Koncept a klasifikace tkání Petr Vaňhara KONCEPT TKÁNÍ OBJEV BUNĚK 1665 Robert Hooke Anthony van Leeuwenhoek OBJEV BUNĚK • nálevníci • orální bakterie (Selenomonády) • spermatozoa • krvinky • svalová vlákna • histologická barvení 1674-1683 „V lidském těle vidím různé struktury. Nepotřebuji mikroskop abych jich rozlišil 21! Nazvu je tkáně.“ „V nemocném těle mají tkáně poškozenou strukturu!“ OTCOVÉ ZAKLADATELÉ − TKÁNĚ Tkáně! Xavier Bichat, 1799 OTCOVÉ ZAKLADATELÉ A 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 1838 1858 1837 OBDIVUHODNÁ VARIABILITA BUNĚK SDÍLI STEJNÉ PRINCIPY • 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 Tkáňové (adultní) kmenové buňky - regenerace a obnova tkání - GIT, CNS, mesenchym - regenerativní medicína, nádorová biologie Embryonální kmenové buňky (ESCs) - odvozeny z embryoblastu (ICM) blastocysty - pluripotentní - model rané embryogeneze a histogeneze, význam pro regenerativní medicínu KMENOVÉ BUŇKY V ORGANISMU H. Clevers J. Thompson Indukované pluripotentní kmenové buňky (IPSc) - dospělá diferencovaná buňka (fibroblast) je dediferencovaná do pluripotentního stavu (reprogramována) - diferenciace do žádaného buněčného typu - regenerativní medicína, buněčná a genová terapie Nobel prize 2012 KMENOVÉ BUŇKY JAKO BIOMEDICÍNSKÝ NÁSTROJ S. Yamanaka hESCs hiPSCs iPSCs MAJÍ VLASTNOSTI EMBRYONÁLNÍCH KMENOVÝCH BUNĚK Nádorové kmenové buňky - solidní tumor je vždy heterogenní - malá populace buněk s charakterem CSC může znovu iniciovat růst tumoru a být příčinou selhání terapie Tkáňová kmenová buňka Sebeobnova Nízká četnost (<1%) Quiescence Multipotence Dlouhá životnost Rezistence k terapii Tumorigenicita Vysoká proliferativní kapacita Nádorová kmenová buňka KMENOVÉ BUŇKY NEMUSÍ BÝT VŽDY PŘÁTELSKÉ Indukce diferenciace Terminální diferenciace Determinace -blast -cyt BUNĚČNÁ DIFERENCIACE URČUJE ROZDÍLY MEZI TKÁNĚMI Příklad: krvetvorba v kostní dřeni doi:10.1038/nrg3209 DIFERENCIACE JE URČENA HIERARCHICKOU TRANSKRIPCÍ GENŮ Výslednou stavbu a funkci tkání určuje projev řady strukturních genů – různý v různých lokalizacích i časových úsecích doi:10.1038/nature10523 TKÁNĚ SE LIŠÍ SVÝM GENETICKÝM A EPIGENETICKÝM PROFILEM Adhezivní molekuly Růstové faktory Mezibuněčné interakceMetabolity Složky ECM TKÁŇOVOU IDENTITU URČUJÍ I EXTRACELULÁRNÍ MOLEKULY Příklad: krvetvorba v kostní dřeni • 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 MIKROPROSTŘEDÍ URČUJE VLASTNOSTI I STAVBU TKÁNÍ Apoptóza Regenerace Senescence Patologická změna MIKROPROSTŘEDÍ JE KLÍČOVÉ PRO TKÁŇOVOU HOMEOSTÁZU MIKROPROSTŘEDÍ JE DŮLEŽITÉ TAKÉ V PATOGENEZI MIKROPROSTŘEDÍ JE DŮLEŽITÉ TAKÉ V PATOGENEZI https://www.pathologyoutlines.com/topic/livercirrhosis.html Fibrotická Infekce Metabolické poruchy Autoimunitní poruchy Cholestáza Alkohol Dědičnost Abnormální tkáňové mikroprostředí Infekce Metabolické poruchy Autoimunitní poruchy Cholestáza Alkohol Dědičnost Zdravá Normální tkáňové mikroprostředí Příklad: játra Stroma Parenchym Stroma Parenchym Ztráta funkčního parenchymu Depozice ECM Aktivace (myo)fibroblastů) Dysplázie Zánět TKÁŇOVÉ MIKROPROSTŘEDÍ ECM Signální molekulyBuňky+ + Tkáň = 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 Lewis Wolpert Expression patterns of gap and pairrule genes in Drosophila embryos. DOI: 10.1007/s10577-006-1068-z „Genetic control of pattern formation“ Eric Francis Wieschaus is an American evolutionary developmental biologist and 1995 Nobel Prize-winner. Three short lectures on embryonic patterning HydePark DROSOPHILA Eric Wieschaus 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 MANIPULACE S AER NEBO ZPA MĚNÍ VÝVOJOVÉ INSTRUKCE RŮST KONČETIN DEFINUJÍ GRADIENTY MORFOGENŮ Z AER A ZPA 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 Ektoderm MesodermEntoderm Trilaminární zárodečný disk (3. týden) VÝVOJ OSTATNÍCH TKÁNÍ SE ŘÍDÍ PODOBNÝMI INTERAKCEMI ▪ Pojivová tkáň hlavy, lebka, dentin ▪ Kosterní svalovina hlavy, trupu a končetin ▪ Dermis ▪ Pojivová tkáň ▪ Urogenitální systém + vývody a přídatné žlázy ▪ Viscerální pojivová tkán ▪ Serózní membrány pleury, peritonea a perikardia ▪ Krevní buňky, leukocyty ▪ Kardiovaskulární a lymfatický systém ▪ Slezina ▪ Adrenální kortex ▪ Epitel GIT s výjimkou ústní dutiny a části análního kanálu ▪ Extramurální žlázy GIT ▪ Epitel močového měchýře a trubice ▪ Epitel respiračního systému ▪ Thyroidea, parathyreoidní tělíska, thymus ▪ Parenchym tonsil ▪ Epitel cavum tympani a Eustachovy trubice ▪ Epidermis a její deriváty ▪ Rohovka a epitel čočky ▪ Zubní sklovina ▪ Vnitřní ucho ▪ Adenohypofýza ▪ Epitel ústní dutiny a části análního kanálu ▪ Neurální trubice a její deriváty: - CNS - Retina - Neurohypofýza - Epifýza ▪ Neurální lišta a její deriváty: - Kraniální, spinální, autonomní ganglia, PNS - Schwanovy buňky, gliální buňky, - Chromafinní buňky nadledviny - Enteroendokrinní buňky - Melanoblasty - Mesenchym hlavy a jeho deriváty – faryngeální oblouky - Odontoblasty PovrchovýektodermNeuroektoderm HlavovýParaxiálníIntermediálníLaterální EntodermEktoderm Mesoderm VÝVOJ OSTATNÍCH TKÁNÍ SE ŘÍDÍ PODOBNÝMI INTERAKCEMI Pojivové tkáně Epitelová Svalová Nervová Pojivová Na základě morfologických a funkčních znaků Obsahují myofibrily → schopnost kontrakce Derivát mezodermu - KS, myokard, mezenchymu - HS Neurony a neuroglie Příjem a přenos elektrického vzruchu Derivát ektodermu 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 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 • Řířídká 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 - Vláknitá (fibrilární) složka - Základní amorfní hmota Buňky • Fixní buňky • Migrující buňky (bloudivé) - Makrofágy pojivové tkáně = histiocyty - Plazmatické buňky - Lymfocyty, granulocyty - Heparinocyty - … OBECNÉ SLOŽENÍ VAZIVA Vazivo tvoří: a: • Mezenchymální 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 Julian Voss-Andreae "Unraveling Collagen", 2005 Orange Memorial Park Sculpture Garden, City of South San Francisco, CA MEZIBUNĚČNÁ HMOTA – KOLAGEN V KALIFORNII • 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 VAZIVO - PŘEHLED Kolagenní Stavba Funkce/výskyt Řídké kolagenní vazivo Větší množství základní amorfní hmoty, spíše méně kolagenních vláken s náhodným uspořádáním Mikrovaskularizace, inervace Husté neuspořádané kolagenní vazivo Málo základní hmoty a buněk, hodně kolagenních vláken s náhodným uspořádáním Mechanicky odolné vazivové obaly orgánů, skléra Husté uspořádané kolagenní vazivo Těsně uspořádané kolagenní svazky, fibrocyty mezi nimi Šlachy, vazy Embryonální Mesenchym Nediferencované buňky rozptýlené v základní hmotě, málo vláken Progenitory Whartonův rosol Viskózní amorfní hmota, kolagenní vlákna, rozptýlené fibrocyty Pupečník Specializované vazivo Retikulární Síť z kolagenu typu III, retikulární buňky Hematopoetické a lymfatické orgány Elastické Elastická vlákna a membrány Pružná podpora elastických arterií a aorty, lig. flava, dýchací cesty a plíce Tukové Adipocyty, bohatá vaskularizace, MSCs Energie - ATP/teplo Chrupavka Chondroblasty, chondrocyty Mechanická podpora Kost Osteoblasty, osteocyty, osteoklasty Mechanická podpora, metabolismus Ca a PO4 3Krev Samostatná přednáška během tohoto semestru http://www.med.muni.cz/histologyDOPORUČENÁ LITERATURA DĚKUJI ZA POZORNOST www.histology.med.muni.cz pvanhara@med.muni.cz