Patofyziologie základních hematologických chorob Onemocnění krvetvorby • Patofyziologie RBC – Základní fakta – Hemoglobin – Laboratorní vyšetření – Železo – Erytropoetin a erytropoéza – Anemie Vymezení oboru hematologie • Hematologie (ř. haima-haimatos krev, ř. logos nauka- hematologie, nauka o krvi a krevních chorobách) se zabývá krví a krvetvornými orgány – periferní krev – červená kostní dřeň – mízní uzliny – játra, slezina Anatomické a fyziologické poznámky Základní krvetvorné orgány: • Kostní dřeň • Thymus • Lymfatické uzliny • MALT (mucosa associated lymphoid tissue) • Slezina • Imunologicky kompetentní fond recirkulujících lymfocytů • Periferní krev Primární (ústřední) krvetvorné a imunitní orgány Primární (periferní) krvetvorné a imunitní orgány Fyziologické funkce krve Ontogeneza krvetvorby Extraembryonální mezenchym Játra: 6. týden - porod Slezina, tymus, uzliny: 8.- 16. týden Červená kostní dřeň: 12. týden – Extramedulární hematopoéza Kostní dřeň • sídlo hematopoezy • červená kostní dřeň – hemopoetická • žlutá kostní dřeň – tuková Červená kostní dřeň • stroma – síť retikulárních buněk – síť retikulárních vláken – kolagenní vlákna I. a III. typu – fibronektin, laminin, hemonektin • hematogenní provazce • sinusoidní kapiláry – vystlané souvislým endotelem Krvetvorba SPECIFICKÁ IMUNITA TRANSPORT O2 HEMOSTÁZA IMUNITNÍ ODPOVĚĎ Kmenové buňky • pluripotentní kmenová buňka – diferencuje se ve všechny typy buněk • multipotentní kmenová buňka – lymfoidní buňka – myeloidní buňka • progenitorové buňky • prekurzorové buňky (blasty) Faktory nutné pro hemopoezu • pluripotentní buňka – schopná zracího i meiotického dělení • mikroprostředí - např. kostní dřeň – součástí jsou buňky a extracelul. hmota • růstové faktory – tzv. kolonie stimulující faktory = CSF – např. erytropoetin – uvolňované podle potřeby Vyzrávání erytrocytů • erytropoetin, Fe, kys. listová, vit. B12 • proerytroblast – krajkový chromatin • bazofilní erytroblast - silně baz. ctpl. – bazofilní vzhledem k syntéze Hb • polychromatofilní erytroblast • ortochromatofilní erytroblast - nedělí se • retikulocyt - vypudil jádro – zbytek polyribozomů Erytropoetin • glykoprotein – 165 aminokyselinových zbytků + 4 oligosacharidové řetězce • tvořen v ledvinách a játrech, odbouráván v játrech • poločas v cirkulaci 5 hodin, projev sekrece po 2-3 dnech • Zvyšuje počet erytropoetin-senzitivních buněk Hypoxií-indukovaná transkripce genů Retikulocyt Hemoglobin Struktura hemoglobinu • sférická molekula skládající se ze 4 peptidových podjednotek (globiny) = kvartérní struktura • Hb dospělých jedinců (Hb A) je tetramer obsahující 2 - a 2 β-globiny → každý globin obsahuje 1 hemovou skupinu s centrálním Fe2+ iontem Obrázek byl převzat z http://faculty.etsu.edu/currie/images/hemat3.jpg Vazba kyslíku Obrázek byl převzat z http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/labTutorials/Hemoglobin/MetalComplexinBlood.html Typy hemoglobinu Hb dospělých jedinců (Hb A) = 2 α- a 2 β-podjednotky Hb A1 je hlavní forma Hb u dospělých a dětí starších 7 měsíců. Hb A2 (2 α, 2 δ) je minoritní forma Hb u dospělých. Tvoří pouze 2 – 3% celkového Hb A. Fetální Hb (Hb F) = 2 α- a 2 γ-podjednotky - u fétu a novorozenců → Hb F váže O2 při nižších parciálních tlacích než Hb A → Hb F má vyšší afinitu ke O2 Po narození, Hb F je nahrazován Hb A během několika prvních měsíců života. Hb S – v β-globinu, Glu je nahrazen Val - srpkovitá anémie Deriváty hemoglobinu Oxyhemoglobin (oxyHb) = Hb s navázaným O2 Deoxyhemoglobin (deoxyHb) = Hb bez navázaného O2 Methemoglobin (metHb) obsahuje Fe3+ místo Fe2+ v hemových skup. Karbonylhemoglobin (HbCO) – CO se váže na Fe2+ hemu v případě otravy CO nebo při kouření. CO má 200x vyšší afinitu k Fe2+ než O2. Karbaminohemoglobin (HbCO2) - CO2 je nekovalentně vázán na globinový řetězec Hb. HbCO2 transportuje CO2 v krvi (asi 23%). Glykovaný hemoglobin (HbA1c) je tvořen spontánně neenzymatickou reakcí s Glc Degradace RBC Degradace hemu V lidském těle přibližně 100 – 200 mil. ery je degradováno každou hodinu. Degradace začíná v ER retikuloendoteliálních buněk RES (játra, slezina, kostní dřeň). Hb je degradován na: ● globin → aminokyseliny → metabolismus ● hem → bilirubin ● Fe2+ → transport v komplexu s transferrinem a další využití v biosyntéze hemu Přeměna hemu na bilirubin Obrázek byl převzat z http://web.indstate.edu/thcme/mwking/heme- porphyrin.html Laboratorní vyšetření Hematokrit HTK udává procentuelní zastoupení formovaných krevních elementů v objemové jednotce krve Normální hodnoty ženy: 0,35 – 0,46 35 - 46 % muži: 0,38 – 0,49 38 – 49 % Snížení: anemie, expanze ECT Zvýšení: polycytémie, dehydratace MCV (mean corpuscular volume) střední objem erytrocytu Normální hodnota = 87,5 fl (80-96fl) MCV je změněn u různých anomálií erytrocytů (srpkovitá anemie, poikilocytóza, anisocytóza a další). Je využíván k rozlišení normo-, mikro- a makrocytárních anemií Výpočet: hematokrit x 103 / počet ery ( x 1012/ 1 litr) Pozn.: téměř vždy je MCV určen analyzátorem MCH (mean corpuscular hemoglobin) obsah hemoglobinu v 1 erytrocytu Norma: 29 pg (28-33pg), 18 fmol zvýšení: makrocytární anemie, snížení: mikrocytární anemie Výpočet: MCH=Hb (v g / 100 ml krve) / ery (x 1012 / 1 litr) MCHC (mean corpuscular hemoglobin concentration) střední koncentrace Hb v erytrocytech Norma = 34 +- 2 % zvýšení: hereditární sférocytóza norma až mírné snížení: makrocytární anemie snížení: mikrocytární anemie Výpočet: MCHC = Hb (v g /100 ml krve)x 100 / hematokrit Počet retikulocytů je udáván v % všech buněk červené řady v krvi. Norma: ženy i muži 0,5 – 1,5 % a) při intravitálním barvení (brilantkresylová modř) je podílRTC stanoven z nátěru b) stanovením průtokovou cytometrií jsou udány absolutní hodnoty Zvýšení: krvácení, hemolýza (kompenzační činnost dřeně) Snížení až vymizení: útlum erytropoézy, útlum dřeně Vyšetření kostní dřeně Sternální punkce: z manubria sterni aspirace dřeňové krve umožňuje pouze provést cytologický rozbor (např. cytogenetika, molekulární biologie) Trepanobiopsie: ze spina iliaca superior posterior: umožňuje kromě aspirace dřeňové krve též získat vzorek kostní tkáně- nezbytné pro provedení histologického rozboru kostní tkáně Erytrocytární hodnoty MCH, MCV a MCHC Železo Železo • Železo v ionizované formě je velmi reaktivní a proto je v těle vázáno na anionty organických kyselin a proteiny • Funkční feroproteiny a skladové proteiny (feritin a hemosiderin) Železo v organismu • Železo se vstřebává v horní části tenkého střeva (zapotřebí kyselá žal. šťáva) – při hypochlorhydrii může dojít k nedostatku železa jako následek poruchy adsorpce • Normálně se vstřebává asi jen 7-10% železa – řízení kapacitou apoferitinu (bílkovina střevní sliznice) – vazba na feritin • V plazmě dochází k vazbě na transportní b1globulin – transferin Obsah železa v organismu • 35-45 mg na kg tělesné váhy • 60-70% v erytrocytech • 10% myoglobin • 20-30% zásobní železo Bilance železa v organismu • 10-20 (5-10) mg obsah železa v denní stravě • 0,5-1 mg denní ztráty u mužů 1-2 mg u žen • Vstřebává se 5-10% Nedostatek Fe • Snížený příjem: nedostatek v potravě, maldigesce, malabsorpce • Zvýšené ztráty • Zvýšená potřeba Biologický význam železa • Všeobecně známý je význam železa pro přenos kyslíku a ox.- red. děje ve tkáních • Fentonova reakce - tvorba hydroxylového radikálu • Poškození životně důležitých molekul • Uvedené reakci brání transferin, který váže volné železo Patologie krve a krvetvorby • Nedostatek krevních elementů • Nadbytek krevních elementů • Hematologické malignity • Krvácivé stavy • Trombotické stavy Anémie • Základní rysem anémie je snížení množství hemoglobinu a zpravidla také hematokritu a počtu erytrocytů v jednotkovém objemu krve. • Na množství hemoglobinu závisí transportní kapacita krve pro kyslík. • Pozor na rozdíly mezi pohlavími • Nadmořská výška • Proč nás zajímá hemoglobin? Klasifikace anémií • Patofyziologická • Morfologická Morfologické třídění • dle objemu erytrocytů – normocytové – mikrocytové – makrocytové • podle koncentrace hemoglobinu v ery – normochromní – hypochromní Patofyziologické třídění • anemie z nedostatečné krvetvorby • anemie ze zvýšených ztrát • akutní posthemoragická anemie Formy anémií Klinické příznaky anemie • únava, slabost, nevýkonnost • bledost kůže, sliznic, nehtových lůžek • tachykardie • dušnost Etiologie anémií • snížená krvetvorba – sideropenické – megaloblastové anémie – z útlumu krvetvorby – anémie chronických chorob – thalasémie • zvýšené ztráty – chronická posthemorhagická – hemolytické • korpuskulární • extrakorpuskulární • Akutní posthemorhagická Megaloblastická anémie • Poruchy příjmu kobalaminu a folátu • Omezení syntézy DNA a tím i narušení buň. cyklu v rámci erytropoézy • Syntéza Hb pokračuje – vstup megaloblastů do krve (větší než 100 fl) • Předčasný zánik megaloblastů a zkrácená doba megalocytů (předčasné hemolýza) Vitamín B12 • Cyanocobalamin, hydroxycobalamin, deoxyadenosylcobalamin, methylcobalamin • V potravě vázán na proteiny • Nachází se v každé proliferativní tkáni • Maximální resorpční kapacita odpovídá potřebám, velké zásoby v játrech • Při nedostatku megaloblastová anémie Kyselina listová • Metabolit folátu je potřebný pro syntézu deoxythymidylátu, který je jediným zdrojem pro thymin • Nedostatek folátu = inhibice syntézy DNA • Zásoba folátu v játrech cca na 2-4 měsíce • Použití např. fluorouracilu jako cytostatického chemoterapeutika Syntézu DNA a tím i erytropoézu negativně ovlivňují následující poruchy příjmu popř. metabolismu folátu • Příliš málo folátu • Zvýšená potřeba (těhotenství) • Malabsorpce (onemocnění tenkého střeva) • Nedostatke kobalaminu • Inhibice thymidylátsyntetázy • Inhibice dihydrofolátreduktasy Megaloblastické anémie způsobené poruchami syntézy DNA Příčiny nedostatku kobalaminu • Nedostatečný příjem (přísná vegetariánská strava) • Nedostatek vnitřního faktoru • Kompetice o kobalamin a štěpení IF bakteriemi v luminu střeva nebo konzumace B12 parazitem • Chybění nebo zánět terminálního ilea • Defekt transkobalaminu II, potřebného pro transport kobalaminu v cytoplazmě Vstřebávání vit. B12 • Cobalaminy jsou uvolňovány z vazby na proteiny v žaludku. • Vážou se na R-proteiny (glykoproteiny) produkované slinnými žlázami a žaludečními žlázami • Komplexy s R-proteiny jsou degradovány pankreatickými proteázami • Vazba na vnitřní faktor pocházející ze žaludku • Dimer IF se dvěma molekulami vit. B12 se váže na receptory enterocytů terminálního ilea. • Zpracování v enterocytu není přesně známé • V krvi vázán na globulin transkobalamin II • 1-2% B12 se vstřebává pasivně v tenkém střevě (radioaktivní testy). Poruchy metabolismu vitamínu B12 a kyseliny listové při megaloblastických anémiích 1.Chybění vnitřního faktoru 2.Porušená resorpce komplexu vnitřní faktor-vitamín B12 3.Defekt transportního proteinu 4.Nedostatek kyseliny listové v potravě 5.Porucha resorpce kyseliny listové 6.Blokáda DHF- reduktázy Nedostatek vitaminu B12 nebo kyseliny listové způsobuje makrocytární anemii, nedostatek železa, nebo narušení využitelnosti železa způsobuje mikrocytární anemii. V prvním případě je podkladem porucha syntézy DNA, ve druhém případě porucha syntézy hemoglobinu. ! ! Anémie z nedostatku železa • Nedostatek železa tlumí syntézu Hb = hypochromní mikrocytární anémie Příčiny: – Ztráta krve (GIT, menstruační krvácení) – Narušení recyklování Fe – chronické infekce – Příliš malý příjem Fe (nedostatečná výživa) – Narušení resorpce Fe v důsledku • achlorhydrie (atrofická gastritida, gastrektomie) • Malabsorpce – Zvýšená potřeba Fe (těhotenství, laktace) – Defekt apotransferinu Anémie z nedostatku železa Hemolytické anémie • Korpuskulární HA (flexibilita, osmotická a mechanická odolnost, redukční potenciál) • Extrakorpuskulární HA Příčiny korpuskulárních HA • Vady membrány (hereditární sférocytóza) • Enzymové defekty (narušení metabolismu glc v erytrocytech) – Pyruvátkináza – vázne přísun ATP – inhibice Na/K ATPázy – Glu-6-PDH - (inhibice recyklace GSSG) – Hexokináza – vede k nedostatku ATP – GSH • Srpkovitá anémie, talasémie • PNH – defekt určitých membránových proteinů, které se účastní regulace komplementu; aktivace komplementu pak způsobí perforaci erytrocytární membrány Příčiny extrakorpuskulárních HA • Mechanické faktory – poškození ery při kolizi s umělými chlopněmi, cévními náhradami apod. • Imunologické příčiny – chybná transfuze nebo při inkompatibilitě Rh mezi plodem a matkou • Toxiny – určité hadí jedy Hemolytické anémie 1.Hereditární sideroblastická anémie - zvýšená tvorba meziproduktů – PORFYRIE 2. Srpkovitá anémie Podstatou hereditárních sideroblastických anémií jsou enzymové defekty syntézy hemu. Ty zmnožují nerozpustné nehemové železo v erytroblastech, vyvolávají mikrocytární anémii se sekundární hyperplazií erytropoezy. Zvyšují tak resorpci železa s následnou hemochromatózou. Erytropoéza během vývoje Genetika hemoglobinu • β 11p15.5 betaglobinový cluster – (beta, gama, delta, epsilon) • α1 + α2 16pter-p13.3 alfaglobinový cluster – (alfa, dzeta) Srpkovitá anémie • Mutace v kodonu kódujícím 6. aminokyselinu β globinového řetězce. • Glu—val hemoglobin S • Glu—lys hemoglobin C Srpkovitá anémie Srpkovitá anémie Sickle cell disease • Sickle cell disease is an inherited disease that is caused by the presence of an abnormal hemoglobin S (HbS), which upon deoxygenation transforms the erythrocyte into a sickle shape. • HbS is transmitted by recessive inheritance and can manifest as sickle cell trait (i.e., heterozygote with one HbS gene) or sickle cell disease (i.e., homozygote with two HbS genes). • Sickle cell disease affects approximately 50,000 (0.1% to 0.2%) African Americans, and about 10% of African Americans carry the trait. • In parts of Africa, where malaria is endemic, the gene frequency approaches 30%, attributed to the slight protective effect it confers against Plasmodium falciparum malaria. Mechanism of sickling and its consequences in sickle cell disease There are two major consequences of red blood cell sickling: a) hemolysis of the sickled cells b) vessel occlusion The increased rigidity of the sickled cells results in obstruction of the microcirculation and ischemic injury to many tissues. The inflexibility of the sickled cells also makes them more susceptible to destruction (hemolysis) during circulation through the spleen. The sickled cells also demonstrate membrane changes, leading to increased adhesiveness and adherence, producing further complications of capillary blood flow. Molekulárně biologická patogeneze thalasémií • Pro pochopení molekulárně biologické etiopatogenze thalasemií je nutná znalost organizace genů kódujících α řetězce a β řetězce hemoglobinu Thalasémie α thalasémie • Způsobeny převážně delecemi genů pro alfa řetězec hemoglobinu • Hemoglobin H (HbH) homotetramer beta řetězců Příčiny • Asymetrický crossing over • Dlouhé delece obou alfaglobinových genů • Mutace vedoucí ke ztrátě funkčnosti genu β thalasémie • Narušená syntéza beta řetězce • Projevy závisí na míře produkce beta řetězců • Způsobeno větším počtem možných mutací v genu pro beta řetězec • Dědičnost autosomálně recesivní