Ústav histologie a embryologie LF MU pvanhara@med.muni.cz 5. Koncept a klasifikace tkání Petr Vaňhara, PhD  Moderní buněčná teorie  Organismy jsou složeny ze základních jednotek - buněk  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 Co je podstatou buněčné a tkáňové variability mnohobuněčného organismu ?  Tkáně a orgány - 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 Epitelová Svalová Nervová Pojivová  Současná klasifikace základních typů tkání 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  Tkáň a její definice klasická histologická definice tkání je založena na mikroskopické vizualizaci Funkční, trojrozměrné, organizované seskupení morfologicky podobných buněk a jejich produktů a derivátů  Základní principy histogeneze Proliferace Diferenciace Migrace Apoptóza Definice tkáňových vzorů 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  Kmenové buňky se liší v diferenciační kapacitě 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 v organismu 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 jako biomedicínský nástroj 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  Indukované pluripotentní kmenové buňky mají vlastnosti embryonálních kmenových buněk hESCs hiPSCs  Kmenové buňky v klinických apliakcích Age-related macular degeneration neovascularisation hiPSCs Retinální pigmentový epitel  Kmenové buňky nemusí být jen přátelské 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  Buněčná diferenciace - určuje rozdíly mezi tkáněmi Indukce diferenciace Terminální diferenciace Determinace -blast -cyt  Diferenciace je určena hierarchickou transkripcí genů doi:10.1038/nrg3209  Tkáně se liší svým genetickým a epigenetickým profilem Výslednou stavbu a funkci tkání určuje projev řady strukturních genů – různý v různých lokalizacích i časových úsecích doi:10.1038/nature10523 Tkáňovou identitu určují i extracelulární molekuly Adhezivní molekuly Růstové faktory Mezibuněčné interakceMetabolity Složky ECM  Mikroprostředí určuje vlastnosti tkání a odráží jejich mikroskopickou stavbu • 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 histologické stavby tkání se promítá velké množství biologických a fyzikálně-chemických parametrů Stem cell niche?  Mikroprostředí je klíčové pro tkáňovou homeostázu Apoptóza Regenerace Senescence Transformace  Mikroprostředí je důležité v patogenezi 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  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  Thalidomid Vaskularizace Fgf Shh … Proliferace Thalidomid 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  Tkáňové inženýrství Přestávka 6. Pojivové tkáně Not only a tissue glue…  Pojivová tkáň a její funkce Podmíněna mechanickými vlastnostmi → spojování ostatních tkání, kompartmentalizace, opora, fyzikální a chemické prostředí, imunologická podpora, uchování zásobních látek  Obecné složení pojivové tkáně 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)  Obecná klasifikace 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)  Embryonální mesenchym • 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 Vazivo KostChrupavka Mezenchym  Embryonální původ pojivové tkáně 1. Vazivo 2. Chrupavka 3. Kost  Obecné složení vaziva - 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 - …  Buňky vaziva Mesenchymal (adult) stem cells Koch et al. BMC Biotechnology 2007 7:26 doi:10.1186/1472-6750-7-26  Mezibuněčná hmota - fibrilární komponenty pojiv 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)  Syntéza kolagenu Polyribozomy se váží na RER a syntetizují peptidové řetězce (cca 250 AA, 28kDa) V RER dochází k posttranslační modifikaci (hydroxylace prolinu a lysinu – kofaktor vitamin C) Řetězce tvoří trojitou šroubovici V GA je prokolagen dále modifikován a sekretován z buňky Prokolagen je modifikován na tropokolagen (prokolagenpeptidázou) Tropokolagen se extracelulárně organizuje do vyšších struktur (fibrily, vlákna) Vlákna jsou vzájemně propojena (lysyloxidázy)  Syntéza kolagenu  Kolagen 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) X Růstová ploténka, mineralizující chrupavka růst kostí, mineralizace  Kolagen ve světelném mikroskopu AZAN HES HE Julian Voss-Andreae "Unraveling Collagen", 2005 Orange Memorial Park Sculpture Garden, City of South San Francisco, CA  Elastická vlákna • 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  Retikulární vlákna • tvoří kolagenní (kolagen III), prostorové sítě • kostní dřeň, slezina, lymfatické uzliny • podpůrná struktura pro buňky např. imunitního systému ve slezině nebo kostní dřeni Amorfní, mezibuněčná hmota (extracelulární matrix) Bezbarvá, průsvitná homogenní směs glykosaminglykanů, proteoglykanů a strukturálních glykoproteinů  Základní hmota  Glykosaminoglykany lineární polysacharidy tvořené disacharidovými podjednotkami - kyselinou uronovou a hexosaminem glukosamin nebo galaktosamin kys. glukuronová nebo iduronová polysacharidy bohaté na hexosaminy - kyselé mukopolysacharidy 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)  Glykosaminoglykany s výjimkou kys. hyaluronové se váží i na proteinové struktury - proteoglykany  Proteoglykany — protein + převažující lineární sacharidová složka — proteoglykanové agregáty — vysoká schopnost vázat vodu — objem závislý na stupni hydratace — aggrecan (chrupavka) — syndekan — fibroglykan • dominantní protein + rozvětvená sacharidová složka • interakce mezi buňkami a extracelulární matrix (proliferace, diferenciace, migrace, zánik…) ― 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)  Strukturální glykoproteiny  Složení základní hmoty - shrnutí  Klasifikace vaziva - Embryonální mesenchym - Areolární (řídké, intersticiální) vazivo - Husté kolagenní neuspořádané vazivo - Husté kolagenní uspořádané vazivo - Elastické vazivo - Retikulární vazivo  Tukové vazivo • bílá a hnědá tuková tkáň • adipocyty, fibroblasty, retikulární, kolagenní a elastická vlákna • vaskularizace  Hnědá tuková tkáň • vyvíjející se fetus a děti do cca 1 roku • rychlý zdroj energie a tepla • mezilopatkový prostor • malé buňky s početnými lipidovými kapénkami  Bílá tuková tkáň • aktivní novotvorba adipocytů do věku cca dvou let • schopnost hypertrofie • bohatá vaskularozace • jediná tuková kapénka • produkce hormonů - leptin (adipokininy)  Doporučená literatura Ústav histologie a embryologie LF MU Obecná histologie Mikroskopická anatomie Přehled embryologie člověka ... nebo http://www.med.muni.cz/histology Děkuji za pozornost www.med.muni.cz/histology pvanhara@med.muni.cz