGÁNY Parenchym: vlastní funkční tkáň konkrétního orgánu (jaterní, plicní, pankreatický, ledvinný parenchym) Stroma: okolní podpůrná, intersticiální tkáň Parenchym Stroma Parenchym: Funkční komponenta - Hepatocyty - Sinusoidy a přidružené struktury Stroma: Podpůrná komponenta - Vazivo a s ním spojené struktury - Cévy - Nervy - Žlučovody Příklad: jaterní tkáň TKÁNĚ A ORGÁNY Epitelová Svalová Nervová Pojivová Na základě morfologických a funkčních znaků Obsahují myofibrily  schopnost kontrakce Derivát mezodermu - KS, myokard, mezenchymu - HS Výjimečně ektoderm (např. m. sphincter a m. dilatator pupillae) Neurony a neuroglie Příjem a přenos elektrického vzruchu Derivát ektodermu, výjimečně mezenchymu (mikroglie) Dominantní přítomnost extracelulární matrix Vazivo, chrupavka, kost, tuková tkáň Derivát zejména mezenchymu Kontinuální, avaskulární vrstvy buněk s různou funkcí, orientovaných do volného prostoru, se specifickými mezibuněčnými spoji a minimem mezibuněčného prostoru a ECM Deriváty všech tří zárodečných listů SOUČASNÁ KLASIFIKACE ZÁKLADNÍCH TYPŮ TKÁNÍ klasická histologická definice tkání je založena na mikroskopické vizualizaci Funkční, trojrozměrné, organizované seskupení morfologicky podobných buněk a jejich produktů a derivátů TKÁŇ A JEJÍ DEFINICE Proliferace Diferenciace Migrace Apoptóza Definice tkáňových vzorů ZÁKLADNÍ PRINCIPY HISTOGENEZE Knoblich JA. Asymmetric cell division during animal development. 2001. Nat Rev Mol Cell Biol Diferenciace Sebeobnova kmenových buněk Funkční buňky tkání diferencují z kmenových buněk Asymetrické dělení Proliferace přechodných progenitorů Vznik funkčních typů ZÁKLADNÍ PRINCIPY HISTOGENEZE Totipotence - Všechny buňky těla včetně extraembryonálních tkání - Zygota, blastomery a raná stádia embryogeneze Pluripotence - Všechny buňky těla s výjimkou trofoblastu - Blastocysta – Inner cell mass - ICM (embryoblast) Multipotence - Různé buněčné typy v rámci tkáně - Mesenchymální SC, hematopoietické SC http://www.embryology.ch/anglais/evorimplantation/furchung01.html Oligo- a unipotence - Jeden nebo několik buněčných typů – hematopoietické buňky, tkáňové prekurzory (obnova epitelů apod.) KMENOVÉ BUŇKY SE LIŠÍ V DIFERENCIAČNÍ KAPACITĚ • Procesy embryonálního vývoje • Mezibuněčné interakce • Prostorové uspořádání (dimenzionalita) • Gradienty morfogenů • Epigenetický profil • Dynamika genové exprese • Parciální tlaky plynů • Složení ECM • Mechanická stimulace • Perfuze a intersticiální toky • Lokální imunitní odpověď • Metabolity • … Do vlastní mikroskopické stavby tkání se promítá velké množství biologických a fyzikálně-chemických parametrů Stem cell niche MIKROPROSTŘEDÍ URČUJE VLASTNOSTI I STAVBU TKÁNÍ MIKROPROSTŘEDÍ URČUJE VLASTNOSTI I STAVBU TKÁNÍ MOLEKULÁRNÍ PRINCIPY HISTOGENEZE doi:10.1038/sj.hdy.6800872 Příklad: Hox komplex Vysoce konzervovaná skupina transkripčních faktorů určujících základní stavbu a orientaci těla Tkáňová diferenciace podél anterio-posteriorní osy Člověk (39 genů) Cluster Chromozom Počet Hox genů HoxA 7 11 HoxB 17 10 HoxC 12 9 HoxD 2 9 HOX KOMPLEX A MORFOGENETICKÉ POLE FRENCH FLAG MODEL PROČ MAJÍ TYGŘI PRUHY? Reakčně-difúzní systém ODPOVĚĎ NA MORFOGENY URČUJE TKÁŇOVÉ VZORY TEMPORO-SPACIÁLNÍ EXPRESE RŮZNÝCH REGULÁTORŮ URČUJE FINÁLNÍ LOKALIZACI, ORIENTACI A MORFOLOGII TKÁNÍ A ORGÁNŮ HOX Vaskularizace Fgf Shh … Proliferace Thalidomid THALIDOMID Thalidomidová embryopatie • fokomelie • amelie • anocie/mikrocie • anoftalmie/mikroftalmie • poškození ledvin, srdce, GIT, genitálu Frances Oldham Kelsey, FDA USA Untested drug to pregnant mothers?!! Not in U.S.! Ektoderm MesodermEntoderm Trilaminární zárodečný disk (3. týden) VÝVOJ OSTATNÍCH TKÁNÍ SE ŘÍDÍ PODOBNÝMI INTERAKCEMI 6. Pojivové tkáně Not only a tissue glue… Funkce je podmíněna mechanickými vlastnostmi → spojování ostatních tkání, kompartmentalizace, opora, fyzikální a chemické prostředí, imunologická podpora, uchovávání zásobních látek, homeostáza a regenerace POJIVOVÁ TKÁŇ A JEJÍ FUNKCE Všechny pojivové tkáně jsou složeny z buněk a mezibuněčné hmoty Mezibuněčná hmotaBuňky pojivové tkáně Trvalé a přechodné buněčné populace  fibroblasty/myofibroblasty,  buňky imunitního systému,  fagocytující buňky,  adipocyty,  adultní kmenové buňky,  specializované buňky chrupavky (chondroblasty/chondrocyty)  specializované buňky kostní (osteoblasty/osteocyty/osteoklasty) • Fibrilární komponenta (vláknitá složka)  kolagenní  retikulární  elastická • Interfibrilární (amorfní) komponenta (základní hmota amorfní)  Komplexní matrix složená z glykoproteinů a proteoglykoanů  Konkrétní složení závisí na konkrétním typu tkáně (vazivo  chrupavka  kost) OBECNÉ SLOŽENÍ POJIVOVÉ TKÁNĚ Embryonální pojivová tkáň - Mezenchym - Rosolovitá pojivová tkáň (Whartonův rosol, v dospělosti zubní pulpa, stroma duhovky) Pojivová tkáň v dospělém organismu - Areolární (řídké, intersticiální) vazivo - Husté kolagenní neuspořádané vazivo - Husté kolagenní uspořádané vazivo - Elastické vazivo - Retikulární vazivo - Tuková tkáň - Chrupavka - Kost - Krev a hematopoetická tkáň - Lymfatická tkáň Vlastní pojivová tkáň Specializovaná pojivová tkáň Trofická pojivová tkáň (tělní tekutiny) OBECNÁ KLASIFIKACE POJIVOVÉ TKÁNĚ • Řídká houbovitá tkáň mezi zárodečnými listy • mezoderm; kraniofaciální mezenchym z buněk neurální lišty • Prostorová síť hvězdicovitých nebo vřetenovitých buněk • Rosolovitá základní amorfní hmota http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL3530/DB_Ch02/DBNModel.html DEN 12 embryonálního vývoje EMBRYONÁLNÍ MESENCHYM Vazivo KostChrupavka Mesenchym EMBRYONÁLNÍ MESENCHYM A PŮVOD POJIVOVÉ TKÁNĚ 1. Vazivo 2. Chrupavka 3. Kost - Fibroblasty/fibrocyty/myofibroblasty - Retikulární buňky - Tukové buňky - Pigmentové buňky - Nediferencované multipotentní buňky Extracelulární matrix (mimobuněčná hmota) - Vláknitá (fibrilární) složka - Základní amorfní hmota Buňky • Fixní buňky • Migrující (bloudivé) - Makrofágy pojivové tkáně = histiocyty - Plazmatické buňky - Lymfocyty, granulocyty - Heparinocyty - … OBECNÉ SLOŽENÍ VAZIVA • Mesenchymální kmenové buňky a jejich deriváty OBECNÉ SLOŽENÍ VAZIVA Kolagenní vlákna - skupina fibrilárních proteinů kódovaných 28 geny - polymer – podjednotka = tropokolagen; trojitá šroubovice - různé strukturní a mechanické vlastnosti (tuhost, pružnost, tloušťka…) - nejhojnější protein lidského těla (až 30% suché hmotnosti) MEZIBUNĚČNÁ HMOTA - FIBRILÁRNÍ KOMPONENTY POJIV • Polyribozomy se váží na RER a syntetizují peptidové řetězce 1 a 2 (cca 250 AA, 28kDa) • V RER dochází k posttranslační modifikaci (hydroxylace prolinu a lysinu – kofaktor vitamin C) Řetězce tvoří trojitou šroubovici - prokolagen • V GA je prokolagen dále modifikován a sekretován z buňky MEZIBUNĚČNÁ HMOTA - SYNTÉZA KOLAGENU Prokolagen je modifikován na tropokolagen (prokolagenpeptidázou) Tropokolagen se extracelulárně organizuje do vyšších struktur (fibrily, vlákna) Vlákna jsou vzájemně propojena (lysyloxidázy) MEZIBUNĚČNÁ HMOTA - SYNTÉZA KOLAGENU Typ Výskyt ve tkáních Struktura Hlavní funkce I Kost, šlachy, meniskus, dentin, škára, pouzdra orgánů, řídké vazivo, 90% typ I Fibrily (75nm) - vlákna (1-20m) Odolnost v tahu II Hyalinní a elastická chrupavka Fibrily (20nm) Odolnost v tlaku III Kůže, cévy, hladké svalstvo, děloha, játra, slezina, ledvina, plíce Jako I, s vysokým podílem proteoglykanů a glykoproteinů retikulární síť Tvar IV Bazální laminy epitelu a endotelu, bazální membrány Netvoří fibrily ani vlákna Mechanická podpora V Laminy svalových buněk a adipocytů, placenta, plodové obaly Podobný IV VI Intersticiální tkáň, chondrocyty - adheze spojení mezi škárou (dermis) a pokožkou (epidermis) VII Bazální membrána epitelů VIII Některé endotely (rohovka) IX, X Růstová ploténka, mineralizující chrupavka Síťovité uspořádání růst kostí, mineralizace MEZIBUNĚČNÁ HMOTA - KOLAGEN AZAN HES HE MEZIBUNĚČNÁ HMOTA – KOLAGEN VE SVĚTELNÉM MIKROSKOPU • méně početná než vlákna kolagenní • polymer – tropoelastin • desmosin, isodesmozin • minimální tahová pevnost, při přetažení ztráta pružnosti • redukují hysterezi vaziva = díky své pružnosti usnadňují návrat vaziva do původního stavu po mechanické změně MEZIBUNĚČNÁ HMOTA – ELASTICKÁ VLÁKNA • tvoří kolagenní (kolagen III), prostorové sítě • kostní dřeň, slezina, lymfatické uzliny • podpůrná struktura pro buňky např. imunitního systému ve slezině nebo kostní dřeni MEZIBUNĚČNÁ HMOTA – RETIKULÁRNÍ VLÁKNA MEZIBUNĚČNÁ HMOTA – RETIKULÁRNÍ VLÁKNA A TKÁŇOVÁ NICHE • Amorfní, mezibuněčná hmota (extracelulární matrix) • Bezbarvá, průsvitná homogenní směs glykosaminglykanů, proteoglykanů a strukturálních glykoproteinů MEZIBUNĚČNÁ HMOTA – ZÁKLADNÍ AMORFNÍ HMOTA • lineární polysacharidy tvořené disacharidovými podjednotkami - kyselinou uronovou a hexosaminem glukosamin nebo galaktosamin kys. glukuronová nebo iduronová • polysacharidy bohaté na hexosaminy - kyselé mukopolysacharidy ZÁKLADNÍ AMORFNÍ HMOTA – GAG Glykosaminoglykan Výskyt Kyselina hyaluronová Pupečník, synoviální tekutina, sklivcová tekutina, chrupavka Chondroitinsulfát Chrupavka, kost, rohovka, kůže, notochord, aorta Dermatansulfát Kůže, šlachy, aorta (adventicie) Heparansulfát Aorta, plíce, játra, bazální laminy Keratansulfát Rohovka, chrupavka , meziobratlová ploténka (nucleus pulposus, anulus fibrosus) • s výjimkou kys. hyaluronové se váží i na proteinové struktury - proteoglykany ZÁKLADNÍ AMORFNÍ HMOTA – GAG • protein + převažující lineární sacharidová složka • proteoglykanové agregáty • vysoká schopnost vázat vodu • objem závislý na stupni hydratace příklady: ‐ aggrecan (chrupavka) ‐ syndekan ‐ fibroglykan ZÁKLADNÍ AMORFNÍ HMOTA – PROTEOGLYKANY • dominantní protein + rozvětvená sacharidová složka • interakce mezi buňkami a extracelulární matrix (proliferace, diferenciace, migrace, zánik…) Příklady: ‐ fibronektin – spojení mezi kolagenními vlákny a glykosaminoglykany, umožňuje normální adhezi a migraci buněk ‐ laminin – bazální lamina – soudržnost epitelů ‐ chondronektin – chrupavka - adheze chondrocytů ke kolagenu (J. Nutr. 136:2123-2126, 2006) ZÁKLADNÍ AMORFNÍ HMOTA – STRUKTURÁLNÍ GLYKOPROTEINY ZÁKLADNÍ AMORFNÍ HMOTA – SHRNUTÍ - Embryonální mesenchym - Areolární (řídké, intersticiální) vazivo - Husté kolagenní neuspořádané vazivo - Husté kolagenní uspořádané vazivo - Elastické vazivo - Retikulární vazivo HISTOLOGICKÁ KLASIFIKACE VAZIVA • bílá a hnědá tuková tkáň • adipocyty, fibroblasty, retikulární, kolagenní a elastická vlákna • vaskularizace TUKOVÉ VAZIVO • aktivní novotvorba adipocytů do věku cca dvou let • schopnost hypertrofie • bohatá vaskularozace • jediná tuková kapénka • produkce hormonů - leptin (adipokininy) TUKOVÉ VAZIVO – BÍLÁ TUKOVÁ TKÁŇ • vyvíjející se fetus a děti do cca 1 roku • rychlý zdroj energie a tepla • mezilopatkový prostor • malé buňky s početnými lipidovými kapénkami TUKOVÉ VAZIVO – HNĚDÁ TUKOVÁ TKÁŇ http://www.med.muni.cz/histologyDOPORUČENÁ LITERATURA DĚKUJI ZA POZORNOST www.med.muni.cz/histology pvanhara@med.muni.cz