Nespecifická reakce na „poškození“ na úrovni buňky, tkáně a organismu EVROPSKÝ SOCIÁLNÍ FOND Nespecifická reakce na „poškození“ na úrovni buňky, tkáně a organismu MUDr. Klára Bernášková, CSc. Ústav normální, patologické a klinické fyziologie PRAHA & EU INVESTUJEME DO VAŠÍ BUDOUCNOSTI

funkční stav živé buňky nebo organismu po vystavení stresorům a obranné reakce, které mají za cíl zachovat homeostázu a zabránit poškození nebo smrti = Stres

Mechanismy poškození buňky Hypoxie-ischemie Chemické substance (alkohol, léky, toxiny) Strukturální poškození (trauma) Změna osmolarity prostředí Zánět Infekce … Buněčný stres

Mechanismy poškození tkání Hypoxie-ischemie Chemické substance (alkohol, léky, toxiny) Strukturální poškození (trauma) Změna osmolarity prostředí Infekce…  Zánět

Mechanismy poškození organismu Hypoxie-ischemie Chemické substance (alkohol, léky, toxiny) Strukturální poškození (trauma) Hypovolémie, hypoglykémie Zánět Infekce…  Stresová reakce

Mechanismy poškození Každý poškozující podnět spouští kromě poškozujících mechanismů také mechanismy limitující rozsah poškození Určitá úroveň poškození navodí na nějakou dobu toleranci Pokud je podnět příliš silný, aktivuje mechanismy, které mohou být fatální

Poškození na úrovni buňky

Cerebral ischemia, while activating damaging processes, also triggers a coordinated response that attempts to counteract tissue damage. The reduction in blood flow produced by the arterial occlusion is opposed by an increase in blood pressure, by the production of vasoactive mediators in the ischemic brain and by the activation of eNOS, which increase perfusion pressure and reduce vascular resistance in collateral vessels supplying the ischemic territory. Hypoxia activates HIF1, leading to a transcriptional response that promotes oxygen and glucose delivery to the tissue. The energy deficit associated with ischemia is countered by suppression of protein synthesis and neuronal activity (spike arrest and channel closure), which reduce energy expenditures. Post-ischemic oxidative stress triggers an antioxidant response by means of the transcription factor Nrf2, while inhibitory neurotransmitters and glutamate transporters (GLT1, also known as excitatory amino acid transporter 2, EAAT2) counterbalance the excitotoxicity associated with glutamate receptor activation. The deleterious effects of post-ischemic apoptosis are antagonized by expression of antiapoptotic factors (Bcl2, IAP), heat shock proteins (HSP) and activation of the protective kinase Akt. Inflammation is mitigated by production of anti-inflammatory cytokines and neurotransmitters, as well as an influx of lymphocytes with anti-inflammatory properties (Treg and Breg cells). Systemic immunosuppression limits the development of adaptive and innate immune responses that may induce tissue damage. Ischemia is also associated with expression of CREB-dependent prosurvival genes, including growth factors, and with proliferation of neural and vascular progenitor cells that participate in tissue repair. These endogenous protective pathways limit the extent of ischemic brain injury, as shown by studies in which their inhibition enhances the damage (for example, refs. 10,14).   Stroke research at a crossroad: asking the brain for directions Costantino Iadecola, Josef Anrather, Nature Neuroscience,14, 1363–1368 (2011)

Screening approaches in focal cerebral ischemia reveal the upregulation as well as downregulation of hundreds of genes associated with either survival or cell death (Trendelenburg et al. (2002) J.Neurosci. 22, 5879-5888). Since neuroprotection is not as readily apparent as cell death, ischemia research has emphasized cytotoxic mechanisms (Dirnagl et al. (1999) Trends Neurosci. 22, 391-397. Recently, endogenous neuroprotective mechanisms have become center stage in stroke research, and ‘ischemic preconditioning’ (IP; or ‘ischemic tolerance’, IT) is widely used as an elegant experimental stragtegy to study such endogenous neuroprotection. Practically any stimulus capable of causing damage, when applied close to the threshold of damage, but below it, can protect the brain against subsequent ischemia. IP/IT is an archetypical, nonspecific stress response, which opens a window into endogenous neuroprotection. IP/IT can guide investigators to targets for acute therapy against the consequences of brain ischemia. In addition, IP/IT may be invoked clinically when cerebral ischemia can be anticipated. Recent studies found evidence for IP/IT in the human brain (Weih et al. (1999) Stroke 30, 1851-1854), and induction of IP/IT is already exploited clinically to protect the heart in interventional cardiology. First clinical stroke trials exploiting endogenous neuroprotectants revealed by IP/IT research have yielded promising results (Ehrenreich (2002) Mol Med. 8:495-505). Conclusion: It is probable that research on endogenous neuroprotection can guide investigators to targets for acute therapy against the consequences of brain ischemia that would have been very difficult to discern by intuition or deduction. While there are many unresolved issues at the bench, IP/IT strategies may soon enter the bedside in carefully planned clinical trials.

Mechanismy poškození buňky Každý podnět poškozující buňku spouští kromě poškozujících mechanismů také mechanismy limitující rozsah poškození Pokud tyto mechanismy buňku neochrání, způsobí její rychlou smrt (kvůli ochraně buněk v okolí) Pokud buňku ochrání, rozvíjí se tolerance

Tolerance Archetypální nespecifická reakce všech buněk Každý stimul, který vede k poškození buňky, tkáně nebo orgánu (ale nevyvolá smrt buněk) navozuje toleranci (preconditioning) k následujícímu podnětu

Příklad: Nedostatek kyslíku v buňce

Senzory nedostatku kyslíku Snížená aktivita metabolismu ATP → ADP → AMP  ↑ adenosin Změna konformace cytochromů Aktivace redox senzitivních enzymů (NADPH-áza) ↑ MAPK (mitogen activated proteinkináza) Stabilizace HIF 1 (Hypoxia induced factor 1) Zvýšení koncentrace kyslíkových radikálů

Poškození buňky ischemií - důsledky Nedostatek ATP z nedostatku oxidativní fosforylace ATP-ADP-AMP-adenosin snížená aktivita “sodíkové pumpy” prodloužená depolarizace izoosmotický přírůstek vody (buněčný otok) hromadění draslíku extracelulárně zvýšení IC koncentrace Ca2+

Poškození buňky ischemií - důsledky Aktivace anaerobní glykolýzy - snížení zásob glykogenu - hromadění laktátu Snížení IC pH Tvorba kyslíkových radikálů

Obecně ochrana Snížit nároky na energii Zvýšit efektivitu reakcí Zvýšit možnost získat ATP Připravit buňku na opakovaný inzult

Možnosti časné obrany buněk Adenosin – stimulace glykogenolýzy podporuje otevření K+ kanálů podporuje resyntézu ATP Zvyšuje prokrvení Delší depolarizace - neumožňuje aktivaci sodného kanálu a vznik nového akčního potenciálu Hyperpolarizace – stop aktivity v okolí (Nedostatek kyslíku nedovolí odbourávání GABA)

Navození tolerance 1 Navození stresové odpovědi buňky: tvorba „heat shock“ proteinů - odstraňování poškozených bílkovin - ochrana bílkovin před denaturací - prevence apoptózy

Navození tolerance 2 Produkce proteinů regulujících Efektivnější energetický metabolismus buňky (GLUT 1,2,3, laktát dehydrogenáza..) Prokrvení (iNO syntáza) Angiogenezi (VEGF) Neuroprotekci; metabolismus železa a krvetvorbu (EPO) Proliferaci buněk (IGF 1)

Navození tolerance 3 Aktivace zánětu IL6 zvyšuje expresi adenosinových receptorů TNF α ochrana endotelu a astrocytů před apoptózou

Důsledky poškození buňky Intenzita stimulu Bez Tolerance Apoptóza Nekróza Odpověď buňky

Apoptóza - Programovaná smrt buňky Geneticky zakódovaná Aktivní eliminace starých, těžce poškozených nebo nežádoucích buněk Autodigesce organel, pak fagocytóza zbytku buňky Není provázeno sekrecí žádných cytokinů, hormonů či jiných signalizačních substancí Cílem je eliminace buňky bez aktivace okolí

Nekróza Smrt buňky většinou v důsledku poškození (poranění) buněčné membrány Aktivace IC enzymů (hydrolázy, fosfolipázy, proteázy RNAázy, DNAázy …, které urychlí dezintegraci buňky Enzymy se dostávají do EC prostředí a poškozují okolí Tkáň reaguje vyvoláním zánětlivé reakce Rozvoj sekundárního poškození tkáně

Druhy tolerance Cross tolerance: navození tolerance podnětem jednoho druhu vzniká tolerance na různé škodlivé podněty Vzdálená tolerance: při poškození jedné části tkáně se rozvíjí tolerance i pro vzdálenější části Platí i pro jednotlivé orgány (?!)

In the brain: protective interactions among neurons, astrocytes, microglia and cerebral blood vessels are mediated by cell-cell contact, by the uptake of excessive glutamate, and by the release of growth factors and cytokines. These interactions are directed at preserving tissue homeostasis by maintaining cerebral blow flow, suppressing excitotoxicity, reducing energy use, dampening inflammation and apoptosis, and boosting repair mechanisms. Central signals (red arrows) through neurohumoral pathways act on peripheral organs to support the cardiovascular system, release growth factors and cytokines, and mobilize protective cells, such as Treg and Breg lymphocytes and endothelial progenitor cells (EPC). Peripheral signals (blue arrows) generated by the systemic response, in turn, may feed back on the brain and exert protective effects. IL, interleukin

Zánět je soubor reakcí, které se objevují po tkáňovém poškození, infekci nebo imunologické stimulaci jako obrana proti cizím, nebo alterovaným vlastním antigenům

Akutní zánět má několik složek které se postupně aktivují: složka cévní (několik sekund až minut) složka plazmatická (aktivace plazmatických systémů složka buněčná (trvá několik hodin až dnů)

Cévní složka zánětu: vazokonstrikce zvýšení propustnosti stěny vazodilatace

Plazmatická složka zánětu: systém prokoagulační (koagulační kaskáda) fibrinolytický komplement systém kalikrein kinin

Buněčná složka zánětu: První linie obrany: dendritické buňky (fixní makrofágy ) mastocyty (žírné buňky) Druhou linii obrany tvoří buňky, které do zánětu vstupují z krve. granulocyty (hlavně neutrofily) Třetí linie obrany monocyty Čtvrtá linie obrany aktivace kostní dřeně

Lokální příznaky zánětu Rubor Calor Color Dolor Functio laesa

„Tolerance“ Vznik paměťových buněk Prodloužená ochrana proti specifickému infekčnímu agens Možnost využití specifické i nespecifické imunizace organismu

Rozvoj celkových příznaků zánětu Stresová odpověď organismu Leukocytóza ↑ sedimentace

Nezvládnutý zánět může aktivovat stresovou reakci Může přejít až do Sepse, septického šoku a způsobit smrt

Stres

Stresové osy

Stresové osy

Stresové hormony

Stresové hormony

Důsledky stresu Adaptace Smrt

Závěrem: Mechanismy poškození Každý poškozující podnět spouští kromě poškozujících mechanismů také mechanismy limitující rozsah poškození Určitá úroveň poškození navodí na nějakou dobu toleranci Pokud je podnět příliš silný nebo dlouho trvá, aktivuje mechanismy, které mohou být fatální

Děkuji za pozornost