Patofyziologie endokrinního systému III HPA a HPT osy a chronobiologie Cirkadiánní rytmus Nadledviny - kůra a dřeň Štítná žláza Endokrinní systém • síť specializovaných endokrinních žláz v těle, které produkují hormony • CAVE mnoho dalších orgánů/tkání produkuje hormony • diskrétní clustery buněk • nacházíme je v orgánech, které mají dominantně jiné funkce, např. pankreas, placenta, ledvina, játra,... • DNES buňky (diffuse neuro-endocrine systém, dříve APUD) ve střevě, srdci, kůži,... • Amine Precursor Uptake • reflektuje vysoký uptake amine prekursorů vč. 5-hydroxytryptofan (5-HTP) a dihydroxyfenylalanin (DOPA) • Decarboxylase • reflektuje vysoký obsah enzymu aminoaciddekarboxylázy (pro konversi prekursorů aminů) Male Female MUNI MED Přežití organismu je určeno schopností: (1) udržet homeostázu • = stabilní vnitřní prostředí jako odpověď na fluktuaci vnějších podmínek (2) a realizovat důležité jednorázové/periodické aktivity během života jako např. • růst, vývoj, dospívání • reprodukci • obnovu tkání, hojení, remodelaci • (migraci či hibernaci u některých druhů) Neuro-endocrine-immune (NEI) network • Neuro-endocrine-immune interactions involve multi-directional crosstalk that is mediated by extrinsic (environmental, social factors) and intrinsic (resistance/tolerance to disease, homeostasis and allostatic load, reproductive status, behaviour) factors • First-order interactions involve • (1) direct interactions between the nervous and immune systems • e.g. sympathetic innervation of immune tissue • activation of microglia or specific nuclei in brain from cytokines • (2) endocrine-immune interactions • e.g. hormonal regulation of immunity • cytokine/ chemokine activation of endocrine cells) • (3) classic interactions between the nervous and endocrine systems • e.g. activation and modulation of hypothalamic-pituitary units • neuromodulation by hormones • (4) second-order interactions involve all three systems interacting to produce a physiological effect(s) I n\li Lymph node ■rown adipose tissue Spleen Pancreas Adrenal gland Kidney Positive loop Clock-regulated pathways: • Neurogenesis • Cortical development • Neurotransmission • Synaptic homeostasis • Inflammation • Neuronal metabolism • Mitochondrial function • Redox signalling • Oxidative stress • Blood-brain barrier •Perl,Per2 • Cryl, Cry2 N/N Negative loop Tissue-specific CCGs Heart Brain CCG acrophases and amplitudes vary between tissues a | The circadian timing system synchronizes clocks across the entire body to adapt and optimize physiology to changes in our environment. Light is received by specialized melanopsin-producing photoreceptive retinal ganglion cells (ipRGCs) in the eye. These ipRGCs project through the retinohypothalamic tract to the suprachiasmatic nucleus (SCN), among other brain regions. The SCN relays timing information to other areas of the brain via direct projections (dark green boxes) and indirect projections (light green boxes). Humoral signals and the peripheral nervous system (that is, the sympathetic nervous system (SNS) and parasympathetic nervous system (PNS)) convey information from the SCN to orchestrate peripheral clocks. Feeding schedules and exercise can also entrain central and peripheral clocks. Circadian rhythms are key regulators of thermogenesis, immune function, metabolism, reproduction and stem cell development, b | The mammalian molecular clock is composed of transcriptional and translational feedback loops that oscillate with a near-24-hour cycle. The positive loop is driven by the heterodimerization of either circadian locomotor output cycles protein kaput (CLOCK) or neuronal PAS domain-containing protein 2 (NPAS2) with brain and muscle ARNT-like 1 (BMAL1) in the nucleus. The resulting heterodimers bind to enhancer boxes (E-boxes) in gene promoters to regulate the transcription of clock-controlled genes (CCGs), including those encoding period (PER) proteins and cryptochrome (CRY) proteins. PER and CRY proteins accumulate in the cytoplasm during the circadian cycle, eventually dimerizing and shuttling to the nucleus to inhibit their own transcription, thus closing the negative-feedback loop. The auxiliary loop includes the nuclear retinoic acid receptor-related orphan receptors (RORa and R0R[5) and REV-ERBs (REV-ERBa and REV-ERBP), which are also transcriptionally regulated by CL0CK-BMAL1 heterodimers. REV-ERBa (REV in the figure) and RORa repress and activate the transcription of Bmall, respectively, by inhibiting and activating the ROR or REV-ERB response elements (RREs). CLOCK-BMAL1 complexes also control the expression of nicotinamide phosphoribosyltransferase (NAMPT), which is the rate-limiting enzyme of NAD+ biosynthesis from nicotinamide (NAM). NAM is modified by NAMPT to produce nicotinamide mononucleotide (NMN), which in turn is converted to NAD+ by several adenyltransferases. Thus, NAMPT oscillations control circadian fluctuations in NAD+ levels, which in turn modulate sirtuin 1 (SIRT1) activity and signalling. High levels of NAD+ promote SIRT1 activation. SIRT1 interacts directly with CL0CK-BMAL1 to deacetylate BMAL1 and inhibit CLOCK-driven transcription. Between tissues and cell types, CCGs and other molecular and cellular rhythms may be expressed with different acrophases (phase of peak expression), amplitudes and even periodicities. ArcN, arcuate nucleus; DmH, dorsomedial hypothalamus; DR, dorsal raphe; IGL, intergeniculate leaflet; LC, locus coeruleus; LH, lateral hypothalamus; LHb, lateral habenula; MA, medial amygdala; mPOA, medial preoptic area; NAc, nucleus accumbens; PVN, paraventricular nucleus of the hypothalamus; PVT, paraventricular nucleus of the thalamus; RMTg, rostromedial tegmental nucleus; Sptm, septum; SPZ, subparaventricular zone; VLPO, ventrolateral preoptic nucleus; VTA, ventral tegmental area. MUNI ED Koordinace signálů z centrálních a periferních „hodin" Cell Metabolism w»* ceHpies» com Time-Restricted Feeding Prevents Obesity Food, Feeding regimens Autonomic innervation, Humoral factors Adipose tissue Liver Muscle Locomotor activity, Sleep-wake cycle, Blood pressure /V Hormones, Metabolic pathways Froy O Endocrine Reviews 2010;31:1-24 ©2010 by Endocrine Society ENDOCRINE REVIEWS MUNI MED Poruchy cirkadiánní rytmicity poruchy cirkadiánního rytmu • mutace clock genů • polymorfismus v „clock" genech —» interindividuální variabilita - chronotyp • extrém „sovy" vs. „skřivani" • stárnutí • externí vlivy • práce na směny • jet lag • expozice světlu během večera a noci • zejm. krátkovlnné spektrum (modré světlo - displeje) • sociální faktory-životní styl • infekce - sleeping sickness (Trypanozoma brucei) • psychiatrická a neurologická onemocnění • deprese • neurodegenerace • obezita a abnormální příjem potravy • slepota (úplná) • zachovalý rytmus (percepce světla kůží resp. podkožím) • u ~50% „free-running"non-24-hour sleep-wake disorder (N24SWD) důsledky • T2DM, kardiovaskulární onem., imunologické poruchy, nádory koncept chrono-farmakologie Gambian oř West Afričan form Rhodesian oř East Afričan form Adrenal Gland Nadledviny l l Kortizol - profil & regulace Anatomie a histologie nadledvin Adrenal gland Kidney Adrenal cortex Adrenal medulla Zona glomerulosa Zona fasciculata Zona reticularis Connective tissue capsule Adrenal cortex Adrenal medulla MUNI MED Biosyntéza adrenálních steroidů Cholesterol Adrenal steroidogenesis pathway ^» Mineralocorticolds Glucocorticoids Sex hormones Dehydroepiandrosterone sulfate 17a-hydroxylase 17.20 Lyase Dehydr^T 17|5-HSD Pregnenolone ■ 17-OH pregnenolone 1 androsterone ' Androstenediol 3P-HSD P450SCC StAR protein Progesterone 21-Hydroxylase j Deoxycorticosterone 11ß-Hydroxylase J Corticosterone I 3|i-HSD I 3f*-HSD I 3(VHSD I 17a-hydroxylase I 17,20 Lyase I 170-HSD * ' 17-OH progesterone ■ Androstenedione ' Testosterone 18-Hydroxylase J rti( I I 21-Hydroxylase 11-Deoxycortisol Jl1|i-Hydroxylase Cortisol Estrone Aromatase 17P-HSD J Aromatase Estradiol 18-OH corticosterone 18-Oxidase Aldosterone fyziologická role hormonů kůry nadledvin • regulace bazálního metabolismu • kr. tlaku a dalších funkcí v kooperaci s katecholaminy • permisivní účinek • zákl. součást adaptace na stres (GC) • udržení objemu a rovnováhy Na+ a K+(MC) • acidobazická rovnováha -exkrece H+a NH4+(MC) m u n i MED Steroidní receptor H Hlil i □ ii C OH H Interacts with other DNA Hormone transcription factors binding binding biologické efekty se do značné míry překrývají • efekt na gen. expresi prostřednictvím HRE • sekvenční homologie • afinita steroidních receptoru (pro GK, aldosteron, estradiol) není specifická!! • např. GK se pohotově váží MR v mozku, v ledvině ale omezeně (degradace, viz dále) aktivace receptoru • konformační změny a uvolnění z inhibičního komplexu s Hsp90, 56, 70 • homodimerizace vazba na hormon- responsivní elementy (HREs) • krátké specifické sekvence DNA v promotorech • fosforylace indukce transkripce • vazba na HRE usnadňuje vazbu TF na TATA box • komplex hormon-receptor-HRE tedy funquje jako enhancer M U N I MED Účinek GK - genomické efekty • (1) většina metabolických účinků GK je realizována genomicky • aktivace receptoru • po vazbě GK v cytoplasmě nastává konformační změna a uvolnění z inhibičniho komplexu s Hsp —» translokace do jádra a homodimerisace • efekty: • (1) transaktivace = vazba na GRE • krátké specifické sekvence DNA promotory genů) —» transkripce [I] • (2) transreprese = vazba na negativní GRE (nGRE) [II], interakce s jinými TF [III] nebo jejich koaktivátory [IV] • represe transkripce nebo blokáda působení TF (např. AP-1, NFkB, ...) • sled událostí po vazbě GK na receptory trvá min. 20 - 30 min - pozdní efekty ve srovnání s peptidovými hormony nebo non-genomickými účinky GK • (2) ne-genomické efekty • nespecifické interakce v rámci buněčné membrány • specifické interakce s cytosolovými GRs (cGRs) • nebo membránovými GRs (mGRs) Genomic mechanisms NO BINDING Metabolické aj. efekty GK - zvýšený obrat volných a skladovaných substrátů Tkáň/orgán Fyziologické efekty Důsledky nadprodukce Játra Tjaterní glukoneogeneze (t Glc) (stimulace klíč. enzymů - pyruvátkarboxyláza, PEPCK, G6Páza) porucha glukózové tolerance/diabetes mellitus jaterní lipogeneze (t MK a VLDL) (stimulace klíč. enzymů acetyl-CoA-karboxyláza a syntetáza M K) steatóza/steatohepatitida Tuková tkáň Tlipolýza v subkutánní tuk. tkáni (Ť VMK) (aktivace HSL a inhibice LPL) insulinová rezistence ve svalu (kompetice VMK s Glc o oxidaci) ^vychytávání Glc (down-regulace 1RS, inhibice PI3K, Glut4 translokce aj.) insulinová rezistence v důsledku interference s post-receptorovou signalizací v insulinu Tdiferenciace adipocytů viscerálnítuk. tkáně (exprese GR a 11(3HSD1 je rozdílná v podkožní a viscerální tuk. tkáni) trunkální (abdominální) obezita, metabolický syndrom Kosterní sval ^vychytávání Glc (down-regulace 1 RS, inhibice PI3K, Glut4 translokce aj.) insulinová rezistence v důsledku interference s post-receptorovou signalizací v insulinu Ťproteolýza, 4- proteosyntáza (Ť AK) (protisměrný efekt k IGF, aktivace ubiquitin/proteasom degradace, t myostatin a glutamin syntetáza) svalová atrofie, slabost, steroidní myopatie (totéž kost - osteoporóza) Pankreas (ß bb.) ^sekrece insulinu (suprese GLUT2 a K+ kanálů, apoptóza) porucha glukózové tolerance/diabetes mellitus gastrointestinální trakt • -i- vstřebávání kalcia, -l tvorba žaludečního hlenu prostaglandiny) • osteoporóza, žaludeční vřed imunitní systém (protizánětlivé účinky) • -i- cytokiny a lymfokiny, prostaglandiny, histamin; -i počtu lymfocytů • imunosuprese • Tgranulocytů oběhový systém • T srd. výdeje a perif rezistence • hypertenze ledviny • T glom. filtrace, T retence Na chování • nejasný mechanismus • deprese, psychózy embryonální a neonatální vývoj • surfaktant a dozrávání plic fétu • indukce jaterních a GIT enzymů • nezralost plic novorozenců HUN I MED Mechanizmus působení GK na imunitní systém • (A) genomické efekty [I] • transaktivace a transreprese celé řady proteinů zúčastněných v imunitních reakcích • (B) ne-genomické efekty - celá řada efektů je tak rychlých, že se nedá vysvětlit genomickými efekty • sekvestrace proteinů cGR [II] • např. kináz (MAPK) —» blokáda jejich působení • mGR [III] - multi-proteinové komplexy s jinými membránovými receptory —» blokáda působení • např. růstové faktory • alternativně indukce apoptózy • přímá interakce GK s buněčnými membránami [IV] —» interkalace do membrány —» stabilizace • inhibice Na/Ca výměníku • "proton leak" v mitochondriích —» pokles ATP • xlATP-dependentních procesů v imunitním systému (cytokineze, migrace, fagocytóza, prezentace antigénu, syntéza protilátek, cytotoxicita,...) Genomic mechanisms Antiinflammatory, immunomodulatory and other (including unwanted adverse) effects m u n i MED Shrnutí GK a imunitní systém Efekt GK na buňky imunitního systému Monocyty / makrofágy slz počet cirkulujících bb. (\|/ myelopoéza, s|/ uvolňování) slz exprese MHC-II molekul a Fc receptoru s|/ syntéza pro-zánětlivých cytokinů (např. IL-1, -2, -6, TNFa) a prostaglandinů T lymfocyty slz počet cirkulujících bb. (apoptóza, redistribuce) slz produkce a účinek IL-2 Granulocyty 'T* počet cirkulujících neutrofilů slz počet cirkulujících bazofilů a eosinofilů Endotelové bb. slz cévní permeabilita slz exprese of adhesivních molekul slz produkce IL-1 a prostaglandinů Fibroblasty slz proliferace slz produkce fibronektinu a prostaglandinů Production of Platelet- Nitric activating oxide factor Inflammatory response Phosphatidyl choline Phospholipase Arochidonic acid Cyclooxygenase Prostaglandins Thromboxanes Lipooxygenase Leukotriene* ♦ Vasodilation Permeability Leukocyte trapping Neutrophil function Phagocytosis Bacterial killing í;■"■"I Inhibition by Cortisol Immune response Macrophage <-Antigen I lnterieukin-1 \m * Fever T cells' lnterleukin-2 and 6 Tumor necrosis factor a iferation T-cell pro B-cell proliferation 1 Antibody production MUNI MED Periferní modulace dodávky GK — prostřednictvím enzymů katalyzujících konverzi aktivní a neaktivní formy GK • (a) lip hydroxysteroid dehydrogenáza typu 1 (HpHSDl) • působí jako reduktáza, regeneruje kortisol z kortisonu —» T intracelulární koncentraci kortisolu zejm. v játrech a tukové tkáni exprese lipHSDl je vyšší vve viscerálním než podkožním tuku -» viscerální tuk je tedy flexibilnějším poolem energie, ale zaseje citlivěji suprimovatelná (což hraje roli v rozvoji abdominální obezity u Cushingova syndromu) • ko-lokalizována s GR (v játrech a tuk. tkáni) a tak lokálně amplifikuje efekt kortizolu llPHSDl overexprese u myší vede k obezitě, zatímco 11PHSD1 knock-out myši jsou rezistentní k obezitě i při přejídání tkáňově-specifické inhibitory lipHSDl by mohly být terapeuticky využitelné u metabolického syndromu a obesity? • patologie spojené s lipHSDl • Cushingův syndrom - vyšší exprese 11PHSD1 ve vise. tuku vede k adipogenezi vise. bb. a převaze lipolýzy v podkožním tuku a jeho kumulaci ve viscerálním kongenitální deficit lipHSDl (apparent cortison reductase deficiency) -nadbytek adrenálních androgenů —» oligomenorhea, hirsutismus u žen kompenzatorní aktivace HPA osy - overexprese lipHSDl v subkutánním tuku (kongenitální nebo získaná) vede k lipodystrofii deficit lipHSDl hraje roli v patogenezi syndromu polycystických ovarií (PCOS) —» kompenzatorní aktivace HPA osy —» hyperandrogenizmus —» oligomenorhea, hirsutismue, cystická ovaria • regulace: hladovění, kortisol, další hormony (b) lip hydroxysteroid dehydrogenáza typu 2 (llpHSD2) • působí jako dehydrogenáza, degraduje kortisol na kortisonu i intracel. koncentraci kortisolu zejm. v ledvině = degradací kortisolu umožňuje tkáňově specificky preferenční působení aldosteronu na MR i přesto, že konc. plazm. kortisolu »> aldosteronu patologie spojené s 11PHSD2 kongenitální deficit 11PHSD2 (apparent mineralocorticoid excess) • monogenní forma hypertenze 11PHSD2 je exprimována v placentě (udržuje nižší hladiny kortizolu ve fetální cirkulaci) - deficit napomáhá některým těhotenským komplikacím (preeclampsie, IUGR,...) a možná hraje roli při tzv. "fetálním či metabolickém programování" Cortisol Cortisone _ . 11BHSD1 „ . Cortisone > ľ —> Cortisol NADP(H) H6PD s---^ Nucleus) b C°^o/ cortiso, , 11ßHSD2 ►Cortisol —*Ľ->• Cortisone Co' Aldosterone Aldosterone Aldosterone Mineralocorticoid receptor • T NaŤ retention • t water tlux • T K+ excretion id Cortisol Cortisone % MUNI MED Cholesterol Poruchy funkce kůry nadledvin • hyperfunkce (hyperkortikalismus) • obvykle selektivní • primární vs. sekundární • Cushingův syndrom • primární, sekundární popř. terciální • hyperaldosteronismus (Connův syndrom) • adrenální hyperandrogenismus • DHEA produkující adrenální adenom • hypofunkce (hypokortikalismus) • obvykle generalizovaný • perif. insuficience (Addisonův syndrom) • porucha produkce ACTH • hypopituitarismus (např. Sheehanův syndrom) • rezistence • disociace adrenálních funkcí v důsledku enzymového Deoxycorticosterone defektu syntézy kortizolu |hp • abnormality syntézy steroidů „ 1 77 7 Corticosterone CAH (congenital adrenal hyperlasia) I 18 I len J3B Pregnenolone Progesterone 17c 17a ^^^^ 21 hydroxylase 11 beta hydroxylase 17 alpha hydroxylase 3 beta hydroxylase 17,20 17-OH-Pregnenolone -► 3ß 4- ► 17-0 H-Progeste rone 4- 17,20 1 DHEA 11-deoxycortisol |l1ß Cortisol Androstenedione 17ßR Testosterone 5a R Dihydrotestosterone Aldosterone Poruchy funkce adenohypofýzy jako etiologie hypo- nebo hyperfunkcí kůry nadledvin 5 typů endokrinně aktivních bb. • TSH • FSH + LH • ACTH + MSH + (3-endorfin (z proopiomelanokortinu) • růstový hormon (STH) • prolaktin (PRL) Hyperfunkční stavy (hyperpituitarismus) • nejč. benigní nádory (adenomy) • prolaktinom • STH nebo ACTH produkující adenom • ostatní vzácně Hypofunkční stavy (hypopituitarismus) • často postihuje nespecificky všechny typy bb. • úrazem, hemoragií, ischemií (např. při porodu) • Sheehanův syndrom • v těhotenství adenohypofýza hypertrofuje, je citlivá k ischemii • při velkých poporodních ztrátách krve může dojít k ischemii a akutní nercróze Paraventricular nucleus Supraoptic nucleus Median eminence Thyrotropic cells secrete thyroid-stimulating hormone (TSH). Mammotroptc cells secrete prolactin (PRL). Coriicotropic cells secrete adrenocorticotropic hormone (ACTH). Somatotropic cells secrete growth hormone (GH). Gonadotropic ceils secrete follicle-stimulating hormone (FSH) and luteinizing hormone (LH). Pars intermedia cells secrete melanocyte-stimulating hormone (MSH). Melanocytes MUNI MED GC exces - Cushingův syndrom - etiologie primární = ACTH independentní • GC produkující tumor kůry nadledvin (adenom nebo karcinom) • typicky unilaterální • GC produkce ektopicky (embryonálně společné, nejč. ovarium nebo varle) sekundární = ACTH dependentní • ACTH-produkující hypofyzární tumor (= Cushingova nemoc) • ACTH produkující adenom hypofýzy • ektopická produkce ACTH • typicky v mediastinu, nejč. malobuněčný karcinom plic terciární = ACTH dependentní • CRH-produkující tumoru hypotalamu raritní etiologie • mikro- nebo makronodulární hyperplazie kůry • typicky bilaterální • nízký CBG iatrogenní ACTH l,H!.T,-r,d,-!it Ijln ■. • " i C ifthinjjS \yndnxnp Thinning oř hoir Red cheeks Buffolo hump Acne Moon f oce Increosed body ond facial hoir Wsighl goin Purple smoe Pendulous obdomen Ecchymosis resulting from eosy bruising MUNI MED Genetic and molecular mechanisms implicated in Cushing's syndrome Cushing's disease: • Gene mutations L/SP8, MEN1, CDKIs, C0KNlB/p27Kipl, MP, SDHx(>), DICER1, others • Abnormal protein expression Brgl, HDAC2, TR4, PTTG, EGFR, others Ectopic ACTH secretion: • Gene mutations RET, MEN1, others — PDEs PDE11A PDE8B ▼ ▼► BMAH: • Gene mutations ARMC5, MEN1, FH, GNAS1, PDf IIA, PDE8B. MC2R, PRKACA, DOTLIP). HDAC9(?), PRUNE2(?) • Protein expression GPCR, POMC/ACTH, PRKAR1A, Others 4*T Adrenal adenoma: • Gene mutations PRKACA, CTNNB1, GNAS1, PRKAR1A • Protein expression GPCR, PRKAR1A, others T ▼ PPNAD: • Gene mutations PRKAR1A, PDE11A. P0E8B, PRKACA • Protein expression PRKACA, glucocorticoid receptor MUNI MED Cushingův syndrom jako příklad redistribuce podkožního tuku do viscerálního • (1) regionální rozdíly v intenzitě lipogeneze vs. lipolýzy mezi s.c. a v. tuk. tkání • suprese LPL v s.c. • aktivace ATGL/HSL v obou, zejména však ve viscerální • i když výsledky studií velmi kontroverzní (akutní vs. dlouhodobé, zvířecí vs. humánní, příspěvek hyperinzulinemie,...) • (2) preferenční diferenciace adipocytů ve viscerální tuk. tkáni • větší dostupnost kortizolu díky 11|3HSD1 • (3) nižší centrální efekt na kontrolu apetitu • výsledkem je centrální obezita se všemi komponentami metabolického syndromu m u n i MED Dexamethasone suppression test - CS dg. op CRH tisol ACTH V J op CRH Cortisol ACTH \ I Cortisol ACTH Cortisol ACTH Cortisol Tumour'£«^, * CRH (A- Cortisol _ \ ACTH 0:0 CRH t : ACTH Table 1. Aetiology of Cushins's syndrome. OP. CRH ^Dexamethasone Cortisol ACTH Normal 00 Dexamethasone Tumour Cushing's disease Cause of Cushing's syndrome F;M ACTH-de pendent Cushing's disease 70% 3.5:1 Eetopie ACTH syndrome 10% 1:1 Unknown source of ACTH* s% 5:1 ACTH-inde pendent Adrenal adenoma 10% 4:1 Adrenal carcinoma 5% 1:1 Macronodular hyperplasia (AIMAH} < 2% Primary pigmented nodular adrenal disease (PPNADj < 2% McCune Albright syndrome < 2% CRH ^Dexa Dexamethasone Tumour ♦ ^Tumour Cortisol ACTH ✓ Ectopic ACTH syndrome (small cell lung carcinoma) 0:0 Dexamethasone Ectopic ACTH syndrome (benign lung carcinoid) WiW* 'J:W1 CRH ^Dexamethasone CRH Cortisol ACTH Cortisol ť - ^ ACTH Unilateral adrenal tumour CRH ^Dexamethasone y ACTH GPCR l*pref Bilateral macronodular adrenal hyperplasia * Patients may ultimately prove to have Cushlng's disease. MUNI MED Mineralokortikoidy - efekty a regulace Hyperaldosteronismus • Etiologie • primární hyperaldosteronismus • unilaterální adenom (Connův syndrom) • 70%, benigní tumor • bilaterální adrenální hyperplazie • sekundární hyperaldosteronismus • t RAAS • t ACTH • terciární hyperaldosteronismus • snížené odbourávání aldosteronu - jaterní onemocnění • Projevy • retence Na+(hypernatremie) • hypertenze • ztráty K+(hypokalemie) • únava, malátnost • metab. alkalóza T Na+ 71 Primary aldosteronism 1_ T Volume i Kenin I T Aldosterone* A-> "Initiating event Secondary aldosteronism T Volume . T NaH T Renin*! T Aldosterone •Initiating event MUNI MED Aldosterone and Mineralocorticoid Receptors »•»»••1 aldosterone •Cortisol cortisone !• • • • • •••• •••••• •• • •••• i • • • ? LJ— MR 1 Aldosterone-responsive cell | 1 Aldosterone non-responsive cell | Cortisone Cortisol 11/5-HSD2 Aldosterone Nuclear translocation Genomic effects Transcription * and translation ■ > Nongenomic effects Nucleus The mineralocorticoid receptor binds both aldosterone and Cortisol with equal affinity. • Moreover, the same DNA sequence serves as a hormone response element for the activated (steroid-bound) forms of both mineralocorticoid and glucocorticoid receptors. How can aldosterone stimulate specific biological effects in this kind of system, particularly when blood concentrations of Cortisol are something like 2000-fold higher than aldosterone? • in aldosterone-responsive cells, Cortisol is effectively destroyed, allowing aldosterone to bind its receptor without competition Target cells for aldosterone express the enzyme 11-beta-hydroxysteroid dehydrogenase, which has no effect on aldosterone, but converts Cortisol to cortisone, which has only a very weak affinity for the mineralocorticoid receptor • this enzyme "protects" the cell from Cortisol and allows aldosterone to act appropriately Some tissues (e.g. hippocampus) express abundant mineralocorticoid receptors but not 11-beta HSD - they therefore do not show responses to aldosterone because aldosterone is not present in quantities sufficient to compete with Cortisol. M U l\l I MED Nedostatečná funkce kůry nadledvin - etiologie destruktivní proces zpravidla v celém rozsahu kortexu = tj. snížená produkce kortizolu, aldosteronu a adrenálních androgenů při postupné destrukci kůry nadledvin zpočátku snížená tolerance stresu adrenální insuficience se manifestuje až v okamžiku zničeno ~90% žlázy (1) primární generalizovaná (= Addisonova nemoc) chronická nebo akutní manifestace (= akutní adrenální / Addisonská krize) - těžký život ohrožující stav kompensatorně Ť ACTH příčiny autoimunní destrukce • TBC ischemie při hypotenzi/šoku masivní hemoragická nekróza při meningokokové sepsi (Waterhouse-Friderichsen) vzácné: vrozený defekt, hemochromatóza, adrenalektomie, X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD), amyloidóza, trombóza,... (2) primární disociace adrenální funkce see further (3) sekundární v důsledku nízké sekrece ACTH hypopituitarismus Sheehanův syndrom v důsledku závažné postpartální hemoragie nebo jiné ischemie hypofýzy (např. šok) symptomy • slabost (ŤK) anorexie, hypotenze (^Na) nausea, zvracení, průjem nebo konstipace (ŤCa) hypoglykemie bolest břicha (lymfocytóza) ztráta váhy hyperpigmentace u primárních (POMC MSH melanocyty) Addisonova nemoc Congenital adrenal hyperplasia (CAH) Cholesterol Pregnenolone 17-OH pregnenolone De h y dro e p i a nd roste ro ne 3p-hydroxysteroid dehydrogenase Progesterone 17-OH progesterone Androstenedione 21-hydroxylase ll-deoxycorticosterone 11-deoxy Cortisol Testosterone 11ß-hydroxylase Corticosterone Cortisol Aldosterone 17a = 17-alpha-riydroxylase | 17,20 = 17,2 O-lyase synonymum adrenogenitální syndrom vrozený (AR) defekt enzymů metabolizmu glukokortikoidů s kompenzatorním T ACTH způsobujícím hyperplasií kůry • v 95% případů deficit 21-hydroxylázy • v 5% deficit 11-hydroxylázy a dalších enzymů • ll-Beta hydroxylase deficiency • 17a-hydroxylase deficiency • 3-Beta-hydroxysteroid dehydrogenase deficiency • congenital lipoid adrenal hyperplasia • p450 oxidoreductase deficiency frekvence 1/8000 - 10000 novorozenců klinicky důsledky kolísají od mírných po velmi závažné („salt wasting") v závislosti na míre enzymového deficitu • u klasické CAH typicky abnormality vývoje a růstu (pohlavní diferenciace) for 21-hydroxylase deficiency: • kompenzatorní zvýšení ACTH vede k hyperplazii kůry a stimuluje produkci androgenů (DHEA a androstendionu), které jsou v periferii konvertovaný na testosteron • malformace zevního genitálu a virilizace u dívek (vnitřní genitál při norm, karyotypu 46XX beze změn) • nadměrná maskulinizace a infertilita u chlapců • u obou pohlaví rychlejší ale ve výsledku menší vzrůst • při těžších formách hrozí elektrolytová dysbalance a adrenálhl I (Addisonská) krize ,VI u 11 1 MED Embryologie - organogeneze zevniho genitalu muni MED Dřeň nadledvin a její poruchy (a) Sympathetic Paragangliomas Paravertebral Sympathetic Chain' Retroperitoneal Sympathetic Nerve' Fibers Sympathetic Nerve Fibers in Pelvic Organs 11,, Parasympathetic Paragangliomas MKMefjr / I Posterior mediastinal Paraganglioma Internal Jugular Vein Retroperitoneal Paraganglioma Paraganglioma arising in Organ of Zuckerkandl Urinary Bladder Paraganglioma GlrxrrusTrmpjrxurri Glomus JuGulare produkce katecholaminů adrenalin (90%), noradrenalin (10%), dopamin hyperfunkce - v důsledku hormon produkujícího nádoru (feochromocytom) projevy: hypertenze (často záchvatovitá) tachykardie (typicky záchvatovitá) bolesti hlavy hyperglykemie flush feochromocytom je typem nádorů vycházejících z nervové tkáně sympatických a parasympatických ganglií mimo dřeň jsou nazývány jako paragangliomy často blízko kr. cév mohou být benigní či maligní 0 Sweating o Tremor • Nervousness/ anxiety o Weakness s> Paleness • Visual problems • Flushing ■ Epinephrine ▼ Norepinephrine Pheochromocytoma/ paraganglioma cell Cardiovascular o Palpitations/ tachyarrhythmias • Hypertension • Headache • Orthostatic hypotension • Angina • Dizziness/ dyspnea Mass effect i Pain • Surrounding structure dysfunction • Hyperglycemia/ diabetes 0 Weight loss Gastrointestinal 0 Nausea/ vomiting o Constipation MUNI MED Štítná žláza Anatomie a histologie štítné žlázy, HPT osa Thyroid 0-TRH \ Hypothalamus Pituitary Thyroid gland Liver, Muscle Target tissues Heart Nerves Bone Liver Muscle Glands Anatomie, histologie, fyziologie la Cubadal epilhelium 2 Blood vessels and loose connective tissue 1 Follicles secnellng thyroxin Full thyroid follicle 1 Follicles secreting Ihyroxlne Empty thyroid follicle 1 Follicles secreting Ihyrosine Microscopic section through thyroid gland 3 Parafollicular Ocells secreting calcitonin la Cutjoiiiai epilhelium lb Colloid 1 Follicles secreting ihyroxine 2 Blood vessels and loose connective tissue Capillary Thyroid follicle " Follicular cells Colloid in follicle cavities Connective tissue capsule Slamům ■Ccell součást APUD systému (kalcitonin) při maligní transformaci medulární karcinom deficit/odstranění nemá klinický projev .Thryraid cartilage TriyfůJd gland Trachea Clavicle M U IMI MED Syntéza hormonů folikulární buňkou jodid (dietního původu) je přijat thyreocyty prostřednictvím sodium-iodidového symportéru (NIS) a transportován do folikulárního lumen pomocí apikálně membránového enzymu thyreoperoxidáza (TPO, na straně koloidu) jsou tvořeny hormony • TPO katalyzuje dva postupné kroky/reakce: • jodidace tyrosinů na thyroglobulinu (TG)^ krok zvaný jako "organifikace jodidu,,, za vzniku mono- a di-jodtyrosinu (MIT a DIT) • syntéza tyroxinu (T4) a trijodothyroninu (T3) z dvou jodotyrosinů • molekula thyroglobulinu obsahuje 134 tyrosinů, ale pouze malé množství z nich jsou využity k syntéze T4 a T3 po stimulaci TSH se částice jodinizovaného thyroglobulinu vrací do folikulárních bb. endocytózou endocytické váčky fúzují s lysozomy za vzniku endozomu proteázy lysozomu štěpí peptidové vazby mezi jodinizovanými rezidui a thyroglobulinem za vzniku T3, T4, MIT a DIT volný T3 a T4 přestupuje membránou a je uvolněn do kapilární mikrocirkulace • T4 částečně dejodován • vazba na TBG (75%), transthyretin (15%) a albumin (10%) MIT a DIT uvolněny do cytoplazmy, jod uvolněn deiodinázami a znovu použit thyroglobulin Thyroid peroxidase Thyioid peroxidase tyrosine thyroxine lodinoUon j Secretion Colloid droplet MUNI MED Natrium-iodid symportér symport s Na+ proti velkému konc. gradientu iodidu vyžaduje rovněž velký gradient Na+ • aktivní transport !!! (Na+/K+ATP-áza) Pituitary Proposed structure of the Na/I symporter showing 13 membrane spanning domains and 3 extracellular glycosylation sites. Iodide ion Sodium ion / High extracellular Na+ i Low intracellular Na+ \ maintained by sodium pumps • • O Out of cell into colloid Out of cell via Na pumps Target Tissues fTxocyfosisf?; \, t4.T3 ( i_ . . ■ Deiodmase , . Iodotyrosmes-- Iodide í ^ \ (Recycle) Seconder y Lyscsome__ Lysosome Q f N. f Nucleus .A--P--CREB - — V_ ^^^y / I1WICU> ---r-vntD * mRNA-iV/',)'f00'ol>u"n (JG) Synthesis Colloid Droplet I (Endocyt**) / ©-@ _ \ /Phagocytosis; Í I--- 1 Reabsorption J 7/-S ^ »* ^--^^ Lacunae iv ^/ Thyroglobuhn r^V\ ^—1—r-r" -r OIT DIT MIT OIT .„ . . ^ j ^ J (Oxidative Coupling) T4 T3 Follicular Lumen (Colloid Space) MUNI MED Periferní modulace hladin T4 aT3 enzymatickou konverzí dejodázami tkáňová a orgánová specifita (játra, ledviny, ostatní) biologický efekt: T3 lOx » T4 > rT3 různé dejodázy • aktivace (Dl a D2): T4 -> T3 • inaktivace (D3):T4^ rT3(^T2) T4 Type I ttelodinase S V Type Type II deiodinaseV^ Typ Type I deiodinase g [II detodinase T3-> rT3 Type II deiodinase* Type 1(1 deíodJnase* ^present in placenta T2 H i LI 0 H-C-H i H00C^,í^NH2 H Tyrosine H i U H-C-H H00C(r^NH2 H Or1 H-C-H H00C^NH2 H Thyroxine (T4) Triiodothyronine (T3) H i 0 H-C-H i H00C"C^NH2 H "Reverse T3" (inactive) MUNI MED Kvantitativně Acute psychosis Cold Hypothalamus Anterior Pituitary Thyroid Low Iodide High Iodide ■Wolff-Chaikoff effect Circadian rhythm Severe stress 'cnosis i t(Peripheral tissue metabolism of '4 (-80% T4: 20% T3) >99% of circulating T3 & T4 are protein-bound, primarily to Thyroid-Binding-Globulin. Peripheral Tissues Other ^ tiegra dative pathways Inactive reverse T- ^ Biological activity Thyroid Inactive Brain & Pituitary: T4 D2 Negative feedback on TRH & TSH D2 catalyzes production of T3 for negative feedback MUNI MED Sumárně... Kontrola T3/T4 produkce Major Regulatory Step TSH Release Hypothalamus I TRH Anterior Pituitary I TSH Thyroid Gland i T4, u Target Tissues t T3 T3 Negative Feedback Control lodinase -> T4,T3,rT3 Thyroid-stimulating hormone Luteinizing hormone Follicle-stimulating hormone hypotalamus: • TRH • somatostatin hypofýza: • TSH • vazba TSH na TSH-R stimuluje: • syntézu iodidového transportéru • thyroidální peroxidázy • přeměna iodidu na atom iodu • syntézu thyroglobulinu • rychlost endocytózy koloidu autoregulace • vychytávání a transport jodu MUN I MED Molekulární podstata působení tyreoidálních hormonů (1) genomické efekty • komplexy hormon/hormon-aktivovaný nukleární receptor funguje jako trankcripční faktor • po vazbě T3 změna represorového komplexu (bez T3) na aktivátorovy komplex (s T3) • exprese genů (enzymů) s velmi širokým spektrem / V ■ I O ucmku • na rozdíl od steroidů váží receptory tyroid. hormonů DNA i v nepřítomnosti hormonu a v tomto stavu fungují jako represory transkripce (2) kromě pozdních (genomových) efektů se předpokládají i akutní (negenomické) účinky vazbou na • mitochondrie • membránové proteiny "7 T3' D2 •I D3 T3-responsive gene Nucleus Protein Cytoplasm MUNI MED Receptor TľPe ni rx2 PI p2 Transactivation H2N Receptory tyroidálních hormonů • fungují jako hormony-aktivované transkripční faktory ovlivňující genovou expresi • kódovány 2 geny označovanými jako alfa a beta • primární transkripty obou genů jsou navíc alternativně sestřihovány do 4 isoforem: a-1, a-2, p-l a |3-2 • tkáňově a časově (stadia vývoje) specifická exprese isoforem • THR se váže na repetitivní sekvenci DNA - thyroid (T3) response elements (TREs) • THR se váže na TRE jako mono-, homo-nebo hetero-dimer s retinoid X receptorem (RXR) • heterodimer má nejvyšší afinitu k vazbě -hl. funkční forma receptoru DNA Binding Ligand-binding and dimerization I I 153 227 H5h -AG&TCAHHHHň&r/rCA--TC CAGTHHMHTC CAGT- Monorner a. -AG&TCAHHHHň&r/TCA--TC CA&TMHMHTC CAGT- Hornodirner ala m I COOH 514 T3 -ÄttTCÄMHMHň&tTCÄ--TCCA&THHHOTCCAGT- Heterodinner fl/RXR jS/RXR MUNI MED T3 účinek na transkripci genů RXR receptor (for 9-c/s--retinoic acid) 9-c/s-Retinoic acid 6 TR —receptor (for triiodothyronine) Dimerization \Ě—Triiodothyronine )> DNA Hormone- Genetic response transcription element ^mRNA Fyziologické efekty T3/T4 • (1) vývoj • zásadní efekt na terminálni stadium diferenciace mozku, tvorbu synapsí, růst dendritů a axonů a myelinizaci (zejm. pyramidové a Purkyňovy bb., bazálni ganglia) • v těhotenství jsou zvýšeny nároky na št. žlázu • u žen se subklinickým hypotyroidismem může těhotenství manifestovat poruchu • metamorfóza obojživelníků jako model efektu T3/T4 • (2) růst • růstová retardace • účinek hormonů št. žlázy na růst je nerozlučně propojen s růstovým hormonem • (3) reprodukce CRETINISM AGES: CHRONOLOGICAL BONE MENTAL Axolotl mexický - T3 efekty a regenerace Fyziologické efekty T3/T4 (4) metabolizmus a termogeneze • zvýšení bazálního metabolismu • produkce tepla při zvýš. spotřebě 02 a snížené tvorbě ATP • "rozpojení" oxidatívni fosforylace • tukový metabolismus • mobilizace tuků —» zvýš. kone. FFA v plazmě • oxidace FFA • cholesterol a triglyceridy v plazmě inverzně korelují s hladinami tyreoidálních hormonů • hypotyreóza - komb. dyslipidemie (hypetriglyceridemie, hypercholesterolemie), NAFLD • sacharidový metabolismus • stimulace mnoha kroků v sacharidovém metabolismu vč. insulin-dependentního vychytávání glukózy zvýš. glukoneogeneze a glykogenolýzy • hypertyreóza - zhoršení kompenzace DM nebo až T2DM • proteinový metabolismus (5) ostatní efekty • kardiovaskulární, CNS - kognitivní fce, imunita,... Substrates ADP + P Heat jt Vital functions CO, + H,0 * ▼ "*> ATP J 2 Heat T3 T ATP consumption Vital needs ATP synthesis ' Tj i ATP synthesis efficiency TRENDS m ErxSocrtnology & Metabolism MUNI MED UoT coiv Onemocnění a poruchy štítné žlázy Endokrinopatie štítné žlázy • poruchy štítné žlázy jsou vůbec nej častějším i endokrinopatiemi !!!! • funkční klasifikace • hyperthyroidismus • toxická difuzní struma (Graves-Basedovova nemoc) • autoimunní etiologie • toxická nodulární struma (Plummer-Vinsonova nemoc) • toxický adenom • thyroiditis (deQuervain) • primární nebo metastatický folikulární karcinom • TSH-produkující tumor hypofýzy • hypothyroidismus • hypotalamický nebo hypofyzární insuficience • autoimunní thyroiditis (Hashimotova) • morfologická klasifikace • struma • zvětšení šť. žlázy, ale různě funkční!! m u n i MED Vyšetření funkce štítné • jodurie • sérové hladiny • hormony • TSH, celk. T4/T3, fT4, fT3, rT3 • protilátky • anti-thyroglobulin (anti-TG) • anti-thyroid peroxidase (anti-TPO) • kalkulované indexy • fT4/fT3, fT3/rT3 • ultrazvuk • radionuklidový scan • jod (123l) nebo pertechnetát (Tc-99) • detekce nodulů a zhodnocení funkce • tenkojehlová biopsie/aspirace žlázy • A) normální žláza • B) Graves-Basedowova nemoc, difuzně zvýšené vychytávání jodu v obou lalocích • C) Plummer-Vinson sy (TMNG, toxic multinodular goitre) • D) adenom • E) thyroiditis 11 [j 11 MED Struma abnormální zvětšení štítné žlázy, které může být spojeno s • normální produkcí hormonů = netoxická (euthyroidní) • příčiny • endemická • v důsledku deficitu jodu v dietě (vnitrozemní oblasti všech kontinentů) • sporadická • "strumigeny" v potravě (např. kapusta, sója, ořechy špenát, ředkev) • forma zpravidla difuzní • hyperfunkcí = toxická (vede k hyperthyroidismu, thyreotoxikóze) • deficitem hormonů (hypothyroidismus) struma tedy značí problém, ale neříká jaký iuiumi MED Endemická struma • typická pro vnitrozemí, hornaté oblasti • postihuje ~13% populace • dalších ~30% v riziku manifestního deficitu • Himaláje (Pákistán, Indie, Nepál, Čína), Thajsko, Vietnam, Indonésie, N. Zéland, centr. Evropa (Alpy a ost. hory), Andy, centr. Afrika • profylaxe!!! Kretenismus • vzniká v důsledku vrozeného deficitu hormonů šť. žlázy • (A) neurologická forma • mentální retardace, hluchota, spastická obrna • prenatální deficit T3 (kritický zejm. mezi 12. - 18. týdnem gestace) \ • (B) myxedematózní forma • těžká růstová retardace, malformace obličeje, myxedém, hypogonadismus, sterilita • postnatální deficit T3 • často atrofie šť. žlázy, proto se uvažuje o dalších etiol. faktorech jako jsou toxiny (kasava, technecium atd.) Toxická struma příčina hyperthyreózy (thyreotoxikózy) • nodulární (Plummer-Vinson) • autonomní funkce jednoho nebo více adenomů ve žláze • difuzní (Graves-Basedow) • stimulace anti-TSH protilátkami (typ V hypersenzitivita) [LATS = long-acting thyroid stimulators] převaha žen, střední věk STIMUI-ATING AUTO-ANTIBODIES (Graves' disease) 'Pituitary gland Auto-antih< >d\ to receptor TSII receptor Thyroid cell Regulated production of thyroid hormones • • • • Unregulated overproduction of thyroid hormones m u n i MED Graves-Basedowova nemoc • hyperthyreoidismus • infiltrativní opftalmopatie • ~l/2 případů, nezávislá na T hormonech • postihuje periorbitální tkáň, oční svaly a tuk • infiltrativní dermopatie • ~l/5 of případů • pretibiální myxedém Clinical presentation of hyperthyroidism TSH receptor antibodies bind to TSH receptors in retro-orbital connective tissue Swelling in muscle and connective tissues behind eyes / Ophthalmopathy muni MED Oftalmopatie u G-B Normal Anatomy Advanced Graves' Ophthalmopathy Protrusion o* Hi* eyeballs e*uMd by Inert—d ««m comani of retro-ocutsr ortiltal bssues: associated with thyrotd disease, usually hyperthyroidism muni MED Hypothyreoidismus • nejčastější endokrinologická porucha • cca 2-5% populace, u žen středního věku až 20% • volá po populačním screeningu • zpravidla důsledek (auto)imunní destrukce • de Quervainova thyroiditis • navazuje na virovou infekci, recidivuje • Hashimotova thyroiditis • primárně autoimunitní • porucha centrální autotolerance (genetická dispozice vázaná na HLA), spouštěcí faktory • v akutní fázi často transitorní hyperthyreoidismus, poté pokles funkce m u n i MED a Hashimoto's thyroiditis b Graves' disease •f A V rhyreid m A. During Hashimoto's thyroiditis, self-reactive CD4+ T lymphocytes recruit B cells and CD8+ T cells into the thyroid. Disease progression leads to the death of thyroid cells and hypothyroidism. Both autoantibodies and thyroid-specific cytotoxic T lymphocytes (CTLs) have been proposed to be responsible for autoimmune thyrocyte depletion. TSH-reactive (~~Hvperthyr( 'Ctd-sti Nature Reviews | Immunology B. In Graves' disease, activated CD4+ T cells induce B cells to secrete thyroid-stimulating immunoglobulins (TSI) against the thyroid-stimulating hormone receptor (TSHR), resulting in unrestrained thyroid hormone production and hyperthyroidism. muni MED