Patofyziologie Patofyziologie krvetvorbykrvetvorby

Ústav patologické fyziologieÚstav patologické fyziologie

1.LF UK1.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

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.

Hematopoeza CytokinyErytropoeza 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,..

Přehled regulační role jednotlivých cytokinů

CYTOKINOVÉ RECEPTORY

Typ 1 – receptory spojené s JAK-STAT (JAK – Janus kinase,

STAT- signal transducer and activator of transcription)

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

CYTOKINOVÉ RECEPTORY

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

CAVE: LYMFOPOÉZA JE SOUČÁST HEMATOPOÉZY, ALE TÉŽ LYMFATICKÉHO A IMUNITNÍHO SYSTÉMU

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

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

CHOROBvrozené

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

MYELOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY

LYMFOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY

MPS

MDS

AML

prekurzorové

zralé

T-lymfoproliferace

B-lymfoproliferace

SHRNUTÍ

KOSTNÍ DŘEŇ

IMUNO-KOMPETENTNÍ

LYMFOIDNÍ ELEMENTY

LYMFOPOÉZA

ZRALÉ MYELOIDNÍ ELEMENTY

HEMATOPOETICKÁ

MYELOPOÉZA

NAIVNÍ LYMFOIDNÍ ELEMENTY

MDS

MPS AML

KMENOVÁ BUŇKA

CLL

LYMFOMY

PROLIFERATIVNÍ

ONEMOCNĚN

Í

LYMFO-

MYELOM

PERIFERNÍ KREV /PERIFERNÍ LYMFATICKÁ TKÁŇ

HIGH-GRADE LYMPHOMY

ALL / prekurzorové LYMFOMY

PLAZMOCELULÁRNÍ LEUKÉMIE

MYELO –

PROLIFERATIVNÍ

CHOROBY

AD

AP

TIV

NÍ

IMU

NIT

NÍ

OD

PO

VĚ

Ď

Mutace způsobující diferenciační poruchu

Inaktivační mutace hematopoetického TF

Myelodysplastické syndromy (MDS)

Myeloproliferativnísyndromy (MPS)

Aktivační mutace proteinové tyrozinkinázy PTK

Mutace přinášející proliferační výhodu

AML

ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA PATOFYZIOLOGIE MYELOPROLIFERAČNÍCH CHOROB

Blastický zvrat / transformace

do AMLTransfo

rmace

do

sekundárn

í AM

L

Primární AML

Deregulace apoptózy (+další zásahy ???)

Nízkomaligní (tzv. low-grade) lymfomy/ chronická lymfatická leukémie

Deregulace proliferace a buněčného cyklu (+další zásahy ???)

Vysoce maligní (tzv. high-grade) lymfomy / zralá B-ALL

Deregulace proliferaceTransformace

De novo vysoce maligní (tzv. high-

grade) lymfomy

ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA PATOFYZIOLOGIE ZRALÝCH LYMFOPROLIFERAČNÍCH CHOROB

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).

• 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)

CML- klinický obraz, průběh onemocnění

Mutace způsobující diferenciační poruchu

Inaktivační mutace hematopoetického TF

Myelodysplastické syndromy (MDS)

Myeloproliferativnísyndromy (MPS)

Aktivační mutace proteinové tyrozinkinázy PTK

Mutace přinášející proliferační výhodu

AML

Blastický zvrat / transformace

do AMLTransfo

rmace

do

sekundárn

í AM

L

Primární AML

Akutní myeloidní leukémie- dvouzásahový model leukemogeneze

Akutní myeloidní leukémie

Leukemogeneze

Mutace I. typu = aktivační mutace receptorové tyrozinkinázy proliferační výhoda

Mutace II. typu = inaktivační mutace transkripčního faktorudiferenciační blok

Inaktivační mutace transkripčního faktorut(8;21) AML1-ETO) = nejčastější rekurentní chromozomální translokace u pacientů s AML

translokací t(8; 21) vzniká fúzní protein AML1/ETO, který funguje jako kompetitivní inhibitor normální hematopoetického transkripčního faktoru AML1- dochází k diferenciačnímu bloku.

AML1= Acute Myeloid Leukemia 1= normální hematopoetický transkripční faktor

AML1=CBFalfa (Core binding factor alpha), ETO=CBFbeta

Lymfoproliferativní choroby

= klonální onemocnění krvetvorby vznikající z B / T-lymfocytů v různém stadiu jejich diferenciace

B-NHL/B-CLL

T-NHL/T-CLL

Hodgkinův lymfom

prekurzorové

prekurzorové

zralé

zralé

Non-Hodgkinské lymfomy

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)

• 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

Zralé T lymfoproliferace- příklady

Diferenciace B-lymfocytů

Diferenciace 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).

Vznik antigenně specifických receptorů B a T lymfocytů

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.

Deregulace apoptózy (+další zásahy ???)

Nízkomaligní (tzv. low-grade) lymfomy/ chronická lymfatická leukémie

Deregulace proliferace a buněčného cyklu (+další zásahy ???)

Vysoce maligní (tzv. high-grade) lymfomy / zralá B-ALL

Deregulace proliferaceTransformace

De novo vysoce maligní (tzv. high-

grade) lymfomy

ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA PATOFYZIOLOGIE ZRALÝCH LYMFOPROLIFERAČNÍCH CHOROB

MYELOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY

LYMFOPROLIFERATIVNÍ CHOROBY

MPS

MDS

AML

prekurzorové

zralé

T-lymfoproliferace

B-lymfoproliferace

SHRNUTÍ

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

KOSTNÍ DŘEŇ

IMUNO-KOMPETENTNÍ

LYMFOIDNÍ ELEMENTY

LYMFOPOÉZA

ZRALÉ MYELOIDNÍ ELEMENTY

HEMATOPOETICKÁ

MYELOPOÉZA

NAIVNÍ LYMFOIDNÍ ELEMENTY

MDS

MPS AML

KMENOVÁ BUŇKA

CLL

LYMFOMY

PROLIFERATIVNÍ

ONEMOCNĚN

Í

LYMFO-

MYELOM

PERIFERNÍ KREV /PERIFERNÍ LYMFATICKÁ TKÁŇ

HIGH-GRADE LYMPHOMY

ALL / prekurzorové LYMFOMY

PLAZMOCELULÁRNÍ LEUKÉMIE

MYELO –

PROLIFERATIVNÍ

CHOROBY

AD

AP

TIV

NÍ

IMU

NIT

NÍ

OD

PO

VĚ

Ď