Biochemie pojivové tkáně

Pojivová tkáň Všudypřítomná, univerzální Široká škála strukturálních prvků Široká škála funkcí –strukturální - mechanická a podpůrná funkce –látkové rezervy organismu (tuková tkáň) –udržování stálé koncentrace iontů a vody –nutriční podpora – volná difúze živin a metabolitů, zprostředkování výměny plynů pro buňky ostatních tkání –obranné reakce –regenerační potenciál i pro jiné tkáně

Složení Buňky pojivové tkáně Fibroblasty Adipocyty Fixní makrofágy Žírné buňky Lymfocyty Pigmentové buňky Jiné buňky Vlákna Kolagenní Retikulární Elastická Amorfní složka Proteoglykany (GAG) Glykloproteiny

Buňky pojivové tkáně Fibroblasty - v pojivu nejčastější rezidentní buňky. Zodpovědné za normální vývoj a hojení. Fibroblasty z různých pojivových tkání vykazují značně odlišné genové exprese – řízeno odlišným uspořádáním diferencovaných tkání. –odpočívající fibroblasty si uchovávají schopnost být aktivní – hojení ran. Kolagen hlavní protein nové ECM. Úzce příbuzné buňky – chondroblasty, osteoblasty Makrofágy (histiocyty) - vytváří mononukleární fagocytární systém, z prekurzorových buněk kostní dřeně, funkce: fagocytóza cizorodých částic a mikroorganismů Žírné buňky – na povrchu receptor IgE – alergická reakce Plasmatické buňky - tvorba protilátek – nutný kontakt s makrofágy Leukocyty - časté ve vazivu, vcestují stěnami kapilár a venul z krve.

Typy pojivové tkáně „Pravá" pojivová tkáň – obecná forma se všemi základními komponentami (buňky, vlákna). Rosolovitá (amorfní) pojivová tkáň - základní výplňová hmota se všemi prvky pojiva. Složení – hlavně voda, cesta komunikace a transportu (difúzí) látek mezi buňkami –voda je stabilizována komplexními glykosaminoglykany (GAG), proteoglykany a glykoproteiny. „Specializovaná" pojivová tkáň – velmi diferencovaná forma pojiva s danou lokalizací (mnoho společných znaků) – vazivo, chrupavka, kost, lymfoidní tkáň, krev.

Typy pojivové tkáně Hustá/řídká pojivová tkáň – závisí na množství vláken. Hustá pojivová tkáň – vysoká hustota extracelulárních vláken, malé množství amorfní hmoty a buněk –husté kolagenní pojivo – šlachy, vazy, orgánové pochvy (hlavní prioritou je pevnost) –husté elastické pojivo (hlavní prioritou je elasticita) – stěna aorty, ligamentum flavum páteře Řídká (areolární) kolagenní pojivová tkáň – postrádá masivní vláknitou výztuž, která charakterizuje husté pojivové tkáně. Relativně velké množství amorfní hmoty, buněk nebo obojího (tukové vazivo, lymfatická tkáň).

Řídká pojivová tkáň Nejrozšířenější typ –vyplňuje prostory mezi svalovými vlákny a fasciemi, –zpevňuje epitelové tkáně, –serózní blány dutiny břišní a hrudní, –zpevňuje podkoží, –výplň mezi mnoha orgány, –obklopuje cévy. Vlákna všemi směry tvoří řídkou síť, převládají vlákna kolagenu typu III, méně elastinu

Tukové vazivo Jedno z nejrozšířenějších - buňky adipocyty se vyznačují velkými tukovými kapénkami, redukovaná cytoplasma do tenké vrstvičky energetická zásobárna, termoizolace (izolační vrstva pod kůži), mechanická ochrana určitých orgánů bílá tuková tkáň - unilokuolární hnědá tuková tkáň - multilokuolární

Hustá, fibrilární pojivová tkáň Převaha vláken, malé množství buněk – fibrilární kolagenní pojivová tkáň. Vlákna jsou organizována do pravidelných, paralelních struktur. Fibroblasty – uspořádání do pravidelných řad mezi vlákny.

Kolagen

Odbourávání extracelulární matrix Matrixové metaloproteinasy (MMPs, matrixiny) - Zn- dependentní endopeptidasy, proteolytická aktivita zaměřena především na ECM a bazální membrány. Přestavba a odbourávání ECM za fyziologických i patologických podmínek. –embryogeneze, morfogeneze, angiogeneze, hojení ran atd. –artritida, kardiovaskulární onemocnění, nádorová onemocnění Široká substrátová specifičnost - tkáně obratlovců, bezobratlých i rostlin.

Matrixové metaloproteinasy (MMPs) Podle substrátové specifičnosti, primární struktury a buněčné lokalizace – rozdělení do pěti základních skupin: kolagenasy, gelatinasy, stromelysiny, matrilysiny a membránově vázané matrixové metaloproteinasy (MT- MMPs). Některé z MMPs nespadají ani do jedné kategorie – makrofágová elastasa (MMP-12), nebo enamelysin (MMP-20).

Regulace MMPs Odbourávání ECM je za fyziologických přísně regulovaný proces podmínek –nedostatečné odbourání ECM může inhibovat normální buněčnou migraci, –nadměrné odbourávání může zabránit buňkám adherovat k ECM –může dojít k patologické destrukci pojivové tkáně. Všechny MMPs se aktivují extracelulárně, postupným proteolytickým štěpením (výjimka MT-MMPs, stromelysin-3 a epilysin, jsou aktivovány intracelulárně specifickou konvertasou) MMPs jsou inhibovány specifickými endogenními inhibitory – TIMPs, TIMP se váže do aktivního místo nekovalentní vazbou.

Intersticiální kolagenasa - štěpení monomer kolagenu mezi vazbou dvou aminokyselin - Gly 775–leucin/isoleucin 776. Odbourávání kolagenu

Proteoglykany

Odbourávání proteoglykanů Lysosomy - část uvolněných monosacharidů znovu použita pro syntézu glykokonjugátů. Endo- a exoglykosidasy - většinou odbourávání sacharidových jednotek při optimálním pH mezi 4.0 and 5.5. Endoglykosidasy – štěpí uvnitř dlouhého polysacharidového řetězce vnitřní glykosidové vazby  fragmenty  další štěpení exogykosidasami. Exoglykosidasy štěpí glykosidové vazby na redukujícím konci  terminální sacharidové jednotky. –rozpoznají jen jeden monosacharid (někdy dva) vázané anomerní vazbou Ztráta lysosomálních enzymů vede ke hromadění glykokonjugátů - dědičné poruchy degradace kyselých mukopolysacharidů – mukopolysacharidózy – „lysosomální onemocnění se střádáním“

Poruchy metabolismu mukopolysacharidů Mukopolysacharidóza VI (Maroteaux-Lamy syndrom) - deficit enzymu N-acetyl- galaktosamin 4-sulfatasy Mukopolysacharidózy - geneticky podmíněná velká skupina klinicky závažných a postupně progredujících multisystémových onemocnění. Postupné hromadění glykosaminoglykanů v buňkách  následné morfologické i funkčním změny tkání.

Normální a patologická reakce na poranění Poranění – narušení normální anatomické struktury a funkce Hojení – komplexní a dynamický proces  obnovení anatomické kontinuity a funkce. Čtyři základní reakce po zranění : Poranění Normální hojení Znovuustavení původní rovnováhy Regenerace Dokonalé obnovení Nadměrné hojení Fibróza a kontraktura Nedostatečné hojení Chronické vředy

Mechanismus hojení kožního poranění 1.Ukládání matrix pojiva 2.Kontrakce 3.Epitelizace Okamžitá první pomoc - uzavření jednoduché rány stehy, páskou, svorkami – pojivová tkáň se ukládá okamžitě (kolagen, proteoglykany, glykoproteiny) a tvorba nové ECM. Rána zůstává otevřená – hojení kontrakcí (komplexní interakce mezi kontraktilními fibroblasty - "myofibroblasty" a složkami ECM ).

Kaskáda hojení  okamžitě po zranění, jakmile se krevní destičky dostanou do kontaktu s obnaženým kolagenem Agregace destiček  uvolnění srážecích faktorů  ukládání fibrinové sítě Fibrinová síť – provizorní matrix, destičky uvolňují cytokiny, růstové faktory  zahájení procesu hojení Dva nejdůležitější faktory – PDGF a TGF-  PDGF  chemotaxe neutrofilů, makrofágů, hladkých svalových buněk a fibroblastů TGF-  – signál pro makrofágy  sekrece cytokinů (FGF, PDGF, TNF- , Il-1) a pro expresi kolagenu a kolagenas fibroblasty  rychlé ukládání nové ECM. Diegelmann R.F., EvansM.: Frontiers in Bioscience 9, , 2004

Fáze zánětu. Během 24 hod. – neutrofily vazba na endoteliální buňky okolních cév  diapedéza a migrace do oblasti rány. Odstranění cizorodého materiálu (bakterie, poškozená tkáň) fagocytózou. Žírné buňky  histamin, propustnější stěny cév (vazodilatace)  mononukleární buňky. Aktivace fixních tkáňových monocytů (48 hod. po poranění) přeměna na tkáňové makrofágy, histiocyty. Tkáňové makrofágy - maximální zvýšení aktivity, fagocytóza, uvolňují PDGF a TGF-   přitahování fibroblastů, hladkých svalových buněk. Inhibice makrofágů zpomalí hojení rány! Diegelmann R.F., EvansM.: Frontiers in Bioscience 9, , 2004

Makrofágy - fagocytují odumřelé buňky, neutrofily s pohlcenými bakteriemi, poškozenou matrix, a ostatní pozůstatky. Fáze zánětu přechází ve fázi proliferace. TGF-  – tři účinky na ukládání ECM: –zvýší se transkripce genů pro syntézu kolagenu, proteoglykanů a fibronektinu. –sníží s uvolňování proteas –stimuluje expresi inhibitorů proteas TIMPs Diegelmann R.F., EvansM.: Frontiers in Bioscience 9, , 2004

Převládající buněčný typ ve fázi proliferace – fibroblast. Fibroblasty se zachycují do provizorní fibrinové matrix  produkce kolagenu – typ III jako první (jemná retikulární vlákna), ten pak nahrazen type I. Kolagen typu I – převládající typ v jizvě. Proces epitelizace stimulován EGF (epithelial growth factor) a TGF  – produkují makrofágy, trombocyty a keratinocyty. Dokončení epitelového můstku, enzymy uvolňující vazbu strupu.

Mechanismus hojení kožního poranění Během hojení – energeticky náročné metabolické pochody zvýší nárok na spotřebu kyslíku. V mikroprostředí rány převládá nižší pH, nižší tlak kyslíku, zvýšená produkce laktátu  uvolnění faktorů stimulující angiogenezi a neovaskularizaci (VEGF – vasoactive endothelial growth factor, bFGF – basic fibroblast growth factor, TGF  které produkují epidermální buňky, fibroblasty, makrofágy a endoteliální buňky cév. Důležitá signalizační dráha – nízká tenze kyslíku  stimuluje expresi nukleárního transkripčního fakturu „hypoxia-induced factor“ (HIF) u endotelových cévních buněk. HIF – vazba na specifickou sekvenci DNA – regulace exprese VEGF  angiogeneze. Nové cévy v hojící se ráně  zvýší se pO 2  O 2 vazba na HIF, zablokuje se jeho aktivita, sníží se produkce VEGF.

Poškození Fáze hojení rány Uzavření 1420 ?? Hemostáze ZánětProliferacePřestavba Poškozené cévy kontrakce, nižší průtok krve Agregace destiček Krvácení Migrace leukocytů do tkáně, zánět Neutrofily - sekrece chemických baktericidních látek, usmrcení balterií Makofágy pohlcují a rozkládají cizorodý materál Maktofágy uvolňují látky stimulující angiognezi, růst kapilár a granulační proces. Fibroblasty v ráně proliferují a vylučují glycoproteiny a kolagen Epidermální buňky migrují z okraje rány Tvorba granulační tkáně z makrofágů, fibroblastů a nových kapilár Fibroblasty vylučují kolagen a rána se upevňuje Hojení, přestavba a reorganizace vláken Rána se stahuje, integrita tkáně se zvyšuje Epidermální buňky přerůstají pojivovou tkáň a rána se uzavírá

Nedostatečné hojení – chronický vřed Nehojící se kožní vředy (proleženiny) Exsudace (výpotek) - výstup tekutiny z dilatovaných cév v místě zánětlivé hyperemie (rozšířené cévy, vyšší permeabilita stěny) Přestup tekutiny bohaté na plasmatické bílkoviny do tkání (albuminy, globuliny, fibrinogen)  Zánětlivý edém Současně permeabilní stěny cév dovolí přestup buněk do tkání  Zánětlivý infiltrát Neutrofily – masivní infiltrace, produkce enzymů (MMP) – destrukce kolagenní matrix. Produkce elastas – odbourání faktorů hojení - PDGFa TGF  Chronický vřed - granulační tkáň vyzrává v novotvořené vazivo, postupně se nahrazuje jizvou.

Špatně hojící se diabetický vřed – snížená vaskulogeneze. Snížená produkce NO v důsledku málo aktivní NOS (aktivována VEGF)  snížená produkce EPC (endothelial progenitor cell) asi o 50% a u diabetických vředů je konc. SDF-1  stromal cell-derived factor 1-  snížen více než o 50%. SDF-1  - chemokin přitahující EPC na místo určení.

Kolagen a choroby pojiva Známo ~ 1100 mutací genů (COL1A1, COL1A2, COL 2A1, COL3A1, COL4A5, COL 7A1 a COL8A2). Většinou jednobodové mutace – záměna glycinu za AK s objemnějším postranním řetězcem – přerušení trojité šroubovice. Mutace v různých místech mají různý projev (fibrilární kolageny s nepřerušenou šroubovicí a kolageny nefibrilární). Další mutace - abnormální sestřih RNA, delece genů, inserce, duplikace, komplexní přeskupení.

Kolagen a choroby pojiva Ehlers-Danlosův syndrom – mutace v COL5A1 a COL5A2, porucha syntézy kolagenu V a mutace COL3A1 a porucha syntézy kolagenu III –jemná a křehká kůže Osteoartróza – COL11A1 a COL11A2 – kolagen XI Osteogenesis imperfecta (křehké kosti) - COL1A1 a COL1A2 porucha syntézy kolagenu I –porucha tvorby trojité šroubovice molekuly kolagenu –snadné odbourávání kolagenu –lámavost kostí Marfanův syndrom - mutace v genech pro fibrilin 1 a 2  multisystémové postižení, aneurysma aorty, srdeční selhání, hypermobilí klouby

Kolagen a choroby pojiva Fibróza – nadbytek kolagenu Fibrózu je možné definovat, jako náhradu normálních strukturálních složek tkáně za narušenou, nefunkční a nadměrně nahromaděnou jizevnatou tkáň – keloid (přerůstání jizvy, která zvětšuje svůj objem ) a hypertrofická jizva. Keloid - fibroblasty produkují 2 - 3x více kolagenu. V keloidu nekontrolovaná zvýšená produkce TGF-  absence myofibroblastů, kontraktilních buněk, velké množství žírných buněk, které produkují enzymy (MMP)  abnormální štěpy kolagenu stimulují syntézu kolagenu a fibroprodukci. Další choroby charakteristické zánětem s následnou fibrózou: cystická fibróza, Crohnova choroba, plicní fibróza, jaterní cirhóza, ateroskleróza, skleroderma

Zánětlivé autoimunitní choroby pojiva Revmatoidní artritida – systémové zánětlivé onemocnění, postihuje mnoho tkání a orgánů, ale hlavně postihuje synovium kloubů. –proces zahrnuje zánětlivou reakci kapsule kolem kloubů (synovia), sekundární otok synoviálních buněk, nadměrné množství synoviální tekutiny a produkce vazivové (fibrotické) tkáně (pannu) v synovii. –destrukce kloubní chrupavky, ankylóza (ztuhnutí) kloubu. Skleroderma – systémové autoimunitní onemocnění primárně postihující kůži. Lupus erythematosus - poškozením mnoha orgánů a tkání - postižení kůže, na obličeji vzniká klasický motýlovitý erytém. Sjögrenův syndrom – postiženy exokrinní žlázy – slinné, slzné

Poškození kůže UV zářením Hlavní akutní účinky UV záření na normální lidskou kůži - úpalem vyvolaný zánět (zarudnutí), lokální nebo systémová imunosuprese. Na molekulární úrovni – excitace chromoforu (melaninu) a produkce reaktivních forem kyslíku (ROS - reactive oxygen species), poškození DNA. Melanin – absorpce UV-A ( nm) i UV-B ( nm) UV-A vyvolá opálení a nepřímé poškození DNA. Excitovaný chromofor * ( UV-A chromofor ) + 3 O 2 ( tripletní stav )  chromofor + 1 O 2 ( singletový kyslík ) 1 O 2 + intaktní DNA  3 O 2 + poškozená DNA

Poškození kůže UV zářením Poškození UV-A je nepřímé, bezbolestné a nemá žádné další varovné signály. Oxidační poškození ROS (např. hydroxylovým radikálem a singletovým kyslíkem): –ROS cestují po celém těle, ovlivňují i vnitřní orgány. –Z 92% způsobuje nepřímé poškození DNA maligní melanom UV-A způsobuje fotostárnutí kůže (poškození kolagenu a elastinu). –Solární elastóza – akumulace abnormálního elastinu v dermis, ve spojivce oka. Primární příčinou spálení a přímého poškození DNA je UV-B, poškozuje pouze epidermis –UV-B – produkce vitaminu D3 v kůži, melanocyty – konverze D3 na kalcitriol –Zvýšená expozice UV a nízká hladina kalcitriolu v kůži může podporovat vznik melanomu Dlouhodobá expozice UV-B vyvolává tvorba melaninu, ale i přímé poškození DNA  vznik karcinomu.

DNA je schopna převést 99,9% energie fotonu na teplo, ale 0,1% vytváří excitovaný stav  narušení v řetězci DNA Vznik cyklobutan pyrymidin dimeru a 6-4 pyrimidin-pyrimidon fotoproduktů (může být opraven nukleotidovou excizí – korekturní funkce DNA-polymerasy) Protein p53 – následně po poškození DNA aktivace transkripce genu p53  protein p53 aktivován fosforylací, zastaví buněčný cyklus v G1 fázi  oprava DNA Je-li poškození značné – p53 aktivuje apoptotickou dráhu.