Buňky v nucleus pulposus meziobratlové ploténky

Buňky v nucleus pulposus meziobratlové ploténky Buňky v nucleus pulposus meziobratlové ploténky (navrhuji pro ně praktičtější označení nukleopulpocyty, zkratka NPC z anglického nucleus pulposus cells) jsou buňky podobné chondrocytům, které jsou specializované k produkci extracelulární matrix. Ta tvoří většinu hmotnosti nucleus pulposus a v závislosti na svém složení určuje jeho mechano-elastické vlastnosti a tím i jeho funkci v rámci celé meziobratlové ploténky.

Obsah 1. Anatomie meziobratlové ploténky 2. Histologický popis nukleopulpocytů 3. Hypoxie a její vliv na nukleopulpocyty 4. Apoptóza nukleopulpocytů a degenerace meziobratlové ploténky 5. Původ nukleopulpocytů a jejich získávání 6. Reference

1. Anatomie meziobratlové ploténky Meziobratlové ploténky (dále též IVD, z anglického intervertebral discs). Jde o elastické destičky, které vyplňují prostor mezi těly jednotlivých obratlů a spojují je. V lidském těle je jich dvacet čtyři1 (někteří autoři uvádí pouze dvacet tři2, 3): šest v krční, dvanáct v hrudní a pět v bederní části páteře, jedna se ještě nachází mezi kostí kostrční a křížovou, mezi obratli S5 a Co1. Další IVD se můžou nacházet mezi srostlými ob- Obrázek 1. Anatomie meziobratlové ploténky. Převzato a ratli kosti křížové. IVD tvoří asi ¼ cel- upraveno z Raj (2008). kové délky páteře; nejtenčí jsou ty v krční oblasti (5 mm), nejtlustší ty mezi posledními bederními obratli (10 mm). Tvar IVD závisí na jejich pozici v rámci páteře, přičemž je stejný jako tvar přilehlých těl obratlů: v krční oblasti jsou oválné, v hrudní oblasti jakoby srdcovité a v bederní oblasti nabývají tvaru ledvinovitého. IVD tvoří přední stěnu páteřního kanálu, proto, jsou-li posunuty, můžou tlačit na míchu či míšní nervy a působit tak neurologické obtíže. IVD jsou komplexní struktury, které se skládají ze tří částí: vnějšího fibrózního prsS využitím v závěru citovaných pramenů zpracoval Tomáš Macháček jako povinnou esej v rámci předmětu Histologie-Cytologie vyučovaném na Přírodovědecké fakultě UK v Praze. Šíření toho dokumentu bez vědomí a svolení autora je zakázáno. © TM a Biomach, 2010.

tence (annulus fibrosus), vnitřního pulpózního jádra (nucleus pulposus) a chrupavčitých destiček, které IVD spojují s tělem obratle1. Nucleus pulposus (NP). Pulpózní (nebo též rosolovité) jádro se nachází uprostřed IVD. Obsahuje vlákna kolagenu (20 % sušiny), která jsou organizována náhodně4, a až 150 µm dlouhá vlákna elastinu uspořádaná radiálně5. Tato vlákna jsou uložena ve vysoce hydratovaném gelu tvořeném extracelulární matrix. Buněk je zde ale relativně málo, jen asi 5000/mm3 6, a Obrázek 2. Typický řez pulpózním jádrem. Na snímku jsou jen jsou podobné chondrocytům.

čtyři nukleopulpocyty (označeny šipkami), což svědčí o jejich malém počtu v celém NP. Převzato z Errington a kol. (1998).

Annulus fibrosus (AF). Fibrózní prstenec je tvořen 15–25 koncentrickými lamelami7 s kolagenními vlákny, která leží paralelně s nimi. Elastinová vlákna se nachází mezi jednotlivými lamelami; pravděpodobně pomáhají ploténce k návratu do původního stavu poté, co byla tlakem deformována, případně spojují lamely mezi sebou5. Buňky jsou podobné fibroblastům, ve vnější vrstvě AF jsou podlouhlé, ve vnitřní spíše oválné. Chrupavčité destičky (angl. cartilage endplates). Mají podobu méně než 1 mm silné vrstvy hyalinní chrupavky a tvoří svrchní a spodní část IVD, tedy rozhraní mezi ploténkou a tělem přilehlých obratlů8. Cévní zásobení a inervace. IVD jsou prakticky bez cévního zásobení, a jsou proto největší nevaskularizované struktury v těle9. Inervace je omezena jen na vnější lamely AF, přičemž některá vlákna jsou zakončena proprioreceptory10. Jde o větve sinuvertebrálního nervu, případně jsou odvozena od ventrální ramus communicans griseus11.

2. Histologický popis nukleopulpocytů Nukleopulpocyty jsou popisovány jako buňky podobné chondrocytům12. (V NP se ale mohou v malém množství vyskytovat i fibroblasty13.) S rostoucím věkem se snižuje podíl živých buněk, přičemž v dospělém věku jich je již jen polovina12. Buňky jsou hvězdicovitého tvaru a mají neobvykle dlouhé (až 80 µm) primární cytoplazmatické výběžky, které se mohou rozvětvit do výběžků sekundárních. Na výběžcích nacházíme v nepravidelných intervalech cytoplazmatické zduřeniny, v distální části potom nabývá výběžek hruškovitého tvaru a v této terminální oblasti obsahuje také vezikuly, jejichž obsah se dostává vně buňky13. Tyto výběžky mohou mít nejen sekreční úlohu, ale mohou hrát roli i ve vnímání mechanického napětí ve struktuře IVD a účastnit se jeho vedení a přenosu na buněčný cytoskelet14. Úlohu

Šíření toho dokumentu bez vědomí a svolení autora je zakázáno.

© TM a Biomach, 2010.

buněk ve zpracování a sekreci extracelulární matrix podporuje i fakt, že obsahuje dobře vyvinutý Golgiho aparát, endoplazmatické retikulum a komplexní systém váčků naplněných především proteoglykany12, 15. V králičích NPC jde o agrekan (majoritní proteoglykan, který díky svým vodu vábícím řetězcům vytváří vysoce hydratovaný extracelulární gel16); dále jsou tam exprimovány ko-

Obrázek 3. Snímek nukleopulpocytů pořízený transmisním

lageny typu I a II15. V nukleopulpocy- elektronovým mikroskopem. Patrné jsou cytoplazmatické tech se vyskytuje nezvykle málo mito- výběžky. Převzato z Errington a kol. (1998).

chondrií15, což je důsledek velmi specifického hypoxického habitatu, který nukleopulpocyty obývají.

3. Hypoxie a její vliv na nukleopulpocyty Prostředí meziobratlové ploténky, ve kterém nukleopulpocyty existují, má jen minimální cévní zásobení, je tedy silně hypoxické a energie je získávána glykolytickou cestou17, jak dokládá i následující experiment18: Pokud se k buňkám přidala 2-deoxyglukóza, inhibitor glykolýzy, vedlo to k dramatickému potlačení tvorby ATP. Přídavek inhibitorů mitochondriálních enzymů neměl na produkci ATP vliv žádný. V reakci na hypoxické podmínky NPC exprimují transkripční faktor HIF-1α (hypoxia-inducible factor)18, který je prostředím bez kyslíku stabilizován a upreguluje expresi enzymů glykolytické dráhy*, čímž umožňuje buňce získávat energii a tím podporuje její přežití. Tento transkripční faktor může sloužit jako fenotypový marker nukleopulpocytů17. Statisticky signifikantní jsou i výsledky korelační analýzy mezi stupněm exprese HIF-1α a frekvencí apoptózy nukleopulpocytů; HIF-1α má zřejmě kruciální vliv na přežívání NPC a jejich resorpce v případě vyhřeznutí IVD19. Bylo prokázáno, že krysí nukleopulpocyty se skutečně dokážou bránit iniciaci programované buněčné smrti v hypoxických podmínkách NP20. Je to zapříčiněno aktivací kináz PI3K/Akt a MEK/ERK, která je spojena s inaktivací kinázy GSK-3β, jež je efektorovým proteinem zapojeným do regulace apoptózy. Kontrola byla provedena inhibicí drah PI3K/Akt a MEK/ERK, což přežití buněk zhoršilo.

Kromě nich také upreguluje expresi VEGF (vascular endothelial growth factor), čímž indukuje angiogenezi. To však v meziobratlových ploténkách nemá velký význam.

*



4. Apoptóza nukleopulpocytů a degenerace meziobratlové ploténky Apoptóza je proces programované buněčné smrti, při kterém je buňka elegantně odstraněna z tkáně, aniž by vyvolala nežádoucí zánětlivou reakci. Tento zánik mohou podstoupit a podstupují i nukleopulpocyty12, a to dokonce výrazně častěji než ostatní buňky v IVD21. O odstranění apoptotických buněk se běžně starají fagocytující makrofágy. Jak již bylo řečeno, jsou meziobratlové ploténky prakticky bez cévního zásobení, není tedy cesty, jak sem tyto makrofágy

přivést.

Při

pokusech

s hovězími nukleopulpocyty22 bylo Obrázek 4. Fagocytóza latexových zrn nukleopulpocyty (NP) a makrofágy (J774). Šipky ukazují zrna mimo buňku (světlejší), černé trojúhelníky ukazují fagocytované částice (tmavší). Barvecytovat jak latexové částice, tak ní Jenner-Giemsa. Převzato z Jones a kol. (2008).

prokázáno, že mají schopnost fago-

apoptotické buňky; jsou v tomto dokonce úspěšnější než makrofágy, vzhledem k větší velikosti dokážou pozřít více latexových zrníček. Apoptóza buněk IVD může být vyvolána nejrůznějšími faktory. Mezi nejčastější patří mechanické přetěžování plotének působící jejich degeneraci právě skrze programovanou buněčnou smrt, která je iniciována vnitřní (mitochondriální) cestou23. Myši byly v tomto experimentu po dobu 24 hodin vystaveny zátěži 1,3 MPa, což vyvolalo apoptózu buněk AF a těžkou degeneraci IVD. Dalším faktorem ovlivňujícím degeneraci IVD jsou úrazy páteře, které bývají doprovázeny

posttraumatickými

degenerativními Obrázek 5. Červeně značený hovězí nukleopulpocyt právě fagocytoval zeleně ozna-

změnami IVD; má se za to, že apoptóza buněk IVD je čenou apoptotickou buňku HeLa. Převzato příčinou postupných změn ve složení extracelulární z Jones (2008).

matrix24. (Kruciální vliv na degeneraci IVD má ubývání proteoglykanu25.) Při frakturách páteře v oblasti hrudníku a beder byla pozorována apoptóza buněk IVD indukovaná jak vnitřní, tak vnější cestou: byla zaznamenána aktivita kaspáz 8 i 9 a snížení hladiny antiapoptotického proteinu Bcl-224. Buňky meziobratlových plotének jsou také schopny uvolňovat oxid dusný, který dokáže spustit apoptotickou kaskádu, čímž se vyvolá degenerace IVD26. Ve většině studií zabývajících se problematikou apoptózy buněk při degeneracích IVD byla po-



zorována exprese proapoptockých proteinů Fas a FasL21, 24, 27, 28. Zajímavé je, že procento FasL pozitivních buněk roste s věkem pacienta, ale již ne se stupněm degenerace meziobratlové ploténky28.

5. Původ nukleopulpocytů a jejich získávání Nukleopulpocyty mají původ v buňkách neurální lišty29. Buňky v králičích NP pochází z okrajových chrupavčitých destiček IVD, odkud vmigrovaly dovnitř30. Nukleopulpocyty je možné získat in vitro diferenciací z mezenchymálních kmenových buněk31, 32. Mezi faktory, které řídí diferenciaci mezenchymálních kmenových buněk v nukleopulpocyty, patří hypoxie a TGF-β (transforming growth factor-beta)30. Hypoxie udržuje expresi hyaluronanového receptoru a endoglinu (receptoru pro TGF-β), zároveň je zvýšena exprese integrinů. TGF-β zvyšuje MAP kinázovou aktivitu a expresi Sox-9, agrekanu a kolagenu typu II30, což jsou markerové molekuly nukleopulpocytů31.

6. Reference 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Palastanga N, Field D, Soames R. Anatomy and human movement : Structure and Function. 5th ed., 2006. P. 521. ISBN 0-7506-8814-9. Borovanský L a kol. Soustavná anatomie člověka. Díl I. 3. vyd., 1967. Str. 60. Čihák R. Anatomie 1. 2. vyd., 2001. Str. 106. ISBN 80-7169-970-5. Inoue H. Three-dimensional architecture of lumbar intervertebral discs. Spine. 1981;6:139–146. Yu J, Winlove CP, Roberts S, Urban JP. Elastic fibre organization in the intervertebral discs of the bovine tail. J Anat. 2002;201:465–475. Maroudas A, Nachemson A, Stockwell R, Urban J. Some factors involved in the nutrition of the intervertebral disc. J Anat. 1975;120:113–130. Marchand F, Ahmed AM. Investigation of the laminate structure of lumbar disc anulus fibrosus. Spine. 1990;15:402–410. Roberts S, Menage J, Urban JPG. Biochemical and structural properties of the cartilage end-plate and its relation to the intervertebral disc. Spine. 1989;14:166–174. Trout JJ, Buckwalter JA, Moore KC. Ultrastructure of the human intervertebral disc: II. Cells of the nucleus pulposus. Anat Rec. 1982; 204(4):307-14. Roberts S, Eisenstein SM a kol. Mechanoreceptors in intervertebral discs. Morphology, distribution, and neuropeptides. Spine. 1995;20: 2645–2651. Raj PP. Intervertebral disc: anatomy-physiology-pathophysiology-treatment. Pain Pract. 2008;8(1):18-44. Trout JJ, Buckwalter JA, Moore KC. Ultrastructure of the human intervertebral disc: II. Cells of the nucleus pulposus. Anat Rec. 1982;204(4):307-14. Johnson EF, Mitchell R a kol. Secretory cells in the nucleus pulposus of the adult human intervertebral disc. A preliminary report. Acta Anat (Basel). 1986;125(3):161-4.



14. Errington RJ, Puustjarvi K a kol. Characterisation of cytoplasm-filled processes in cells of the intervertebral disc. J Anat. 1998;192 ( Pt 3):369-78. 15. Gan JC, Ducheyne P a kol.. Intervertebral disc tissue engineering I: characterization of the nucleus pulposus. Clin Orthop Relat Res. 2003;(411):305-14. 16. Urban JP, Maroudas A, Bayliss MT, Dillon J. Swelling pressures of proteoglycans at the concentrations found in cartilaginous tissues. Biorheology. 1979;16:447–464. 17. Risbud MV, Guttapalli A a kol. Nucleus pulposus cells express HIF-1 alpha under normoxic culture conditions: a metabolic adaptation to the intervertebral disc microenvironment. J Cell Biochem. 2006;98(1):152-9. 18. Agrawal A, Guttapalli A a kol. Normoxic stabilization of HIF-1alpha drives glycolytic metabolism and regulates aggrecan gene expression in nucleus pulposus cells of the rat intervertebral disk. Am J Physiol Cell Physiol. 200;293(2):C621-31. 19. Ha KY, Koh IJ a kol. The expression of hypoxia inducible factor-1alpha and apoptosis in herniated discs. Spine (Phila Pa 1976). 2006;31(12):1309-13. 20. Risbud MV, Fertala J a kol. Nucleus pulposus cells upregulate PI3K/Akt and MEK/ERK signaling pathways under hypoxic conditions and resist apoptosis induced by serum withdrawal. Spine (Phila Pa 1976). 2005;30(8):882-9. 21. Chen B, Fellenberg J a kol. Occurence and regional distribution of apoptosis in scoliotic discs. Spine (Phila Pa 1976). 2005;30(5):519-24. 22. Jones P, Gardner L a kol. Intervertebral disc cells as competent phagocytes in vitro: implications for cell death in disc degeneration. Arthritis Res Ther. 2008;10(4):R86. 23. Rannou F, Lee TS a kol. Intervertebral disc degeneration: the role of the mitochondrial pathway in annulus fibrosus cell apoptosis induced by overload. Am J Pathol. 2004;164(3):915-24. 24. Heyde CE, Tschoeke SK a kol. Trauma induces apoptosis in human thoracolumbar intervertebral discs. BMC Clin Pathol. 2006;6:5. 25. Lyons G, Eisenstein SM, Sweet MB. Biochemical changes in intervertebral disc degeneration. Biochim Biophys Acta. 1981;673:443–453. 26. Kohyama K, Saura R, Doita M, Mizuno K. Intervertebral disc cell apoptosis by nitric oxide: biological understanding of intervertebral disc degeneration. Kobe J Med Sci. 2000;46(6):283-95. 27. Kim KW, Kim YS a kol. An autocrine or paracrine Fas-mediated counterattack: a potential mechanism for apoptosis of notochordal cells in intact rat nucleus pulposus. Spine (Phila Pa 1976). 2005;30(11):1274-51. 28. Park JB, Chang H, Kim KW. Expression of Fas ligand and apoptosis of disc cells in herniated lumbar tissue. Spine (Phila Pa 1976). 2001;26(6):618-21. 29. Hunter CJ, Matyas JR, Duncan NA. The notochordal cell in the nucleus pulposus: a review in the kontext of tissue engineering. Tissue Eng. 2003;9(4):667-77. 30. Kim KW, Lim TH a kol. The origin of chondrocytes in the nucleus pulposus and histologic findings associated with the transition of a notochordal nucleuspulposus to a fibrocartilaginous nucleus pulposus in intact rabbit intervertebral discs. Spine (Phila Pa 1976). 2003;28(10):982-90. 31. Risbud MV, Albert TJ a kol. Differentiation of mesenchymal stem cells towards a nucleus pulposus-like phenotype in vitro: implications for cell-based transplation therapy. Spine (Phila Pa 1976). 2004;29(23):2627-32. 32. Tao a kol. Differentiation of mesenchymal stem cells into a nucleus pulposus cells in vitro. J Huazhong Univ Sci Technolog Med Sci. 2008:28(2):156-8. Šíření toho dokumentu bez vědomí a svolení autora je zakázáno.


Buňky v nucleus pulposus meziobratlové ploténky

Recommend Documents