Patofyziológia červených a bielych krviniek Patofyziológia koagulácie Prof. MUDr. J. Hanáček, Csc Technická spolupráca: L. Šurinová, Ing. M. Vrabec

Hematopoetický systém predstavuje prírodou Motto: Hematopoetický systém predstavuje prírodou vytvorený najdiverzifikovanejší, najadaptabilnejší, najkoordinovanejší a najefektívnejší systém, ktorý zabezpečuje celý rad základných funkcií organizmu. Je to systém vybavený servokontrolnými mechanizmami, ktoré mu môžu závidieť aj inžinieri projektu Apollo. (James P. Isbister) Obr.1

Základné funkcie hematopoetického systému 1. Transportná funkcia - O2, živiny, proteíny, elektrolyty,hormony, metabolity 2. Obranný systém organizmu - homeostáza, fagocytóza, imunita špecifická a nešpecifická 3. Udržiavanie homeostázy - regulácia telovej teploty - homeostáza elektrolytov - hemostáza

A. Poruchy funkcie červených krviniek (ČK) I. Abnormality počtu ČK 1. Anémie 2. Polycytémie ANÉMIE Definícia: Pod pojmom anémia rozumieme zníženie počtu ČK, zníženie množstva hemoglobínu a hematokritu v jednotke objemu krvi pod normálne hodnoty Obr.2

Ad a) Príčiny vedúce ku  stratám ČK: Etiopatogenetická klasifikácia anémií: a) anémie spôsobené  stratou ČK b) anémie spôsobené  produkciou ČK alebo produkciou defektných ČK Ad a) Príčiny vedúce ku  stratám ČK:  krvácanie - akútne, chronické - z peptického vredu, z polypov hrubého čreva, rakoviny hrubého čreva, hemoroidov....  hemolýza - spôsobená defektom štruktúry ČK - spôsobená noxami prítomnými v krvi

 pri tvorbe defektného hemoglobínu = hemoglobinopatie, Defektné ČK sú vytvárané:  pri tvorbe defektného hemoglobínu = hemoglobinopatie, napr. kosáčikovitá anémia  pri porušenej syntéze globínu ako stavebnej časti hemoglobínu - napr. talasemia  pri porušenej štruktúre a funkcii membrány ČK - napr. hereditárna sférocytóza  pri deficiencii enzýmov normálne tvorených a prítomných v ČK

Ad b) Príčiny vedúce ku  tvorby ČK, resp. tvorbe zmenených ČK-dyserytropoéza  pri diseminovaných malígnych procesoch (rakovina prsníka, leukémia)  pri chronických chorobách - zápalového alebo infekčného charakteru, endokrinných chorobách  pri hypovitaminózach (avitaminózach) - B12, kys. listová, C vit.  pri nedostatku železa  pri zlyhaní funkcie kostnej drene

Poznámky k patogenéze niektorých anémií Aplastická anémia (AA) - kostná dreň netvorí dostatočný počet ČK Príčiny: multifaktoriálne ochorenie podmienené geneticky. – primárne existuje defekt v proliferácii hemopoetických buniek a následne vzniká imunitná reakcia proti ním Patofyziologické mechanizmy vedúce ku zlyhaniu kostnej drene u aplastickej anémie AA sa vyskytuje u viacerých chorôb, patofyziológia ktorých sa význame líši, napr. privírusových chorobách, po užívaní liekov, ale vyskytuje sa aj tzv. idiopatická aplázia (teda bez doteraz známej príčiny)

b) Je nepravdepodobné. že by inhibičný vplyv interleukínov  Niektorí pacienti s AA dobre reagujú na imunosupresívnu liečbu (zlepšenie funkcie kostnej drene) – v patogenéze AA zohráva určitú úlohu imunitná reakcia  Pacienti s AA tvoria nadmerné množstvá niektorých interleu- kínov, napr. interferon gama, interleukín 2, TNF. Tieto interleukíny sa podieľajú na vzniku niektorých,ale nie všetkých foriem AA tým, že inhibujú funkciu kostnej drene b) Je nepravdepodobné. že by inhibičný vplyv interleukínov na kostnú dreň bol jedinou príčinou jej aplázie  treba predpokladať, že hemopoetické bunky niektorých ľudí sú abnormálne citlivé na rôzne noxy a takúto zvýšenú citlivosť možno považovať za ďalší patogenetický faktor AA  Ukazuje sa, že cieľom, na ktorý je nasmerovaná imunitná reakcia je primárne zmenený hemopoetický systém

Aká je postupnosť patogenetických krokov pri vývoji AA? 1. geneticky podmienená (?) zmena hemopoetického aparátu  2. hypoproliferácia zmenených hemopoetických buniek  3. vznik imunitnej reakcie proti takto zmeneným bunkám a) ak je imunitná reakcia pacienta silná  "vymetenie" všetkých abnormálnych buniek z kostnej drene  vznik akútnej ťažkej aplázie b., ak je imunitná reakcia pacienta slabá  vzniká mierna chronická pancytopénia

ETIOLOGICKÁ KLASIFIKÁCIA APLASTICKÝCH ANÉMIÍ A. Priama toxicita 1. Iatrogénne príčiny a) ožiarenie b) chemoterapia 2. Benzén 3. Intermediárne metabolity niektorých bežných liekov

B. Imunitou podmienené aplastické anémie 1. Iatrogénne príčiny Transfúzne reakcie darca verzus príjemca 2. Eozinofilová fascitída 3. Aplastické anémie súvisiace s hepatitídami 4. Tehotenstvo 5. Intermediárne metabolity niektorých bežných liekov 6. Idiopatická aplastická anémia Podľa: F. Epsteina, N. Engl. J. Med., 1997

2. Sideroblastická anémia (SA) Ide o hypochrómnu anémiu spôsobenú neschopnosťou erytrocytov využiť železo pri syntéze hemoglobínu. Možné príčiny SA a) genetická porucha viazaná na x-chromozóm (u niektorých pacientov so SA) muži sú častejšie postihnutí ako ženy b) poškodenie mitochondrií môže vysvetliť mnoho prípadov získanej alebo familiárnej, na pohlavie neviazanej sideroblastickej anémie Výsledkom týchto porúch je sekvestrácia železitých komplexov v mitochondriách a transformácia erytroblastov na sideroblasty.

3. Perniciózna anémia (PA) - najčastejší typ megaloblastickej anémie spôsobenej deficitom vitamínu B12  Patogenéza PA - Základnou poruchou je defekt gastrickej sekrécie intrinsic faktora (IF), ktorý je nutný pre absorbciu vitamínu B12 - Vitamín B12 je potrebný pre zrenie jadra a syntézu DNA v ČK ● Možné mechanizmy zodpovedné za poruchu sekrécie IF: a) kongenitálne podmienený deficit IF b) atrofia sliznice žalúdka, napr. vplyvom chronického zápalu sliznice c) parciálna alebo totálna gastrektómia

Obr.3 - Vznik atrofie sliznice žalúdka môže byť výsledkom genetickej predispozície a určitých spúšťacích (provokujúcich) faktorov vonkajšieho prostredia, ktoré spolupôsobia s genetickou predispozíciou - V sére ľudí postihnutých PA boli zistené autoprotilátky proti parietálnym bunkám, IF a tkanivu štítnej žľazy. Uvedené patomechanizmy ovplyvňujú vývoj tak erytrocytov ako aj leukocytov v kostnej dreni (vývoj ich prekurzorov). Prekurzory krvných doštičiek sú ovplyvnené menej. Dôsledky pôsobenia patomechanizmov:   počtu a veľkosti všetkých vývojových štádií erytroidnejho radu v dreni, zníženie počtu Er v krvi  prítomnosť veľkých leukocytov s veľkými jadrami bizarných tvarov v periférnej krvi Obr.3

4. Posthemoragická anémia  Je to normocytárna, normochrómna anémia spôsobená náhlou stratou krvi u ľudí s normálnymi zásobami železa v organizme. Príčiny: krvácanie manifestné; krvácanie okultné Slabé prolongované krvácanie (okultné) vyúsťuje skôr do anémie z nedostatku Fe než do anémie posthemoragickeho typu.  Vývoj posthemoragickej anémie Krvácanie (0-24 h)  začína obnovovanie objemu stratenej krvnej plazmy a doplňovanie stratených ČK a) objem plazmy je doplňovaný tekutinou z tkanív a krvou z krvných rezervoárov (doplnenie aj časti ČK) b) akcelerácia hematopoézy   tvorba nových ČK v kostnej dreni Normálny počet ČK sa po krvácaní dosiahne obyčajne za 4-6 týždňov, ale obnova normálnych hodnôt Hb môže trvať 6-8 týždňov

5. Hemolytické anémie (HA) - Charakteristickým rysom HA je predčasná deštrukcia ČK pričom erytropoéza nemusí byť poškodená. - Príčinou zníženia koncentrácie Hb je abnormálne krátky "život" Er. Erytropoéza je akcelerovaná (kompenzácia  hemolýzy), ale napriek tomu tvorba Hb a Er nie sú postačujúce na to, aby nahradili straty. Príčiny a patogenetické mechanizmy HA – získané a vrodené a) Príčiny získaných hemolitických anémií  infekcie - bakteriálne (klostridia, vibrio cholerae, týfus) - protozoálne (malária, toxoplazmóza)  systémové choroby - lupus erytematosus  jedy - lieky, toxíny  choroby pečene a obličiek (urémia, hemodialýza)  abnormálne imunitné reakcie - transfúzna reakcia, hemolytická choroba novorodencov, autoimunitná hemolytická anémia

Základný mechanizmus – abnormality samotných ČK: b) Príčiny a mechanizmy vrodených HA Základný mechanizmus – abnormality samotných ČK: - defekty membrány - chýbanie glykolytických enzýmov - chýbanie niektorých metabolických enzýmov (napr. glukózo-6-fostáf dehydrogenázy) - poruchy syntézy alebo štruktúry globínu Kongenitálne HA sú prítomné už pri narodení dieťaťa, môžu byť dedičné, ale aj nededičné. Hemolýza vzniká u hemolytických anémií v cievach alebo lymfoidnom tkanive.

Základné patomechanizmy podieľajúce sa na vzniku a vývoji HA a) autoimunitný mechanizmus  autoimunitné hemolytické anémie (všetky sú získané):  anémia vyvolaná chladovými autoprotilátkami  anémia vyvolaná tepelnými autoprotilátkami  liekmi vyvolaná anémia  Choroba vyvolaná tepelnými protilátkami - je podmienená protilátkami typu IgG. Mechanizmus hemolýzy: protilátky IgG  ich väzba na Er pri 37 C aktivácia komplementu  intravaskulárna deštrukcia ČK  chronická anémia. Výskyt: u chronickej lymfatickej leukémie, tumorov lymfoidného tkaniva, systémového lupus erytematosus

 Choroba vyvolaná chladovými protilátkami - je podmienená rôznymi protilátkami typu IgM-špecifickými pre antigény ČK. Aký je mechanizmus hemolýzy: protilátky IgM  ich väzba na ČK pri teplote pod 31 C  aglutinácia ČK s naviazanými IgM protilátkami v cievach končatín – bolesť a deštrukcia tkanív. Keď sa ČK s naviazanými IgM protilátkami vrátia z periférie do centrálnej cirkulácie, kde je teplota okolo 37 C, potom môže dôjsť ku dvom situáciám:  protilátky sa z ČK uvoľnia  hemolýza nevznikne  protilátky sa z ČK neuvoľnia  hemolýza vznikne Možno povedať, že choroba vyvolaná chladovými protilátkami je viac podmienená obštrukciou ciev než hemolýzou. Výskyt: - komplikácia infekčnej mononukleózy, infekcie vyvolanej mykoplazmou pneumónie - pri lymfoidných malígnych nádoroch

b) iné patomechanizmy uplatňujúce sa pri vzniku HA  Liekmi vyvolaná hemolytická anémia Pri jej vzniku sa uplatňujú dva patomechanizmy:  imunitná reakcia proti lieku  vytváranie komplexov liek - protilátka  adherencia komplexu na ČK  hemolýza  väzba lieku alebo jeho metabolitu priamo na povrch ČK  vytváranie neoantigénu ( liek + povrchové antigény ČK )  väzba protilátok na neoantigén  hemolýza Pri oboch mechanizmoch je aktivovaný komplement, čo podporuje hemolýzu. b) iné patomechanizmy uplatňujúce sa pri vzniku HA - fyzikálna deštrukcia ČK (mechanickou energiou) - trauma, umelé srdcové chlopne, intenzívny a dlhý pochod (beh) - teplo a žiarenie  termálna hemolýza, hemolýza vyvolaná žiarením - hypofosfatémia  tvorba látok v Er potrebných pre ich existenciu a funkciu Obr.4

6. Anémia u chronických chorôb (ACHCH)  Vyskytuje sa u chronických infekčných chorôb, u chronických neinfekčných chorôb, u malígnych nádorových procesov  ACHCH je po anémii z nedostatku železa najčastejšie sa vyskytujúca anémia  ACHCH je anémia primárne podmienená zníženou tvorbou ČK, so zníženou tvorbou retikulocytov a je najčastejšie normochromná a normocytárna. 30-50 % pacientov s ACHCH môže mať ČK krvinky hypochrómne a zmenšené (mikrocyty)  pacienti s ACHCH majú  koncentráciu železa v sére, majú  väzobnú kapacitu pre železo a  saturáciu transferínu, a to pri normálnych zásobách železa v organizme

 Na vývoji ACHCH sa môžu podieľať tri patomechanizmy: a) zlyhanie erytropoézy b) porušený metabolizmus železa c) skrátenie dĺžky existencie ČK Ad a) Príčinou môžu byť cytokiníny vznikajúce pri chronických zápalových a nezápalových chorobách, napr. IL-1, TNF-alfa, interferon beta, transformujúci rastový faktor beta.Tieto cytokiníny majú inhibičný vplyv na erytropoézu a výsledkom ich vplyvu môže byť aj zníženie odpovede kostnej drene erytropoetin, ako to býva pri ACHCH.

Ad b) U ACHCH je nízka hladina železa v sére aj napriek adekvátnym zásobám Fe v RES. Patomechanizmus: cytokiníny blokujú uvoľňovanie Fe z RES  funkčná deficiencia železa  inhibícia erytropoézy Ad c) Na skrátení existencie života ČK sa môžu podieľať štyri mechanizmy: 1. z tumoru sa uvoľňujú látky spôsobujúce hemolýzu 2. tumor deštruuje ČK priamo v kostnej dreni 3. tumor stimuluje imunitný systém ku tvorbe protilátok proti ČK 4. ČK sú deštruované aktivovanými makrofágmi

7. Poznámky ku kosáčikovej anémii (KA)  KA je choroba, ktorá má hematogénnu a vazookluzívnu zložku Hlavnou poruchou pri KA je tvorba abnormálneho Hb- HbS. HbS má abnormálne molekulové vlastnosti, napr. HbS polymerizuje pri nízkom parciálnom tlaku 02 , čo spôsobuje vytváranie typickej formy Hb v tvare kosáka. HbS je nestabilný, čo je základom pre zmenu vlastností membrány ČK obsahujúcich HbS. HbS spôsobuje vaskulopatiu tým, že zmenené ČK sa viažu na endoteliálne bunky a poškodzujú ich. HbS sa ireverzibilne viaže na vnútornú dvojitú vrstvu membrány ČK, čím mení jej funkciu.  Výsledkom týchto zmien je teda vaskulopatia vedúca ku oklúzii ciev a hemolýza.

Obr.5 ,8  Patomechanizmy uplatňujúce sa pri kosáčikovitej anémii Poškodenie ciev spôsobuje ireverzibilné poškodenie radu orgánov (stratu funkcie sleziny, mozgový infarkt alebo intrakraniálne krvácanie, zlyhanie funkcie pľúc, chronickú renálnu insuficienciu, retinopatiu, vredy na končatinách, osteonekrózu)  Poškodenie orgánov pri kosáčikovitej anémii začína roky pred vznikom zrejmých klinických symptómov bez toho, že by toto poškodenie bolo signalizované bolesťou. Poškodenie orgánov progreduje a je ireverzibilné  Patomechanizmy uplatňujúce sa pri kosáčikovitej anémii - Oxygenovaný HbS má zvýšenú adhezivitu ku DNA endoteliálnych buniek  poškodenie DNA - HbS ireverzibilne viazaný na membránu ČK  ČK získavajú prokoagulačnú charakteristiku - Hypoxémia a hypoxia v obturovaných arteriolách  aktivácia endoteliálnych bb  indukovanie tvorby cytoadhezívnych a vazokonstrikčných peptidov (endotelín, EDGF) - HbS uvoľnený z ČK   uvoľňovanie relaxačného faktora z endotelu  podpora vazospazmu Obr.5 ,8

8. Talasémie Podstatou je prevaha určitých typov globínových reťazcov nad reťazcami iných typov a) prevaha alfa globínového reťazca u beta talasémie b) prevaha beta globínového reťazca u alfa talasémie  U beta talasémie je produkcia beta reťazca znížená  prevaha alfa reťazca.  U alfa talasémie je produkcia alfa reťazca znížená  prevaha beta reťazca. Talasémie – geneticky podmienené, rozšírené po celom svete, najväčší výskyt je v oblasti Stredozemného a Čierneho mora, v Ázii aj Afrike (možno preto, lebo nositelia tejto poruchy sú čiastočne chránení proti malárii).  Patomechanizmus zodpovedný za hemolýzu u talasémií Nadbytočný globínový reťazec precipituje v ČK  poškodenie membrány ČK  hemolýza  mikrocytárna hypochrómna anémia a hemosideróza. Hemosideróza vedie k poškodeniu: myokardu, pečene, beta buniek pankreasu, sleziny a lymfatických uzlín

B. Poruchy funkcie bielych krviniek 1) a) leukocytózy, lymfocytózy, plazmocytózy, monocytózy, b) leukopénie, lymfopénie, eozinopénie Leukocytózy: - zvýšený počet Le v periférnej krvi - neutrofilná, eozinofilná, bazofilná leukocytóza Klasifikácia: - reaktívne, nádorové - akútne a chronické Leukopénie: - znížený púčet Le v periférnej krvi (granulocytopénia) Klasifikácia: - útlmové, zvýšené straty Le, kvalitatívne zmeny Le

Molekulárne mechanizmy v patogenéze leukémií 2. Leukémie Molekulárne mechanizmy v patogenéze leukémií Gény, ktoré sa zúčastňujú na patogenéze malígneho procesu (teda aj leukémií) vedú k malignite dvoma všeobecnými mechanizmami: a) cez štrukturálnu zmenu normálneho génu (protoonkogénu)  vznik nového génu (onkogénu)  nový gén vedie ku tvorbe zmeneného proteínu  vplyv tohoto proteínu (proteínov) na bunky organizmu  indukcia abnormálnej proliferácie buniek alebo ich abnormálneho prežívania b) cez stratu inaktivačných génov, proteíny ktorých inhibujú vznik malignity (antionkogény)  Pri niektorych typoch leukémií sa vyskytuje porušenie určitej skupiny génov. Tieto leukemogénne gény sú väčšinou pôvodne normálne gény, ktoré boli zmenené mutáciou, fúziou s inými génmi a ich prestavbou.

 Aktivácia onkogénov a strata anti-onkogénov vedie k tomu, že: a) leukemické bunky získavajú proliferatívnu schopnosť b) strácajú normálnu diferenciačnú schopnosť a sú chránené pred skorým zánikom  Existencia určitého genetického defektu vedie ku familiárnej predispozícii ku rakovine, ale väčšina genetických defektov, ktoré zvyšujú pravdepodobnosť vzniku leukémie, je získaných a nie zdedených.  Rôzne typy ľudských leukémií sú podmienené: a) povahou onkogénov a antionkogénov, ktoré sa na poruche podieľajú b) úrovňou diferenciácie hematopoetických kmeňových buniek, na ktorej sa genetická porucha objavuje

 Niektoré onkogény sa vyskytujú u celého radu malignít, iné onkogény súvisia len so špecifickými typmi leukémií, napr.: a) Filadelfský chromozóm sa vyskytuje prakticky u všetkých foriem chronickej myeloidnej leukémie, asi u 5 % detských lymfoblastických leukémií a 20 % lymfoblastických leukémií dospelých b) náhodná fúzia génu c-abl s génom c-ber  porucha regulácie proliferácie bb  chronická myeloidná leukémia Fúzia uvedených génov je pravdepodobne primárny patogenetický mechanizmus vedúci ku chronickej myeloidnej leukémii.

 90 % AL u dospelých je myeloidných a ich incidencia vzrastá s vekom. Akútna myeloidná leukémia (AML) - ide o diseminovanú klonálnu proliferáciu nezrelých buniek, ktoré sa podobajú prekurzorom normálnych hematopoetických elementov - myeloidná  ide o postihnutie myeloidného tkaniva - akútna  vyjadruje skutočnosť, že prežívanie neliečených pacientov je krátke  90 % AL u dospelých je myeloidných a ich incidencia vzrastá s vekom.  Možné príčiny AML: - ionizačné žiarenie - chemoterapeutické látky (alkylované látky) - benzén - iné

Prejavy AML: Dôsledky:  viskozita krvi - cytopénia a výskyt blastov v periférnej krvi - neutropenická horúčka - anémia, trombocytopénia - hyperurikémia, hyperkalémia, hyperfosfatémia - počet blastov v periférnej krvi je viac ako 50.000/mm3  leukostáza (asi u 20 % pacientov) Dôsledky:  viskozita krvi  rigidita blastových buniek  riziko leukostatických  aglutinácia komplikácií  - krvácanie do mozgu - zlyhanie dýchania a obličiek

Podtypy AML a) akútna promyelocytárna leukémia - promyelocyty uvoľňujú prokoagulačné látky  diseminovaná intravaskulárna koagulácia (DIK)  hemoragia b) myelo-monocytárna - výskyt atypických eozinofilov v dreni c) monocytárna d) erytroleukémia - často sa vyvíja z myelodysplázie, niekedy z polycytemia vera alebo chronickej myeloidnej leukémie e) megakaryoblastická leukémia

Hyperkoagulačné procesy Hyperkoagulačné procesy - skupina pretrombotických klinických porúch charakterizovaná zvýšeným rizikom vzniku tromboembólie  Mechanizmy podieľajúce sa na vzniku hyperkoagulačných procesov a) koagulačný systém b) antikoagulačný systém - anti-trombín III, C-proteínový systém závislý na vitamíne K, inhibítory tkanivového faktora c) fibrinolytický systém

 Hlavným miestom interakcie koagulačných a antikoagulačných látok je pravdepodobne povrch cievnych endotélií - normálnou funkciou endotelu je zabrániť tvorbe trombu a tento proces je regulovaný celým radom faktorov viazaných na membránu endotelu: a) expresiou trombomodulínu b) proteoglykanmi obsahujúcimi heparan-sulfát  Porušená regulácia tejto endotelovej funkcie podstatne prispieva ku vývoju primárnych hyperkoagulačných stavov Obr.11

 Primárne hyperkoagulačné procesy 1. deficit anti-trombínu III 2. deficit C-proteínového a S-proteínového systému 3. poruchy tvorby plazminogénu 4. dysfibrinogenémie 5. homocystinémia

 Sekundárne hyperkoagulačné procesy - vznikajú ako dôsledok širokého spektra patologických procesov a chorôb - patologické procesy vedú ku aktivácii endotelu a jej výsledkom je zmena antitrombotickej funkcie endotelu na prozápalovú trombogenetickú funkciu 1. antifosfolipidový syndróm 2.  hladina plazmatického faktora VII a fibrinogénu 3. protirakovinové lieky Obr.12 Obr.13