Alois Kozubík
HOMEOSTÁZA a ZPĚTNÉ VAZBY
Typy buněčných populací a buněčné modely;
Negativní a pozitivní zpětné vazby;
1
Homeostáza: automatické udržování hodnoty
nějaké veličiny na přibližně stejné úrovni.
V biologii se jedná o schopnost živých organismů
udržovat stabilní vnitřní prostředí v podmínkách
měnícího se vnějšího prostředí.
Výsledkem je relativní stálost vnitřního prostředí,
jako nezbytné podmínky existence a fungování živých
systémů.
POJEM „HOMEOSTÁZA“
2
Porušení homeostázy a vznik patologických stavů
3
POPULACE NORMÁLNÍCH
(NETRANSFORMOVANÝCH)
BUNĚK
ONKOGENEZE
fáze:
INICIAČNÍ
(INITIATION)
PODPŮRNÁ
(PROMOTION)
„cell signalling“
(cytokiny vs.
eikosanoidy)
klinická data,
matematické analýzy,
experimentální ověření
ONKOTERAPIE
PROGRESIVNÍ
FÁZE
(PROGRESSION)
POPULACE
TRANSFORMOVANÝCH
BUNĚK
Typy buněčných
populací
a buněčné modely
4
Tabulka 1
Dělení buněčných populací podle intenzity obnovy u dospělé myši
1. Statické populace bez známek obnovy během života:
neurony všech typů
srdeční svalové buňky
odontoblasty
Sertoliho buňky
2. Velmi pomalu se obnovující buněčné populace:
Během života se obnoví jen část populace:
hladké svalové buňky
gliové buňky
osteocyty
buňky ledvinných tubulů
buňky dřeně nadledvinek
hlavní buňky žaludeční sliznice
intersticiální buňky Leydigovy
buňky hnědé tukové tkáně
3. Rychle se obnovující buněčné populace:
A. Ne příliš rychle se obnovující populace. Populace, která se během života zcela obnoví, ale
za dobu delší než 30 dní:
hepatocyty a litorální buňky
epitelová výstelka dýchacího traktu
buňky slinných žláz
buňky pankreatu
buňky v kůře nadledvinek
parietální buňky žaludeční sliznice
pojivové buňky v kůži
B. Velmi rychle se obnovující buněčné populace. Všechny se obnoví za dobu kratší než 30 dní:
střevní epitel
krvetvorné buňky, prekursory krevních buněk
epidermis
kornea
epitelová výstelka ústní dutiny a esofagu
povrchový epitel žaludeční sliznice
seminiferní epitelová tkáň
C. Buňky nádorové
Dělení buněčných populací podle intenzity obnovy
5
Typy buněčných populací
expandující,
neopouštějí populaci,
množí se
TYPY PROLIFERUJÍCÍ
stacionární
c. konstantní
Tranzitní populace, ve
které se buňky pomnoží
c. konstantní
populace coby zdroj
buněk pro jiné populace
c. konstantní
NÁDOR
BLASTY
KRVE
K. B.
stále ubývá typ průchozí (tranzitní)
c. konstantní
B.
C.N.S.
OOCYTY
metamyelocyty
k. d.
erytrocyty
granulocyty
TYPY NEPROLIFERUJÍCÍ
podle Gilberta a Lajthy (1965) 6
Buňky tzv. intenzívně proliferujících populací
(zejména buňky krvetvorné),
anebo
buňky nádorové
(leukemické, střevních epitelů, prostaty, etc.)
v celém organismu (in vivo) a in vitro:
7
BIOLOGICKÉ MODELY zvolené pro další výklad
Využití radiací utlumené krvetvorby
jako modelu
pro studium regenerace krvetvorných funkcí
Princip,
volba dávky,
volba druhu laboratorního zvířete (myš)
Metoda CFU-S
8
DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH POPULACÍ,
MOHOU BÝT TATO:
- Zachování rovnováhy mezi produkcí buněk (intenzitou proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí
apoptózou) je podmínkou pro zachování homeostázy na tkáňové úrovni.
- Proto změny v intenzitě proliferace, diferenciace a apoptózy po působení jakýchkoli podnětů,
jež mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele porušení této homeostázy.
- Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy mezi
produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou základem tzv.
proliferativních chorob (nádorových onemocnění), ale být i ukazatelem procesů vedoucích k
obnově porušené rovnováhy.
- Parametry, jimiž lze postihnout tyto tendence, by proto měly být předmětem zájmu nejen
teoreticky orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky škodlivých látek
vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky orientovaných laboratoří.
- Vysokou vypovídací hodnotu mohou mít tzv. „integrální ukazatele“ odpovědi systému jako
jsou např. hmotnost orgánů, počet buněk apod. a jejich změny v čas. Podávají prvotními
informaci o stavu systému, jeho směřování, a naznačují, jakým směrem orientovat další,
detailnější, výzkum.
9
Některá OBECNĚJŠÍ VÝCHODISKA,
treatment: ovlivňovaný systém parametry cytokinetiky:
VSTUPY
modelové systémy in vitro, buňky lišící se
růstovou „strategií“, pacient VÝSTUPY
„black box“
cytostatika,
ozařování, …
regulační
podněty, atd.
... „0“
proliferace
diferenciace
apoptóza
Jednoduché, snadno měřitelné
„integrální ukazatele“
10
Jestliže dojde k celotělovému vystavení ionizujícímu záření, dochází k rozvoji tzv.
RADIAČNÍHO SYNDROMU provázeného devastujícími účinky na organismus
(Nevada, USA)Dobový kontext
od 40.- 80. léta 20. stol.
Radiobilogický výzkum
především pro vojenské účely.
Důsledky:
Utlumení a poškození krvetvorby
(intenzívně proliferujících populací)
imunitních funkcí a celého organismu.
Vznik nádorů včetně leukémií atd. ,smrt.
Porušení rovnováh na úrovni
buněk, tkání, organismu
11
Model radiací utlumené krvetvorby
Formy nemoci z ozáření (myš)
Viz. výše včetně C.N.S.100 GyCentrálně nervová
Epitely, zejména střeva5 -10 GyStřevní
Kmenové buňky K.D.0.1- 6 GyDřeňová (má smysl 1)
Hlavní oblasti postiženíDávkaForma nemoci z ozáření
1) zvládnutí této formy (u myši do 6-10ti Gy) rozhoduje o přežití organismu
Pozitiva:
1) výsledky uplatnitelné v radioterapii nádorů
2) objev kmenové buňky krvetvorby
3) radiací utlumená krvetvorba – model pro studium regeneračních
schopností krvetvorby a celého savčího organismu viz níže:
Průběh nemoci závisí zejména
1) na dávce ozáření
2) na druhu a celkové „kondici“ organismu.
Po ozáření (cca 8 Gy) dojde k vyhlazení krvetvorných buněk. Po transplantaci
syngenních kmenových buněk kostní dřeně ze zdravých jedinců ozářeným zvířatům lze
sledovat úpravné procesy po rozličných typech ovlivnění a studovat, které faktory
rozhodují o výsledném efektu.
12
Cíl: Obnovení dynamické rovnováhy
13
Rovnováha
Výsledek působení mnohočetných zpětných vazeb
Homeostáza
(relativní stálost vnitřního prostředí)
14
Zachování rovnováhy je výsledkem působení protichůdných tendencí
15
REGULACE „NORMÁLNÍHO“ RŮSTU
1A Schematické znázornění stimulace a inhibice růstu specifickými a nespecifickými faktory. Převaha pozitivního nebo
negativního signálu rozhoduje o výsledné stimulaci nebo inhibiciů závisí na metaboluické a růstové aktivitě buněk, typu
buněk a dalších podmínkách - viz text. Specifické růstové účinky vnějšího prostředí buněk zahajují specifické růstové faktory
(specifické stimulátory) a specifické endogenní inhibitory (chalony). CSF-kolonie stimulující faktor, EGF-epidermální růstový
faktor, FGF-fibroblastový růstový faktor, NGF-nervový růstový faktor, MSA-multiplikaci sti-mulující aktivita,
cAMP-cyklický 3´5 -guanosinmonofosfát, BSC-1, BHK-1, MCIF, FGRF-specifické inhibitory daných buněčných linií.
STIMULACE
INHIBICE
Startovací inhibitorová síla
(odpověď vše nebo nic)
R
Ů
S
T
Mono-
Oligo-
Poly-
Nesspecifické
faktory
kumulace katabolitů
vyčerpání živin
transmem.pot. Em -70 až -90 mV
limitní konc. Na+/K+, Ca2+, Mg2+
snížení cGMP~10-8-10-12 mol.l-1
intracel.
zvýšení cAMP 10-2-10-5 mol.l-1 extr.
katabolické steroidy
interferon
katecholaminy, adrenalin
některé mitostat. hormony ACTH
některé prostaglandiny
inh. myeloidní leukémie
inh. epid. karcinomu, ascitu
inh. lymfomu, melanomu
epidermální, intestinální inh.
FGRF, MCIF inh. Atd.
BSC-1, BHK-1 inh
spec. inhibitory-chalony
spec. endogenní inhibitory
spec. intracel. stim. proteiny
spec. růstové faktory
růstové proteiny, kondic.média
poietiny, CSF
lektiny (A, conc. A)
somatomediny
některé prostaglandiny
EGF, FGF, NGF, MSA atd.
některé hormony - mitogenní
inzulín, serotonín
hydrokortizon, noradrenalin
anabolické steroidy
zvýšení cGMP 10-3-10-6mol.l-1 extr.
snížení cAMP pod 10-8 mol.l-1 i.c.
dodání Ca2+ nad 1,8 mV
transmem. pot. Em -10 až -70 mV
proteázy, trypsinizace
dodání živin
odstránění katabolitů
Mono-
Oligo-
Poly-
Nesspecifické
faktory
Startovací stimulátorová síla
(odpověď vše nebo nic)
Regulace a inhibice
růstu normálních a
nádorových buněk,
Fremuth F., SPN,
Praha, 1986
16
Cíl: Dosažení dynamické rovnováhy
17
Úroveň buněčných populací
18
pojem „CYTOKINETIKA“
Dynamické změny
na úrovni buněčných populací
19
Rovnovážné vs. nerovnovážné stavy
na úrovni buněčných populací
20
K čemu jsou tkáňově specifické
kmenové buňky obecně?
1) K zajištění homeostázy
2) K zajištění procesu hojení a regenerace
To je zprostředkováno řadou regulátorů
rozdílné specificity působících
v rámci systému zpětných vazeb
21
Polyklonální charakter kmenových buněk krvetvorby
Přirovnání kmenové buňky ke stromu
22
Schéma kvantitativního zastoupení různých prekurzorů
krevních buněk v krvetvorné tkáni (%) .
1 Podle Gregorové a Henkelmana (1977)
2 Podle MacVittieho a Provaznika (1978)
3 Nejsou odvozeny od CFU-S
Pluripotentní, prekurzorové a diferencované k. buňky
23
Časně působící růstové faktory, které maximalizují
schopnost obrany postiženého organismu
24
Zpětné vazby
Situace, kdy výstup nějakého systému ovlivňuje
zpětně jeho vstup.
Negativní a pozitivní vazby působí často v
systémech současně.
25
Pozitivní zpětná
vazba
26
Pokud zvýšení hodnoty, přiváděné z výstupu na vstup,
způsobí další zvýšení hodnoty na výstupu. Zesílen může být
jak stimulačně, tak inhibičně působící signál.
Ovulace (klasický příklad pozitivní zpětné vazby)
http://fblt.cz/skripta/xi-regulacni-mechanismy-1-endokrinni-regulace/2-obecne-principy-endokrinni-regulace/
Luteinizační hormon LH
gonadotropů adenohypofýzy
stimuluje produkci estrogenů v ováriích.
Ty opět stimulují produkci LH,
než je dosaženo kritické koncentrace,
která směřuje
k prasknutí folikulu a uvolnění oocytu
(kvalitativní změna systému).
+
+
+
27
Působení růstových a diferenciačních faktorů
Příklad zesílení signálu vedoucího ke zralým erytrocytům (RBC)
28
Progenitorové
erytroidní
kmenové
buky
BFU-E
Zvýšená
proliferace
za erytro-
poetického
stresu
CFU-E
EP
stimulace
Na obrázku je znázorněna
zvýšená proliferace při erytropoetickém
stresu, která může vést k značné
expanzi kompartmentu progenitorových
erytroidních kmenových buněk.
Citlivost k erytropoetinu (EP) se objevuje
až v pozdějších stadiích.
S využitím dat podle Schofielda a Lajthy (1977).
Citlivost na
erytropoetin
Signalizace indukovaná zpětnovazebnými signály
(reakce na nedostatek kyslíku, málo červených krvinek)
Regulace směřuje k optimu,
konstantnímu počtu buněk v krvi
(zapojení negativní zpětné vazby
na úrovni organismu)
Aktivace erytropoézy
(zahrnuje i pozitivní zpětnovazebnou složku)
odpověď při
nadbytku
kyslíku 29
Model humorálního řízení hematopoézy
BFU-E
CFU-C
Nejnezralejší buňky obsahují receptory citlivé k faktorům nezávislým na diferenciaci ( )
jednotlivých řad, jako je IL3. Při maturaci se postupně tyto receptory ztrácejí
a objevují se specifické receptory pro humorální faktory jednotlivých řad [pro erytropoetin ( )
a pro CSF ( ) ]. Podle Iscova (1978)
Kmenová
buňka
citlivé na erytropoetin
citlivé na CSF
citlivé na IL3
CFU-ER- IL 3
Zralý
erytrocyt
30
Klíčový význam cytokinů, růstových
faktorů a inhibitorů „růstu“ v regulaci
hematopoézy (cytokinetiky)
31
Nature Reviews | Immunology
Cytokiny/interleukiny ve střevních onemocněních a zánětu
(příklad síťového spolupůsobení):
Patologické procesy
32
+
G-CSF
++
GM
progenitor
zralý
granulocyt
GM
progenitor
zralý makrofág
zralý
granulocyt
zralý
granulocyt
myeloblast zralý
granulocyt
fagocytóza
superoxid
e
G-CSFG-CSFG-CSF
GM-CSF
M-CSF
IL-6
multi-
CSF
SCF
(a) (d)(c)(b)
Působení na granulopoézu (produkce granulocytů je závislé na stimulaci
odvislé od dostupnosti a koncentrace specifických regulátorů v prostředí).
(c) iniciace maturace
(d) stimulace
funkční aktivity
+
Cytokiny jsou polyfunkční – příklad zesílení signálu +
+
+
+
samostatně
(a) 33
G - granulocyty M - makrofágy
CFU - C
MG
CFU - C
MG
CFU - C
MG
CFU - C
(GM - CFC)
CSF CSF CSF
PGE2
CSF
CBA
inhi-
bitor
+
různé
koncentrace
CSF
zpětnovazebná
stimulace a inhibice
PGE
produkce
inhibitoru tvorby
CSF
Autoregulace uvnitř systému granulocytů - makrofágů
+ -
34
Dílčí závěr
Specifické regulátory „cytokinetiky“
- spolupůsobí v regulačních sítích
- v konkrétním prostoru (kompartmentu) a čase.
- Výsledný celkový efekt je závislý na jejich
dostupnosti a koncentraci.
- Charakteristická pro ně je vysoká účinnost
(působí už ve velmi malých koncentracích).
35
Attractor
„cílový“
pohyb
„Atraktorová koncepce“ pro popis buněčných stavů a rozdílné úrovně variability
Modelové přiblížení
chování složitých systémů
1 atraktor (malá mikroheterogenita)
2 atraktory (makroheterogenita)
36
Systémy, které vykazují deterministický chaos,
jsou v jistém smyslu složitě uspořádané.
Pozn.: V matematice a fyzice je význam termínu v jistém nesouladu
s obvyklým chápáním slova chaos jako totálního zmatku či nepořádku
(nezaměňovat).
Chaotický pohyb
Abychom mohli klasifikovat chování systému jako chaotické
musí být citlivý na počáteční podmínky.
Musí být dále topologicky tranzitní
jeho periodické orbity musí být husté
Jak lze postihnout zákonitosti „deterministického chaosu“?
37
Vizualizace chaotického pohybu
Jedním ze způsobů vizualizace chaotického pohybu,
nebo libovolného typu pohybu, je vytvoření
fázového diagramu pohybu.
Jiný příklad
Lze vyjádřit např. pozicí kyvadla vůči jeho rychlosti.
Kyvadlo v klidu bude zobrazeno jako bod
a kyvadlo v periodickém pohybu
bude zobrazeno jako jednoduchá uzavřená křivka.
Když graf vytváří, uzavřenou křivku, křivka se nazývá orbita.
(orbity)
38
Lorenzův atraktor popisuje pohyb systému ve stavovém prostoru..
V matematice a fyzice se teorie chaosu zabývá chováním
určitých nelineárních dynamických systémů, které
(za jistých podmínek) vykazují jev známý jako deterministický chaos
nejvýznamněji charakterizovaný citlivostí na počáteční podmínky
(viz dále motýlí efekt).
Malá změna v počátečních podmínkách vede po čase k závažným
důsledkům.
Díky této citlivosti se chování těchto fyzikálních systémů,
vykazujících chaos, jeví jako náhodné, i když model systému je
deterministický v tom smyslu, že je dobře definovaný a neobsahuje
žádné náhodné parametry.
Příklady: atmosféra, solární systém,
tektonika zemských desek, turbulence tekutin,
ekonomie, vývoj populace atd..
„Atraktory“ a deterministický chaos
39
Citlivost k počátečním podmínkám
znamená, že dvě blízké trajektorie ve fázovém prostoru
se s rostoucím časem rozbíhají (exponenciálně).
Systém se chová identicky pouze tehdy, když jeho počáteční konfigurace
je úplně stejná. Již při malých diferencích toto neplatí.
Příkladem takové citlivosti je tzv. které ale v průběhu času
mohou vést až k tak dramatickým změnám, jako jsou tornáda.
Mávnutí křídel motýla zde představuje malou změnu
počátečních podmínek systému, která ale způsobí řetěz událostí
vedoucí k rozsáhlým důsledkům (viz tornádo),
Kdyby „motýl nemávnul svými křídly“, trajektorie systému by mohla být zcela
odlišná.
Efekt „motýlích křídel“
40
Většina stavových trajektorií (drah hmotného bodu)
se přibližuje a „obmotává“ nějakou obecnou limitu.
Systém končí ve stejném pohybu pro všechny počáteční stavy v oblasti okolo tohoto pohybu,
téměř jako by byl systém k tomuto pohybu (trajektorii fázového prostoru) přitahován (anglicky
'attracted').
Konečný výsledek s odvíjí od zastoupení jednotlivých komponent v systému.
Od určité kombinace dějů v systému se situace stává do té míry determinovanou,
že pro něj existuje pouze jediná možnost – dospět k „cílovému“, „konečnému stavu“ (např.
terminálně diferencovaným buňkám).
3D model
Attractor
„cílový“ pohyb
1 atraktor (malá miokroheterogenita)
2 oddělené atraktory
Vizualizace pro dva možné atraktory
Zpětnovazebná „determinace“ ve složitých systémech
CFU-E
Progenitorové
erytroidní
kmenové
buky
BFU-E
Zvýšená
proliferace
za erytro-
poetického
stresu
EP
stimulaceCitlivost na
erytropoetin
41
Efekty PUFAs a inhibitorů metabolismu AA
Význam rovnováhy
v přísunu prekurzorových PUFAs
a
v produkci jednotlivých jejich metabolitů
42
Vysoce nenasycené mastné kyseliny(VNMK = PUFAs),
kyselina arachidonová – (AA)
ARACHIDONOVÁ
KYSELINA
MEMBRÁNOVÉ FOSFOLIPIDY
INDOMETHACIN
DICLOPHENAC
MK - 886
NDGA ESC
5-LIPOXYGENÁZA
CYKLOOXYGENÁZY 12-LIPOXYGENÁZY
P450-MONOOXYGENÁZY
FLAP
Kyselina arachidonová: hlavní metabolické dráhy a možné způsoby ovlivnění
abbreviations:
ETYA = 5,8,11,14 -eicosatetraynoic acid
ESC = esculetin
NDGA = nordihydroguaiaretic acid
FLAP = 5-lipoxygenase activating protein
9-HE = 9-hydroxyellipticin
HETEs = hydroxyeicosatetraenoic acids
HPETEs = hydroperoxyeicosatetraenoic acids
EETs = epoxyeicosatrienoic acids
SKF525A = proadifen
SKF525A,
9-HE
ETYA
PROSTAGLANDINS
THROMBOXANES
PROSTACYCLINS
12-HETEs
12-HPETEs
LEUKOTRIENY
EETs
HETEs
DIOLS
(15-LIPOXYGENÁZA)
43
PRODUKTY
LIPOXYGENÁZ
(červeně)
CYKLOOXYGENÁZ
(modře)
VORE et al., J. Immunol. : 11,
435 - 442, 1989
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
1 3 10 30 100
%kontroly
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0,3 1 3 10 30
koncentrace (mM)
%kontroly
Ibuprofen
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
1 3 10 30 100
koncentrace (mM)
%kontroly
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0,3 1 3 10 30
koncentrace (mM)
%kontroly
koncentrace (mM)
NDGA
Esculetin Indomethacin
44
Koncentračně závislé změny produkce eikosanoidů po působení
vybraných inhibitorů jejich biosyntézy u myší
Význam rovnováhy
v přísunu prekursorových PUFAs
a
v produkci jednotlivých jejich metabolitů
45
P450
?
EETs
HETEs
dioly
12-LIPOXYGENÁZA
(15 - LIPOXYGENÁZA)
PROSTAGLANDINY
TROMBOXANY
PROSTACYKLINY
LEUKOTRIENY
12 HPETs
12 HETEsCYKLOOXYGENÁZY
?ARACHIDONOVÁ
KYSELINA
MEMBRÁNOVÉ FOSFOLIPIDY
?
5 - LIPOXYGENÁZA
FLAP
ESC
MK-886
46
zvýšení hodnoty,
přiváděné z výstupu na vstup,
způsobí
snížení hodnoty na výstupu,
Negativní zpětná vazba
47
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)
+Negativní zpětná vazba
Reakce
na vychýlení
Výstup
systému
Žádaná
hodnota
Akční
veličina
Regulační
odchylka
-
!!!
(rozdíl)
(rozdíl)
(rozdíl oproti
Žádané hodnotě)
48
Negativní zpětná vazba
na systémové úrovni
(tkáně a organismus)
Zpětné vazby
49
Zpětné vazby:
Působení na vyšších úrovních
organizace systémů
50
Využití předchozích poznatků
51
Fosfolipidový metabolismus
a působení ionizujícího záření
(škodlivých faktorů
životního prostředí)
(EIKOSANOIDY) Zánět, karcinogeneze
KOMPLEXNÍ ODPOVĚĎ
52
Eikosanoidy po ozáření
R
PLCAC
G
R
G
PKC
PLA2
ATP cAMP PI
IP3
DAG
R
G
… receptor
… G-protein
arachidonová k. (AA)
prostaglandiny
(PGs)
Leukotrieneny
(LTs)
Působení eikosanoidů v hematopoetickém systému
se zapojením fosfolipidových metabolitů
V hematopoéze mají Leukotrieny pozitivní (+)
a Prostaglandiny řady E negativní (-) vliv
na proliferaci.
53
Aplikace NDGA „protektivním režimu“
Dávkově závislé účinky
na regeneraci ESC a GM-CFC
Inhibitor NDGA aplikovaný
v protektivním režimu (před
gama ozářením) inhibuje
v uvedených koncentracích
produkci Prostaglandinů (PG).
To se projeví zlepšenou
úpravu kmenových (ESC)
i progenitorových (GM-CFC)
buněk krvetvorby po ozáření.
Efekt je závislý na
koncentraci NDGA.
54
Příklad aplikace
inhibitorů
metabolismu AA v
terapeutickém
režimu
Závěr: Inhibičními zásahy do metabolismu AA (v protektivním i terapeutickém režimu
aplikace), lze modulovat regeneraci kmenových buněk krvetvorby po ozáření.
V použitých koncentracích a pokusných uspořádáních inhibitory biosyntézy PG (NDGA a Indomethacin - INDO)
reganaraci posilují, inhibitory leukotrienů (ESCUL) zhoršují. 55
Inhibitory
cyklooxygenáz stimulují (+)
a lipoxygenáz inhibují (-)
granulopoézu
i
lymfopoézu
Dynamika odpovědi (úpravy) v periferní krvi
Stav kmenových krvetvorných populací
se odrazí i na úrovni diferencovaných
krvetvorných kompartmentů (v periferii).
Inhibice produkce PGs vede ke zlepšené
úpravě lymfopoézy i granulopézy a navozuje
tak příznivější podmínky regeneraci celého
organismu po ozáření (mj. i díky zlepšené
funkci regenerovaného imunitního systému).
Inhibice leukotrienů vede k opačnému efektu.
56
Efekty inhibitorů metabolismu eikosanoidů mohou být vysvětleny zásahy
do biosyntézy eikosanoidů a jejich regulačními účinky na krvetvorbu.
Radiorezistence
kmenových (ESC) a prekurzorových
(GM-CFC)
buněk není oblivněna !!!
ani po aplikaci Indomethacinu( )
ani po aplikaci Esculetinu ( ) ve
Srovnání s kontrolami ( ).
Pozn.: sklon přímek se nemění. Kdyby
látky působily radioprotektivně, došlo by
ve srovnání s kontrolami k navýšení
počtu přežívajících buněk u pokusných
zvířat i po vyšších dávkách záření a tím
ke změně sklonu přímek (odklon od
kontrolních skupin směrem nahoru po
vyšších dávkách ozáření).
Dílčí shrnutí
(MOŽNÉ MECHANISMY)
57
Mechanismus působení vybraných regulátorů na proliferaci
buněk hematopoézy se zdůrazněním úlohy prostaglandinů (PGs)
Fáze b. cyklus
e.g. G protein,
kinase
PGE2Phorbol esters CSF-1 GM - CSF
IL- 3
cAMP
PKC
PKC
CSF-1R
(c- fms)
GM - CSF R
IL- 3R
tyr-P
EFFECTOR
RESPONSE
PKA
DNA syntéza
G0 G1 S
?
-
adenylát
cyklasa
+
58
Za normálních podmínek
působí PGs na dělení
buněk krvetvorby
inhibičně
Fáze buněčného
cyklu
e.g. G protein,
kináza
PGE2„Phorbol esters“ CSF-1 GM - CSF
cAMP
PKC
PKC
CSF-1R
(c- fms)
GM - CSF R
IL- 3R
tyr-P
EFFEKTOR
ODPOVĚĎ
PKA
DNA syntéza
G0 G1 S
?
-
adenylát
cykláza
+
+
Indomethacin
dělení kmenových
buněk (repopulace)
Odstranění negativního účinku PGE-2 na proliferaci
kmenových buněk krvetvorby podáním indomethacinu
IL- 3
59
Hlavní osy biosyntézy
eikosanoidů.
Metabolity hlavních směrů
přeměny jsou barevně odlišeny:
COX (fialově),
5-LOX (oranžově),
15-LOX (zeleně),
12-LOX (žlutě),
CYP epoxygenázy (červeně),
CYP ω-hydroxylázy (modře),
nenzymatická oxidace (šedě)
From: J. Lipid Res. 2009 June; 50 (6): 1015-1038.
60
Schéma hlavních směrů biosyntézy eikosanoidů.
J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015–1038.
Změny genomických a lipidomických
parametrů odrážejících biosyntézu eikosanoidů
u makrofágů RAW264.7 jako odpověď na stimulaci
po podání Kdo2-Lipid A.
Pozn.: Pokud nedojde k celkové destrukci organismu,
dochází do ozáření k okamžité a intenzívní
aktivaci buněk imunitního systému v závislosti
na dávce záření.
Obdobná situace nastává po stimulaci makrofágů
jinými podněty (zde linie in vitro po stimulaci
Kdo2-Lipid A – viz obrázek vlevo).
Zvýšená intenzita červené barvy indikuje zvýšené hladiny,
zvýšená intenzita zelené barvy indikuje snížené hladiny
eikosanoidů.
(šedá barva - nezměněno)
Po stimulaci tedy u makrofágů dochází ke značné
nadprodukci prostaglandinů (PGs) (s negativními
účinky na krvetvorbu) a nedostatečné produkci
leukotrienů (LTs), které mají „normálně“ na krvetvorbu
stimulační efekt. Tím je nerovnováha na úrovni regulace
leukopoézy značně umocněna.
Jednou z možných cest, vedoucích k úpravě, je
omezení zvýšeného negativního působení
PGE s využitím inhibitorů jejich biosyntézy.
Tyto výsledky in vitro doplňují a potvrzují předchozí
závěry učiněné na základě studií na úrovni in vivo.
Výsledky in vitro doplňující předchozí závěry
61
K zamyšlení
Co je to homeostáza?
Jak mohou metabolické procesy aktivně ovlivňovat buněčnou proliferaci
a diferenciaci buněk?
Vysvětlit princip a význam negativní a pozitivní zpětné vazby pro
buněčné funkce?
Nakreslit obecné schéma negativní zpětné vazby s upřesněním
jednotlivých komponent (složek). Objasni a) její obecné důsledky b)
význam pro rovnováhu na úrovni buněčných populací c) význam pro
rovnováhu vyšších úrovních organizace biologických systémů.
Dovedeš objasnit podstatu zpětnovazebné „determinace“ ve složitých
systémech na základě „atraktorové“ koncepce?
Objasnit význam biosyntézy mastných kyselin a eikosanoidů pro
zdraví organismu a terapii některých onemocnění?
Uvést příklady spolupůsobení látek různé chemické povahy?
62
Dovedeš popsat a vysvětlit
Děkuji za pozornost
63