Patofyziologie krvetvorby Ústav patologické fyziologie 1.LF UK

KRVETVORBA / HEMATOPOEZA Vysoce regulovaný proces produkce VŠECH krevních elementů (erytrocytů, leukocytů, krevních destiček) Všechny krevní elementy vznikají z hematopoetické kmenové buňky, respektive z hematopoetických kmenových buněk. Fyziologická krvetvorba= vysoce polyklonální proces. Hematopoéza probíhá ve vysoce komplexním mikroprostředí kostní dřeně. Hnízda kmenových buněk (Stem cell niche).

HEMATOPOEZA

REGULACE HEMATOPOEZY -krvetvorby probíhá v komplexním mikroprostředí kostní dřeně -na regulaci se podílí jednak cytokiny (růstové faktory, interleukiny, chemokiny aj.) jakožto nositelé určitých signálů, jednak hematopoetické transkripční faktory jako vykonavatelé těchto signálů

vazba cytokinu na receptor progenitorových buněk cytokin (=signál) vazba cytokinu na receptor progenitorových buněk přenos signálu do nitra buňky (často přes tzv. druhé posly a další molekuly) Aktivace / represe cílového transkripčního faktoru změna genové exprese změna fenotypu = diferenciační posun

HEMATOPOETICKÁ KMENOVÁ BUŇKA HSC= 1 : 10 000 – 100 000 mononukleárních buněk kostní dřeně HSC má schopnost nekonečné sebeobnovy = nesmrtelnost HSC má schopnost diferencovat do všech vývojových řad krevní tkáně= pluripotence, ale ne do buněk jiných tkání. Poté, co vstoupí do diferenciace, prodělá cca 15-20 dělení a dává tak vznik cca 500.000 zralých buněk Regulace HSCs probíhá v tzv. hnízdech hematopoetických kmenových buněk (důležitou roli hraje např. osteoblast).

HEMATOPOETICKÁ KMENOVÁ BUŇKA HSC má schopnost migrovat z kostní dřeně do periferní krve a zpět (mobilizace kmenových buněk např. cyklofosfamidem a/nebo G-CSF se využívá pro sběr mobilizovaných kmenových buněk před transplantací kostní dřeně) Transplantace kostní dřeně = transplantace hematopoetických kmenových buněk HSCs se používají také k experimentální genové terapii (např. srpkovitá anémie, thalasémie aj.)

HEMATOPOETICKÁ KMENOVÁ BUŇKA Studium hematopoetických kmenových buněk umožnila ve velkém měřítku až rozvoj průtokové cytometrie a zvířecích modelů (zejm. syngenních myší umožňujících transplatnační experimenty). Na základě exprese povrchových diferenciačních antigenů, tzv. CD (Cluster of Differentiation) bylo možné izolovat různé (sub)populace buněk kostní dřeně a zkoumat jejich schopnost adoptovat krvetvorbu v letálně ozářeném příjemci.

CYTOKINY Cytokiny (interleukiny, interferony, chemokiny, death ligandy aj.) jsou signální (glyko)proteiny produkované širokým spektrem buněk mikroprostředí kostní dřeně (leukocyty, fibroblasty, osteoblasty, endotelie, adipocyty, dendritické buňky aj.) Cytokiny se vážou na specifické receptory nacházející se na povrchu buněk kostní dřeně Vazbou cytokinu na receptor dochází k přenosu signálu do jádra, aktivaci cílových transkripčních faktorů a ovlivnění exprese cílových genů. Vzniká informační síť cytokinových signálů regulující průběh krvetvorby.

Přehled regulační role jednotlivých cytokinů Hematopoeza Cytokiny Erytropoeza Epo, SCF, IGF-1, IL-9, IL-3, Tpo, IL-20, SDF-1 Megakaryopoeza Tpo, IL-3,IL-11, LIF, SCF, Epo, FL Vývoj žírných buněk IL-3, SCF, IL-10 Vývoj eozinofilů IL-5, IL-3, GM-CSF, SCF Granulopoeza G-CSF, GM-CSF, IL-3, SCF, IL-6, FL, SDF-1 Vývoj makrofágů M-CSF, GM-CSF, IL-3, FL, SDF-1 Vývoj lymfocytů IL-7, FL, SCF, SDF-1, IL-2, IL-4, IL-5, IL-10, IL-13, IL-15,..

CYTOKINOVÉ RECEPTORY Typ 1 – receptory spojené s JAK-STAT (JAK – Janus kinase, STAT- signal transducer and activator of transcription)

CYTOKINOVÉ RECEPTORY Typ 2 – receptorové tyrozinkinázy, tj. receptory s vnitří (intrinsickou) tyrozin-kinázovou aktivitou

TRANSKRIPČNÍ FAKTORY (TF) TFs= proteiny schopné vázat se na DNA, a regulovat expresi cílových genů Hematopoetické TFs (např. AML1, PU.1, GATA-1 aj.) se aktivují či inhibují v odpověď na řadu intra- a extracelulárních signálů, např. v odpověď na aktivaci cytokinového receptoru Různé hematopoetické TFs regulují odlišné stupně diferenciace od hematopoetické kmenové buňky po zralý element. Strukturální či funkční defekt hematopoetických TFs (např. mutace) vede k závažným poruchám krvetvorby- viz. dále.

TRANSKRIPČNÍ FAKTORY VYTVÁŘEJÍ SLOŽITOU SÍŤ VZÁJEMNÝCH VZTAHŮ Transkripční faktor A reguluje expresi transkripčního faktoru B, který reguluje expresi transkripčního faktoru C …………..atd. Diferenciační proces je řízen vzájemnou souhrou mnoha transkripčních faktorů

TRANSKRIPČNÍ FAKTORY Ztráta funkce transkripčního faktoru (např. následkem inaktivační mutace, delece či translokace) je spojena s diferenciační poruchou (maturační blok) na té úrovni diferenciačního procesu, pro kterou je daný transkripční faktor nezbytný.

PATOFYZIOLOGIE KRVETVORBY CAVE: TERMINOLOGIE BYLA VYTVÁŘENA V DÁVNÉ HISTORII A MNOHDY NEODPOVÍDÁ PATOFYZIOLOGICKÝM POZNATKŮM : KRVETVORBA, HEMATOPOÉZA, MYELOPOÉZA MYELOPOÉZA V UŽŠÍM SLOVA SMYSLU= TVORBA TZV. MYELOIDNÍCH ELEMENTŮ, TJ. MONOCYTŮ/MAKROFÁGŮ A GRANULOCYTŮ MYELOPOÉZA V ŠIRŠÍM SLOVA SMYSLU JE TVORBA VŠECH ELEMENTŮ KOSTNÍ DŘENĚ S VYJÍMKOU LYMFOCYTŮ CAVE: LYMFOPOÉZA JE SOUČÁST HEMATOPOÉZY, ALE TÉŽ LYMFATICKÉHO A IMUNITNÍHO SYSTÉMU

PATOFYZIOLOGIE KRVETVORBY CAVE: NEZBYTNÁ SOUČÁST LYMFATICKÉHO A IMUNITNÍHO SYSTÉMU- TJ. LYMFOCYTY, VZNIKAJÍ V KOSTNÍ DŘENI DIFERENCIACÍ Z HEMATOPOETICKÉ KMENOVÉ BUŇKY (= LYMFOPOÉZA). KOSTNÍ DŘEŇ= PRIMÁRNÍ LYMFATICKÝ ORGÁN (SPOLU S THYMEM) LYMFOCYTY SE VŠAK VYVÍJEJÍ DÁLE MIMO KOSTNÍ DŘEŇ (A THYMUS) V TZV. SEKUNDÁRNÍCH LYMFATICKÝCH ORGÁNECH (LYMFATICKÉ UZLINY, SLEZINA, MALT, BALT, GALT ATD.)

PORUCHY KRVETVORBY- EXTRÉMNĚ ŠIROKÉ SPEKTRUM CHOROB vrozené získané Poruchy myelopoézy = selhání krvetvorby (myeloaplázie), myelodysplázie a myeloproliferativní onemocnění Poruchy lymfopoézy = imunodeficity, autoimunitní onemocnění a lymfoproliferativní onemocnění

MYELOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY= MYELOPROLIFERACE V ŠIRŠÍM SLOVA SMYSLU= PORUCHY HEMATOPOETICKÉ KMENOVÉ BUŇKY 1. Myeloproliferativní syndromy (MPS) = myeloproliferace v užším slova smyslu 2. Myelodysplazie (MDS) 3. Akutní myeloidní leukémie (AML)

LYMFOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY 1. PREKURZOROVÉ =VZNIKAJÍ MUTACÍ HEMATOPOETICKÉ KMENOVÉ BUŇKY 2. ZRALÉ =VZNIKAJÍ MUTACÍ PERIFERNÍCH LYMFOCYTÁRNÍCH KLONŮ V SEKUNDÁRNÍCH LYMFATICKÝCH ORGÁNECH BĚHEM ADAPTIVNÍ IMUNITNÍ ODPOVĚDI

SHRNUTÍ MYELOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY LYMFOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY MPS MDS AML prekurzorové LYMFOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY zralé T-lymfoproliferace B-lymfoproliferace

ZRALÉ MYELOIDNÍ ELEMENTY MPS NAIVNÍ LYMFOIDNÍ ELEMENTY AML HEMATOPOETICKÁ KOSTNÍ DŘEŇ KMENOVÁ BUŇKA MYELO – PROLIFERATIVNÍ CHOROBY MYELOPOÉZA MDS LYMFOPOÉZA ZRALÉ MYELOIDNÍ ELEMENTY MPS ALL / prekurzorové LYMFOMY NAIVNÍ LYMFOIDNÍ ELEMENTY AML PROLIFERATIVNÍ ONEMOCNĚNÍ LYMFO- ADAPTIVNÍ IMUNITNÍ ODPOVĚĎ PERIFERNÍ KREV / PERIFERNÍ LYMFATICKÁ TKÁŇ HIGH-GRADE LYMPHOMY CLL IMUNO-KOMPETENTNÍ LYMFOIDNÍ ELEMENTY LYMFOMY PLAZMOCELULÁRNÍ MYELOM LEUKÉMIE

ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA PATOFYZIOLOGIE MYELOPROLIFERAČNÍCH CHOROB Mutace přinášející proliferační výhodu Mutace způsobující diferenciační poruchu Primární AML Inaktivační mutace hematopoetického TF Aktivační mutace proteinové tyrozinkinázy PTK AML Blastický zvrat / transformace do AML Transformace do sekundární AML Myelodysplastické syndromy (MDS) Myeloproliferativnísyndromy (MPS)

ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA PATOFYZIOLOGIE ZRALÝCH LYMFOPROLIFERAČNÍCH CHOROB Deregulace apoptózy (+další zásahy ???) Deregulace proliferace a buněčného cyklu (+další zásahy ???) De novo vysoce maligní (tzv. high-grade) lymfomy Nízkomaligní (tzv. low-grade) lymfomy/ chronická lymfatická leukémie Transformace Vysoce maligní (tzv. high-grade) lymfomy / zralá B-ALL Deregulace proliferace

Myelodysplastický syndrom klonální onemocnění krvetvorby vzniklé maligní transformací hematopoetické kmenové buňky Mutací HSC vzniká vedle normální fyziologické polyklonální krvetvorby v kostní dřeni ještě patologická monoklonální krvetvorba charakterizovaná deregulací apoptozy, poruchou reparačních mechanismů poškozené DNA a abnormální metabolickou aktivitou proliliferace patologického klonu a indukce apoptozy zralejších buněk (účast některých cytokinů –TNF-a, IL-1,..) koreluje s obrazem hyperplastické a dysplastické krvetvorby s periferní pancytopenií (anémie, trombocytopenie, leukopenie)  únava, krvácení, sklon k infekcím. Ziskem komplementárních mutací dochází ke zvratu v akutní leukemii.

Dysplastická hematopoeza Erytropoeza Granulocytopoeza Trombopoeza

Myelodysplastické syndromy (MDS)- WHO nomenklatura- pouze pro ilustraci Refrakterní cytopenie s unilineární dysplázií Refrakterní anémie s prstenčitýmí sideroblasty Refrakterní cytopenie s multilineární dysplázií Refrakterní anémie s nadbytkem blastů Myelodysplastický syndrom s izolovanou delecí 5q Myelodysplastický syndrom, nekasifikovatelný

Myeloproliferativní syndromy (MPS) klonální onemocnění krvetvorby charakterizovaná abnormální proliferací hematopoetických kmenových buněk chronická myeloidní leukémie, BCR-ABL1 pozitivní primární polycytémie primární myelofibróza primární trombocytémie chronická neutrofilní leukémie chronická eozinofilní leukémie mastocytóza myeloproliferativní syndrom, neklasifikovatelný

Chronická myeloidní leukémie myeloproliferativní onemocnění vzniklé maligní transformací hematopoetické kmenové buňky specifická cytogenetická abnormalita t (9q34;22q11) BCR-ABL Ph (Philadelphia chromosome)

Mutace proteinu s tyrozinkinázovou aktivitou (ABL) = proliferační výhoda translokací t (9; 22) dochází k přesunu genu pro receptorovou tyrozinkinázu ABL (Abelson leukemia) do oblasti BCR (breakpoint cluster region) – vzniká fúzní gen produkující fúzní protein - bcr-abl s aberantní tyrozinkinázovou aktivitou spouštějící proliferační signál translokací t (9; 22) dochází k přeměně normální hematopoetické kmenové buńky (HSC) v leukemickou kmenovou buňku (LCS).

CML- klinický obraz, průběh onemocnění proliferační výhodou patologického klonu dochází k útlaku normální krvetvorby – hyperplastická kostní dřeň s převahou granulocytární řady, v periferní krvi – zvýšený počet leukocytů, jsou přítomna všechna vývojová stadia granulocytů,  leukocytóza (někdy extrémní- stovky tisíc leukocytů na mikrolitr) zvýšený počet trombocytů . Útlakem normální polyklonální krvetvroby v kostní dřeni patologickou monoklonální (leukemickou) krvetvrobou dochází k rozvoji extramedulární hematopoezy (játra, slezina)  CML provází hepatosplenomegalie, někdy extrémní. akumulací dalších mutací v leukemických kmenových buňkách, které způsobí defekty v diferenciaci, dochází k postupné progresi CML (chronická fáze CML– akcelerace – blastický zvrat do AML)

Akutní myeloidní leukémie- dvouzásahový model leukemogeneze Mutace přinášející proliferační výhodu Mutace způsobující diferenciační poruchu Primární AML Inaktivační mutace hematopoetického TF Aktivační mutace proteinové tyrozinkinázy PTK AML Blastický zvrat / transformace do AML Transformace do sekundární AML Myelodysplastické syndromy (MDS) Myeloproliferativnísyndromy (MPS)

Akutní myeloidní leukémie

Leukemogeneze Mutace I. typu = aktivační mutace receptorové tyrozinkinázy proliferační výhoda Mutace II. typu = inaktivační mutace transkripčního faktoru diferenciační blok

Inaktivační mutace transkripčního faktoru t(8;21) AML1-ETO) = nejčastější rekurentní chromozomální translokace u pacientů s AML AML1= Acute Myeloid Leukemia 1= normální hematopoetický transkripční faktor AML1=CBFalfa (Core binding factor alpha), ETO=CBFbeta translokací t(8; 21) vzniká fúzní protein AML1/ETO, který funguje jako kompetitivní inhibitor normální hematopoetického transkripčního faktoru AML1- dochází k diferenciačnímu bloku.

Lymfoproliferativní choroby = klonální onemocnění krvetvorby vznikající z B / T-lymfocytů v různém stadiu jejich diferenciace Hodgkinův lymfom prekurzorové B-NHL/B-CLL zralé Non-Hodgkinské lymfomy prekurzorové T-NHL/T-CLL zralé

Lymfoproliferativní choroby- nomenklatura WHO

Prekurzorové lymfoproliferace- příklady B lymfoblastická leukemie/lymfom T lymfoblastická leukémie/lymfom

Zralé B lymfoproliferace- příklady B-CLL-Chronická lymfatická leukemie/ lymfom z malých lymfocytů Leukémie z vlasatých buněk Mnohočetný myelom Extranodální marginální lymfom ( MALT-lymfom) Folikulární lymfom Lymfom z plášťové zóny Difúzní velkobuněčný lymfom Burkittův lymfom / leukémie ze zralých B-buněk (zralá B-ALL)

Zralé T lymfoproliferace- příklady T-prolymfocytární leukémie T-buněčná leukémie dospělých (HTLV-1, HTLV-2) Kožní T-lymfomy (Mycosis fungoides, Sezaryho syndrom) Periferní T-lymfom blíže neklasifikovatelný Angioimunoblastický lymfom Anaplastický velkobuněčný lymfom

Diferenciace B-lymfocytů

Diferenciace T-lymfocytů

Vznik antigenně specifických receptorů B a T lymfocytů Během diferenciace B a T-lymfocytů dochází k přeskupování genů pro lehké a těžké řetězce imunoglobulinů, resp. TCR. Tento proces se nazývá V-(D)-J rekombinace- vznikají tzv. naivní lymfoidní elementy připravené vázat (cizí) antigen. V-(D)-J rekombinace je proces NÁHODNÝ (!!!), dochází tudíž k produkci lymfocytů, které žádný antigen vázat nemohou (=nefunkční klony), jednak lymfocytů, které vážou vlastní (self) antigeny (=autoreaktivní klony).

Pozitivní a negativní selekce Během vývoje T a B lymfocytů v thymu a kostní dřeni dochází k eliminaci autoreaktivních lymfocytů = negativní selekce a lymfocytů s nefunkčním TCR/BCR = pozitivní selekce, dále se tudíž diferencují jen ty lymfocyty, které mají funkční receptor schopný vázat hypotetický cizí antigen. Vznikají miliony různých dlouhověkých lymfocytárních klonů- tzv. naivních lymfocytů.

Klonální expanze a diferenciace naivních B-lymfocytů v efektorové plazmatické buňky Po setkání naivního lymfocytu s antigenem v sekundárním lymfatickém orgánu (nejčastěji v lymfatické uzlině) dochází ke klonální expanzi lymfocytárního klonu- vzniká tzv. sekundární folikul s zárodečným centrem, plášťovou a marginální zónou, diferencují se imunokompetentní buňky (plazmatické buňky a cytotoxické T-lymfocyty). Během klonální expanze dochází ke zvyšování afinitiy k antigenu až 10.000x (!!!). Zvyšování afinity zajišťuje zejména tzv. somatická hypermutace- tedy cílená (fyziologická) mutace úseků genů kódujících variabilní úseky imunoglobulinů.

Vznik zralých lymfoproliferací= následek mutace B-lymfocytárního klonu během klonální expanze v uzlině chybnou Chybnou aplikací somatické hypermutace na geny regulující apoptózu či průchod buňky buněčným cyklem dochází ke vzniku maligního lymfocytárního klonu, který tvoří podstatu lymfoproliferativního onemocnění.

ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA PATOFYZIOLOGIE ZRALÝCH LYMFOPROLIFERAČNÍCH CHOROB Deregulace apoptózy (+další zásahy ???) Deregulace proliferace a buněčného cyklu (+další zásahy ???) De novo vysoce maligní (tzv. high-grade) lymfomy Nízkomaligní (tzv. low-grade) lymfomy/ chronická lymfatická leukémie Transformace Vysoce maligní (tzv. high-grade) lymfomy / zralá B-ALL Deregulace proliferace

SHRNUTÍ MYELOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY LYMFOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY MPS MDS AML prekurzorové LYMFOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY zralé T-lymfoproliferace B-lymfoproliferace

SHRNUTÍ CAVE: nomenklatura !!! – složitá, zhusta historická Refrakterní anémie (není anémie, ale (pre)maligní onemocnění patřící mezi myelodysplastické syndromy Mnohočetný myelom- není myeloproliferace, ale zralé lymfoproliferativní onemocnění LEUKÉMIE= PATOLOGICKÝ POJEM, NUTNOST PŘESNÉHO ZAŘAZENÍ Chronická myeloidní leukémie= myeloproliferativní syndrom Chronická myelomonocytární leukémie= myelodysplasticý syndrom Akutní myeloidní leukémie= skupina myeloproliferativních chorob Akutní lymfoblastická leukémie= prekurzorové lymfoproliferativní onemocnění Chronická lymfatická leukémie= zralé lymfoproliferativní onemocnění NEJDŮLEŽITĚJŠÍ- ZÁKLADNÍ PATOFYZIOLOGICKÝ VHLED, NIKOLI TELEFONNÍ SEZNAM JEDNOTLIVÝCH KLINICKÝCH CHOROB

ZRALÉ MYELOIDNÍ ELEMENTY MPS NAIVNÍ LYMFOIDNÍ ELEMENTY AML HEMATOPOETICKÁ KOSTNÍ DŘEŇ KMENOVÁ BUŇKA MYELO – PROLIFERATIVNÍ CHOROBY MYELOPOÉZA MDS LYMFOPOÉZA ZRALÉ MYELOIDNÍ ELEMENTY MPS ALL / prekurzorové LYMFOMY NAIVNÍ LYMFOIDNÍ ELEMENTY AML PROLIFERATIVNÍ ONEMOCNĚNÍ LYMFO- ADAPTIVNÍ IMUNITNÍ ODPOVĚĎ PERIFERNÍ KREV / PERIFERNÍ LYMFATICKÁ TKÁŇ HIGH-GRADE LYMPHOMY CLL IMUNO-KOMPETENTNÍ LYMFOIDNÍ ELEMENTY LYMFOMY PLAZMOCELULÁRNÍ MYELOM LEUKÉMIE