Plíce a dýchací cesty - principy vývoje a organizace - transport plynů Jan Vondráček Struktura a stavba dýchacích cest a plic bronchioles nasal cavity nasopharynx oropharynx larynx trachea respiratory bronchioles alveolar ducts alveolar sacs diaphragm o horní a dolní cesty dýchací + plíce; ► základní funkce-výměna 02 a C02; o další funkce - zásobárna krve, výměna tepla, metabolická funkce, imunologická a mechanická obrana organismu; ■j —rr Členění dolních dýchacích cest Generation Diameter, cm Length, cm Number Total cross-sectional area, cm2 CD Ol o TD C O Ü .9 o .tí "!?! I« I— en Trachea Terminal bronchioles Respiratory bronchioles Alveolar ducts Alveolar sacs 1.80 12,0 1.22 4.8 0.83 1.9 0.56 0.8 8 0.45 1.3 16 0.35 I 0.06 1.07 \ 0.17 32 I 4 6 X 104 t 0.05 0.10 5 x 10s 0.04 0.05 8 X 106 2.54 2.33 2.13 2.00 2.48 3.11 I 180.0 I 10; 104 Source: Leľitzky MG: Pulmonary Pihyifj/ofly, Eignth Edition: www. accessdieaicine.com Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Struktura a stavba dýchacích cest a plic External environment High 02, low C02 Conducting airways Pulmonary artery o cd k_ či x LU co. 0 1 CL C Alveoli CO, O, r Pulmonary capillaries 1 Low 02 High C02 t Right ventricle f Right atrium Veins Low 02 High C02 High 02 Low C02 Pulmonary veins t Left atrium JLeft ventricle t Systemic capillaries High 02 Low C02 CO, o2 Metabolizing tissues Aorta Source: Levitzky HG: Pulmonal/ Physiology, Eighth Edition: ww « .»ccttsmeoicioe.com Copyright i ; \\ü l-'ciji^vi Hill Companys. Inc. All rrtjhK reserved. o prudušnice (trachea); í> průdušky (bronchi); í> průdušinky (bronchioli) o plieni váčky (alveolar sacs); » plieni sklípky (alveoli); + konduktivní zóna; přechodná a respirační zóna; Stavba plicního sklípku basa lamina type II alveola type I ■alveolar cell macrophage endothelia cells plieni sklípek (alveolus) - základní funkční jednotka pro výměnu plynů; í> každý sklípek je obklopen sítí kapilár; í> v každé plíci dospělého člověka je cca 150 až 250 miliónů sklípků; celková plocha cca 75 m2 - velikost tenisového kurtu; Přenos C02 a 02 mezi alveolem a krví - difúze přes respirační membránu - rozdílný parciální tlak a rozpustnost C02 a 02 Atmospheric air: CO, exhaled p0 =159 mmHg p4 = 0.3 mmHg Os inhaled Alveol k— " Deoxygenated blood: po£ = 40 mmHg pm - 45 mmHg To lungs To right atrium Alveolar air: Pulmonary capillaries a) External respiration pulmonary gas exchange (b) Internal respiration systemic gas exchange Systemic capillaries 105 mmHg = 40 mmHg i O. Systemic tissue cells: p0n = 40 mmHg pCÔ = 45 mmHg To tissue cells Oxygenated blood: pc =100 mmHg pco = 40 mmHg Epitel dýchacích cest a plic * zásadní roli ve stavbě, funkci i schopnosti regenerace dýchacích cest i plic hrají epiteliální buňky různého typu; Branch iolar epithelium Bronchoalveolar duct junction Nerve Proximal- Distal 0 /s\ lnep -xcx Basal aec1 Fibroblast Smooth muscle ^ Myofibroblast Development 2017, 144:986-99 Regenerace plic a dýchacích cest Capacity for self- r^ewa|/regenerat.on Intestine, herna topoiesis, hair follicle Lung, liver, pancreas Heart and brain •Constant renewal ■ Well-established stem/ progenitor relationships ■ Fairly quiescent in the adult • Can respond to injury with robust regeneration ■ Quiescent in the adult ■ Responds poorly, if at all, after injury ueveloi 502-514 plíce a epitel dýchacích cest nepředstavují tkáň, která je konstantně obnovována; ale!! - plieni epitel (tkáň) je schopen regenerace po poškození - infekce, nepřiměřená imunitní reakce, toxické látky, hyperoxie...; * odebrání části plic (cca 50%) - regenerační procesy, které sice neobnoví plíci jako takovou, ale umožní obnovení původní kapacity respiračního epitelu pro přenos plynů; Epitel průdušnice vícevrstevný epitel (pseudovrstevnatý) obsahující několik základních buněčných typů: ► řasinkové buňky (ciliated celis) - nejpočetnější buněčný typ - každá má na apikální straně cca 250 řasinek - zajišťují pohyb hlenu (odstraňování patogenů a nečistot), výdej vody do lumen dýchacích cest - zvlhčovaní sliznice a vzduchu; o pohárkové buňky (goblet celis, mucous celis) - podobné analogickým buňkám ve střevním epitelu - tvorba mucinu pro hlen dýchacích cest; kartáčové buňky (brush celis) - lem mikroklků; neuroendokrinní buňky; bazálni buňky (basal celis) -menové/progenitorové buňky Microvilli Secretory vesicles containing mucin Rough ER Golgi apparatus Nucleus Epitel prúdušnice Epitel průdušek a průdušinek s postupným větvením se epitel mění z vícevrstevného na jednoduchý epitel; c> další typy sekrečních buněk - Clarovy buňky (Clara cells, club cells), označované obecně jako sekreční buňky; Clarovy buňky (club cells) secretory vesicles Golgi apparatus Clara cell protein (CC16) junctional complex rER \ ,/■ _ f f *_M._ i ^ basal lamina buňky krychlového tvaru, bez řasinek, které nesekretují hlen; v dýchacích cestách člověk jsou primárně lokalizovány v terminálních průdušinkách, kde tvoří až 20% buněk; produkují CCSP (club cell secretory protein, secretoglobin 1a1 - SCGB1A1) - + další proteiny přispívající k ochraně dýchacích cest, funkce progenitorových buněk, biotransformace xenobiotik; Epitel průdušek a průdušinek HUMAN Bronchi and large airways Small airway MOUSE Terminal *^ bronchiole / Trachea Bronchiole Terminal bronchiole o> řada odlišností myš vs. člověk - včetně struktury plic! ► v průdušnici a průduškách jsou hlavními buněčnými typy bazálni, pohárkové a řasinkové buňky; u člověka se tyto buněčné typy vyskytují na všech úrovních dýchacích cest, ale jejich množství klesá tak jak se proximální průdušinky větví dále do terminálních průdušinek; c> u myši jsou kromě pohárkových buněk i v průdušnici jiné buněčné typy - serózní a Clarovy buňky, zatímco u člověka se vyskytují spíše v průdušinkách, spolu s neuroendokrinními buňkami; Epitel průdušek a průdušinek HUMAN Bronchi and large airways Small airway MOUSE Terminal *^ bronchiole / Trachea Bronchiole Terminal bronchiole u člověka jsou průdušinky v plicích (až do průměru 1 - 1.5 mm) -lemovány vícevrstevným epitelem obsahujícím řasinkové, sekreční a neuroedokrinní buňky - u myši je podobný vícevrstevný epitel lokalizován v průdušnici (průměr 1,5 mm), průduškách a prvních 2-3 generacích větvení průdušinek - tato část se bere jako model pro lidské dýchací cesty; Epitel plicních sklípků na přechodu průdušek a plicních váčku/sklípku - radikální změna epitelu - BADJ - jiný u myši i u člověka; o primární buněčné typy představují pneumocyty (alveolárni epiteliální buňky) typu I a pneumocyty typu II; * zajišťují výměnu plynů (pneumocyty I) a další funkce alveolárního epitelu (pneumocyty II); alveolárni makrofágy; kartáčové buňky; o plicní sklípky jsou oddělené septy - tenká vrstva vaziva, obklopující kapiláry; Bronchoalveolar duct junction Key o Club B Goblet 0 Ciliated I Neurc- \ p Blood f^) aec2 ^ A endocrine ^ ' vessel Pdgfra+ ÍXľgl Macrophage -^'-y LNEP Basal aec1 Fibroblast fibroblast Smooth muscle Q Myofibroblast Pneumocyty typu I tvoří cca 40% alveolárních epiteliálních buněk, ale pokrývají 95% povrchu plicních sklípků; extrémně ploché buňky - ve středu 4 - 6 jiM (jádro, několik cisteren endoplazmatického retikula, malý Golgiho aparát a malé mitochondrie cytoplazmatické výběžky - tloušťka 20 až 25 n M; jejich hlavní úlohou je usnadnit výměnu plynů; Type II Pneumocyte Pneumocyty typu II í> tvoří cca 60% alveolárních epiteliálních buněk, ale pokrývají jen 5% povrchu plicních sklípků; kubické buňky ► apikální cytoplasma je vyplněna speciálními granuly - lamelami tělíska; o> obsahují směs fosfolipidů a proteinů vytvářejících surfaktant; c> snižuje povrchové napětí a zabraňuje kolapsu plicních sklípků při výdechu; dipalmitoylfosphatidylcholin (DPPC) + proteiny surfaktantu (SP-A, B, C a D) - hrají roli jak v tvorbě surfaktantu, tak v imunitě; > progenitorové buňky epitelu plicních sklípků; lamellar bodies.^ / surfactant discharged into lumen of alveolus alveolar cell Buňky imunitního systému v plicních sklípcích alveolárni makrofágy; í> dendritické buňky; * T buňky; c> neutrofily - akutní nebo chronický zánět, kuřáci, silikóza apod.; pneumocyty typu II tedy hrají významnou roli i v regulaci imunitní odpovědí v plicích - jsou např. schopné produkovat řadu cytokinů, apod. Regenerace plic a dýchacích cest Capacity for self- Intestine, herna topoiesis, hair follicle •Constant renewal ■ Well-established stem/ progenitor relationships r^ewa|/regeneratj0r, Lung, liver, pancreas ■ Fairly quiescent in the adult • Can respond to injury with robust regeneration Heart and brain ■ Quiescent in the adult ■ Responds poorly, if at all, after injury podobně jako u jater je identita kmenových/progenitorových buněk v dýchacích cestách a plících známa jen částečně; jak probíhá regenerace poškozeného plicního epitelu? nápověda - vývoj plic - embryonální a postnatální; Vývoj plic myši p E9.0 E9.5 E12.5 Adult r*> ^ kS' f^>' <č> <é> ^> I I I iUj-A. Embryonic Pseudoglandular Canalicular Saccular stage stage stage stage -A-y-j Alveolarization stage Key □„ .., i—i „ jUl. . i—i Proximal airways i—iDistal airways NKX2.1L- BNkx2.1»* \J{Smr) n(Sox9Md2+) několik stádií: specifikace plicního endodermu (E9, odpovídá E28 u člověka) na přední straně předního střeva -vznik laryngotracheální výchlipky; embryonální fáze - výsledkem je vytvoření základu dýchacích cest a respirační zóny (hlavní roli zde hraje BMP a Wnt signalizace); větvící morfogeneze (branching morphogenesis) - FGF signalizace; Vývoj plic myši p E9.0 <4J E9.5 E12.5 Adult r*> ^ kS' f^>' <č> <é> ^> I I I 4- iUj-A. Embryonic Pseudoglandular Canalicular Saccular stage stage stage stage -A-y-j Alveolarization stage Key □„ .., i—i „ jUl. . i—i Proximal airways r—iDistal airways Nkx2.1^ BNkx2.1»* \J{Smr) n(Sox9Md2+) pseudoglandulární fáze - větvení až do terminál n ich bronchiol; kanalikulární fáze -dělení na respirační bronchioly dále na alveolárni kanálky; vznik pneumocytů typu I; fáze váčků - tvoří se primitivních plicních sklípků, které jsou již v kontaktu s kapilárami; alveolárni fáze - probíhá částečně i po narození tvorba finální struktury sklípků a kapilár-zahájení dýchání; Alveolárni fáze > > > AEC2 ® Cell Stem Cell 2014, 15:123 -138 alveolárni fáze - probíhá i po narození - významný nárůst počtu a celkového povrchu plicních sklípků (20 > 300 mil. plicních sklípků); tvoří se nová septa a probíhá intenzívní vaskularizace; do sept migrují různé typy stromálních buněk, hrajících podpůrnou roli v plicní tkáni (pericyty, myofibroblasty, lipofibroblasty) - mj. vytvářejí mechanické struktury důležité pro otevřených terminálních průdušinek, mechanické síly hrají důležitou roli ve vývoji i regeneraci plicních sklípků; do embryonálního vývoje plicního epitelu významně přispívá i mesoderm; Mesoderm - úloha ve vývoji plic vs. tvorba podpůrných buněk plicní mesoderm - parakrinní signalizace určující vývoj endodermu -Wnt2 a BMP4 - indukce transkripčního faktoru Nkx2.1 - plicní endoderm (ale hraje úlohu i v dospělosti - např. potlačuje vznik nádorů); FgflO - zásadní pro větvící morfogenezi; tvorba buněk mesenchymálního původu pro vynikající plíce - buňky hladké svaloviny, endoteliální buňky, pericyty, alveolárni fibroblasty, myofibroblasty, lipofibroblasty, apod. Příklad významu Wnt2/p-kateninové signalizace Hierarchie vývoje plicních buněk ve vyvíjejících se plicích vzniká postupně několik typů progenitorů; proximální progenitory - dávají vznik jak neuroendokrinním buňkám tak sekrečním (pohárkové) a řasinkovým buňkám dýchacích cest; distální progenitory - dávají vznik pneumocytům typu I a II; Regionální populace kmenových/progenitorových buněk udržují homeostázu a regeneraci plicní tkáně různé části dýchacích cest a plic obsahují rozdílné populace „adult stem celis ; tyto buňky jsou často diferencované - Clarovy buňky a pneumocyty typu II, které umožňují regeneraci epitelu terminálních průdušinek a plicních sklípků; * podobně jako v jaterní tkání zde pozorujeme fenomén dediferenciace - při specifických typech poškození plic diferencovaná buňka mění svůj fenotyp na buňku méně diferencovanou a proliferující - velká buněčná plasticita -výhodné pro regeneraci, ale zároveň se může negativně projevit při různých onemocněních, vč. nádorových; Některé populace kmenových a progenitorových buněk v dýchacím traktu SMG úucl Basal Cells o ■i1 NEB in Bronchioles Clara" (, /NlHVSa BAD J pro většinu epiteliálních buněk konduktivní zóny představují populaci progenitorových buněk bazální kmenové buňky; v průdušinkách jsou zdrojem regenerace Clarovy (sekreční) buňky; v plicních sklípcích představují populaci progenitorových buněk pneumocyty typu II; většina těchto poznatků pochází z myších modelů; Regenerace epitelu dýchacích cest HUMAN Normal Squamous metaplasia Mucus metaplasia fibroblasts ■smooth muscle vasculature nerve immune cells MOUSE Normal Repair after luminal cell loss Repair after basal cell loss Secretory cells de-differentiate * v regeneraci vícevrstevného epitelu hrají zásadní roli specifické kmenové buňky, pevně vázané na bazálni membránu - bazálni kmenové buňky - Trp63+/Krt5+; o mohou migrovat a napomáhat i regeneraci jednoduchého epitelu nebo pneumocytů? Regenerace epitelu dýchacích cest MOUSE BRONCHIOLES Neuroepitnelial body (NEB) I-1 Bronchoal^eolar duct junction {BADJ) Airway smooth muscle Fibroblast Immune tells "Pod" of Krt5+- TrpS3+ cells seen after severe damage by H1N1 i mfluenza virus PUTATIVE LINEAGES Club ceil Scgblal+ Scgb3a2+- Cyp2f2+ Self renews and generates ciliated cells over long term. Killed by napnihalene, At BADJ, gives rise to alveolar cells after bleomycin injury. 0 Club cell that is Scgbfal + Sftpc+-Putative BASC Survives naphthalene and proliferates iMeuroendociri ne cell Cgrp+-Self renews u neuroendokrinní buňky; o závisí na typu poškození Regenerace epitelu plicních sklípků ALVEOLAR REGION MOUSE LUNG ® m AEC2 S-ftpc- mature colls contain large lamellar bodies and express many g&ws related to surfactant production and secretkj*i [e.g. LysM). Population is likely rieierngen«jijs-Sftpc+ cells self renew over long term. AEC1 HopXr Pdpni AGERi Lineage tracing shows derivation posmataliy from Sftpc+ or Ly&3+ AECss. Trils differentiation Is enhanqesd in response to iijgry. Sogrjia1+ Club cells In 6 AD J proliferate and give rise 10 AEC2 and AEC1 after bleomycin ini -> -> -> pneumocyty typu II - regenerace epitelu plicních sklípků; klonální expanze a migrace do poškozených oblastí?; existence specifických progenitorů pro pneumocyty I a II??, Clarovy buňky; závisí na typu poškození - příklad regenerace po intratracheální aplikaci cytostatika (bleomycin) - nejen regenerace ale i potlačení fibrózy??; druhová specifita?? K zamyšlení plíce představují orgán, jehož funkce jsou do značné míry dány strukturou a složením specifických populací epiteilálních buněk, jejichž složení se liší v konduktivní a respirační zóně; o všechny základní buněčné typy plicního epitelu vznikají diferenciací proximálních (neuroendokrinní, pohárkové, řasinkové a sekreční buňky) a distálních progenitorů (pneumocyty I a II); o plíce mají značnou regenerační schopnost - umožní nejen obnovit činnost respiračního epitelu po ztrátě části orgánu, ale i obnovení struktury a funkce epitelu po působení chemických látek, infekčních agens; K zamyšlení schopnost regenerace je dána přítomností specifických kmenových/progenitorových buněčných populací v jednotlivých částech dolních dýchacích cest (bazální kmenové buňky, sekreční/Clarovy buňky a plicních sklípcích (pneumocyty II); o populace kmenových/progenitorových buněk představují diferencované buňky, které zároveň plní řadu dalších funkcí v dospělém orgánu (tvorba surfaktantu, CCSP, apod.); o epiteliální buňky plic vykazují velkou plasticitu, jsou schopné dediferenciace a zároveň není vyloučeno, že v plicích existují další populace buněk, které mohou být zdrojem regenerace (neuroendokrinní buňky, specifické progenitory v plicních sklípcích, na rozhraní bronchiol a plicních sklípků, apod.); K zamyšlení poznatky o vývoji a regeneraci plieni tkáně mají význam nejen pro pochopení mechanismů řídících vývoj a homeostázu tohoto důležitého orgánu, ale i pro pochopení principů poruch ventilace, dýchacích cest a onemocnění plic; + možné využití při tvorbě náhrad plicní tkáně, průdušnice apod.? - nedostatek orgánů pro transplantace, relativně nízká úspěšnost transplantací plic - 50%/5 let;