Prof. MUDr. Jaroslav Masopust, DrSc. 2. lékaøská fakulta UK Praha, Ústav klinické biochemie a patobiochemie
IVOT jako DÌDIÈNÉ SMRTELNÉ ONEMOCNÌNÍ pøenáené POHLAVNÍMI BUÒKAMI (Vývoj jedince a jeho patologie, oxidaèní stres, stárnutí, regenerace) - 1. èást 1. Úvod Lidský ivot mùeme parafrázovat jako dìdièné smrtelné onemocnìní pøenáené pohlavní cestou s velmi rùznými projevy a s chronickým, subchronickým nebo té s akutním i perakutním prùbìhem. Prevencí a léèením mùeme jen zmírnit doprovodné nepøíznivé nebo kodlivé stavy a pøíznaky. Pøes tuto zdánlivì smutnou vyhlídku stojí za to jej ít, protoe má i svìtlé stránky, krásné proitky a poznatky, které z nìj vytváøejí jedineènou a nejpodivnìjí existenci v celém vesmíru. Je tedy souèástí naeho vesmíru, prostoroèasového kontinua, které zaèalo velkým tøeskem asi pøed 13,7 miliardami let a které se prý vyvíjí podle jednoho programu z (n)500 moných; jedním takovým programem je vznik èlovìka na naí planetì. Datuje se od vzniku primitivních forem ivota na Zemi. To je asi pøed 3,5 miliardou let, kdy vznikly udritelné podmínky pro existenci a rozvoj dvou základních slouèenin - nukleových kyselin a bílkovin. Vlastní ivot èlovìka, kterého stavíme na vrchol vývoje ivých tvorù, se pøipravuje seznámením a pøiblíením jedincù opaèného pohlaví, kteøí jsou nositeli zárodeèných bunìk (gamet) s potøebnou genetickou informací (programem). To je prodromální stádium ivota. Vlastní ivot jedince 4
Labor Aktuell 01/09
zaène a oplozením vajíèka spermií. Z oplozeného vajíèka se vyvine zárodek (embryo) a dále plod (fetus). Tato fáze se dìje v tìle matky (na existenci matky úzce závislá) a je zakonèena porodem (zrození). Nazývá se proto prenatální. Od tohoto data se mìøí vlastní délka ivota jedince (fáze postnatální). Konèí smrtí (exitus). Pøi chronickém prùbìhu to bývá v souèasné dobì 2 - 2,7 miliard sekund, maximálnì (zatím) 4 miliardy. Èlovìk, který je nadán mozkem umoòujícím abstraktní mylení, je jedinou ivou bytostí (alespoò na této planetì), která se zabývá mylenkou, odkud pøiel a kam spìje on i celý vesmír a co je smysl ivota. V tomto sdìlení se nebudu zabývat filozofií nebo náboenským nazíráním na ivot (snad a na závìr), ale pokusím se velmi zjednoduenì popsat, co víme o molekulových mechanismech, které vznik ivota a vývoj lidského jedince provázejí a co jej mùe potkat a ovlivnit (po stránce medicínské).
2. Ontogeneze (vývoj jedince) Embryo Zaèíná splynutím zárodeèné buòky (gamety) enské a muské (vajíèka a spermie), tj. oplodnìním (fertilizací). Jde o sloitý proces, pøi nìm z asi 250 000 000 (!!!) spermií ve vaginální dutinì pøi pohlavním styku se do dìloní dutiny dostane v prù-
mìru 100 000 a jen ménì ne 50 (!) a do vejcovodu, v nìm protismìrnì putuje vajíèko, uvolnìné z vajeèníkù pøi ovulaci. Kdy vajíèko doputuje (za 1 a 2 dny po ovulaci) pùsobením kontrakcí svaloviny vejcovodu do prostoru mezi jeho zúením a ampulou, dochází (obvykle jedinou spermií) k oplodnìní (ivotnost spermie po ejakulaci trvá 48 - 72 hodin). (Obr. 1). Ne kadý mu, jinak zjevnì zdravý, vytváøí spermie schopné oplození. Jednou z mnoha pøíèin je kupø. hydroxylace DNA spermií volnými radikály za vzniku patologické oxyDNA. Jako biomarker tohoto pokození je prùkaz 8-oxoguaninu (Meseger M., 2008). Zpravidla pouze jediné spermii je umonìno proniknout do nitra vajíèka. Hlavièka spermie adheruje nejprve na povrchovou membránu (zona pellucida). Dìje se tak interakcí komplementárních molekul na povrchu plazmatických membrán obou gamet. Byla identifikována øada faktorù pùsobících pøi této aktivitì, jako kupø. epididymální glykoprotein (DE), èlen rodiny CRISP (cystein-rich secretory protein), jeho inhibice aplikací specifické protilátky mùe být jedním ze zpùsobù, jak zabránit oplodnìní (Diego A., 2008). Po transportu spermie skrz zona pellucida do perivitelinního prostoru (trvá to 15-25 min.) dojde k uvolnìní kortikálních granul, které blokují prùnik dalích spermií pùso-
Obr. 1: Cesta spermie a vajíèka po kopulaci
bením hydrolytických enzymù naruujících molekuly receptorù (Obr. 2). V této fázi se kompletizuje druhé meiotické dìlení a vzniká muský pronukleus (muské prvojádro), obsahující polovièní (haploidní) poèet chromozomù. Po penetraci vitelinní membrány se vytvoøí i enský pronukleus. Obì prvojádra putují k centru vajíèka, jejich haploidní chromozomy replikují, vytváøí se mitotické vøeténko a nastává mitotické dìlení (rýhování) za vzniku dvou bunìk, spolu spojených - blastomér. Pøi meióze dochází k jedné replikaci, po ní následují dvì bunìèná dìlení, take z kadé diploidní buòky vzniknou 4 haploidní buòky. Obèas meióza probíhá abnormálnì a homologní chromozomy se od sebe neoddìlí, dojde k nondisjunkci. V tomto pøípadì nìkteré haploidní buòky postrádají
urèitý chromozom, zatímco jiné ho mají nadbyteèný. Takové gamety dávají vzniknout abnormálním zárodkùm; vìtina zanikne, ale nìkteré pøeívají, vyvíjí se dále. Napøíklad Downùv syndrom je zpùsoben pøítomností nadbyteèné kopie chromozomu 21 (diploidní buòka po oplodnìní má tøi kopie chromozomu 21 místo normálních dvou). (Obr. 2) Aèkoliv bunìèná struktura lidského tìla je velmi sloitá, je vytváøena omezeným repertoárem bunìèných aktivit: Buòky rostou a dìlí se (proliferace), umírají (apoptóza), pøichycují se (adherence), diferencují se zapínáním nebo vypínáním aktivit specifických sad proteinù, vyvíjejí síly umoòující pohyb, vytváøejí molekulové signály ovlivòující sousední buòky
a dovedou na tyto signály reagovat. Genom, který je v kadé jaderné buòce stejný, urèuje pravidla, podle kterých jsou tyto rùzné bunìèné aktivity uplatòovány. Takto se ovlivòuje celý sloitý mnohobunìèný proces vývoje, kterým vzniká dospìlý organismus z oplodnìného vajíèka. Tento proces je øízen sloitým bunìèným informaèním systémem, kterým je bunìèná signalizace. V poèáteèních fázích vývoje, kdy jetì není vytvoøen funkèní cirkulaèní systém, signály mezi buòkami jsou íøeny difuzí parakrinnì (pouze difuzibilní proteiny a na krátkou vzdálenost) a juxtakrinnì (nedifuzibilní proteiny mezi sousedícími buòkami); po vytvoøení cirkulace je to také cesta endokrinní, umoòující pøenos i na vzdálené oblasti. Parakrinní faktory vyvolávají bunìèné aktivity cestou signální transdukce buï aktivací (navozením fosforylace) jednotlivých èlenù signální dráhy nebo odblokováním jejich inhibitorù. Juxtakrinní signalizace se dìje tøemi zpùsoby: (a) tzv. gap junction, to je kanálky (tzv. konexiny) v membránách na sebe naléhajících bunìk (b) pomocí receptoru na povrchu buòky (kupø. signální dráha Notch) (c) pomocí ligand (kupø. fibronektin, laminin) a jejich receptorù (kupø. integrinù) v extracelulární matrix, jejich sekrece je navozena vzájemným kontaktem dvou sousedících bunìk. Notch proteiny jsou typem transmembránových glykoproteinù dùleitých pro správný rozvoj a interakci mezi bunìènými typy v prùbìhu ontogeneze. Notch signalizace hraje dùleitou úlohu kupø. pøi diferenciaci epidermis a vlasových váèkù. Od poèátkù ontogeneze se na rùstu a diferenciaci bunìk a tkání podílejí rùzné rùstové a diferenciaèní faktory (GDFs), které mono klasifikovat do nìkolika skupin:
Obr. 2: Schéma oplodnìní vajíèka spermií (fertilizace)
Fibroblastové rùstové faktory (FGF) Byly identifikovány dvì a tøi desítky genù kódujících nìkolik set izoforem proteinových faktorù, které aktivují rùzné receptory fibroblastových rùstových faktorù (FGFRs). Tyto pak navozují bunìènou signalizaci (signální dráhy) podílející se na angiogeneze, rùstu nervových axonù nebo diferenciaci mezodermu. Nìkteré se Labor Aktuell 01/09
5
renciace urogenitálního ústrojí. Receptory jsou èlenové frizzled family. (Obr. 5) TGF-beta superfamily Tato nadrodina má více ne 30 èlenù, ke kterým patøí transformující rùstový faktor beta (TGF-beta), kostní morfogenetické proteiny (BMP), rodina aktivinu, Muellerian inhibiting factor (MIF). TGF-beta proteiny jsou dùleité pro tvorbu extracelulární matrix a vìtvení epitelií pøi vývoji plic, ledvin, slinných láz. Rodina BMP indukuje tvorbu kosti, podílí se na regulaci bunìèného cyklu dìlení, na apoptóze nebo migraci bunìk a øadì dalích mechanismù.
Obr. 3: Signalizace rùstových faktorù
i vzájemnì zastupují. Kupø. FGF8 se podílí jak na vývoji konèetin, tak na vývoji nìkterých èástí mozku. (Obr. 3) Hedgehog proteiny jsou kódovány tøemi geny, Desert (Dhh), Indian (Ihh) a Sonic hedgehog (Shh). Poslednì jmenovaný se podílí na øadì vývojových mechanismù, jako je formování konèetin, indukce a formování neurální trubice, diferenciace somitù, regionalizace støeva apod. Receptorem pro rodinu hedgehog je Patched
Obr. 4: Signalizace hedgehog
6
Labor Aktuell 01/09
(Ptch), který blokuje proteinové faktory nazvané Smoothened (Smo). Odblokované Smo proteiny realizují transdukcí hedgehog signalizaci. Jde tedy o aktivaci transdukce signálu mechanismem dereprese represe. (Obr. 4) WNT proteiny Bylo identifikováno více 15 rùzných WNT faktorù podílejících se na signalizaci vývoje, jako regulace formování konèetin, vývoj støedního mozku, somitù nebo dife-
Oct-3/4 Jde o 34kDa POU transkripèní faktor, který je exprimován embryonálními kmenovými buòkami nebo zárodeènými buòkami. Udruje aktivitu samoobnovy bunìk a jeho pøítomnost podmiòuje pluripotenci (omnipotenci). Nanog Je èlen rodiny homeobox vázajících transkripèních faktorù, udrujících aktivitu pluripotence embryonálních kmenových bunìk. Tak jak tyto buòky postupnì diferencují, jejich pluripotentní aktivita se sniuje. (Obr. 6) Èasování dìlení oplodnìného vajíèka je následující: 2 buòky (blastomery) vzniknou za 26 hod., 4 buòky za 46 - 48 hod., 8 bunìk za 51 - 62 hod., vznik moruly (útvar obsahující > 16 blastomer) za 11135 hod. Implantace do dìlohy: Ve stádiu moruly vstupuje zárodek do dutiny dìloní, mìní se (za 123-147 hod.) na blastocytu, co je kulový útvar s dutinou a dvìma typy bunìk, vytváøejících trofoektoderm (vnìjí vrstva) (základ pozdìjí placenty) a dále bunìèné nakupení ve vnitøní vrstvì (základ plodu). Implantace do endometria tìhotenské dìlohy a napojení na mateøskou krevní cirkulaci zaèíná 7. den po ovulaci. Implantace embrya je dynamický proces parakrinní interakce mezi kompartmentem matky a zárodkem, který umoòuje adaptaci endometria na vývojovì zralou blastocystu. Blastocysta se naváe na endometrium tak, e konec blastocyty, v které se vyvíjí zárodek, je obrácen
né tìhotenské faktory, pregnancy-related proteiny, faktor aktivující destièky, cytokiny (kupø. interleukin-10) a dalí. Implantace lidského zárodku do endometria matky má za následek kompletní remodelaci dìloních tepen extravilózním trofoblastem. Jedním z mnoha faktorù, který mùe zpùsobit abnormity ve vývoji èasného stádia placenty, je nesprávná aktivace receptoru PPAR-gama a jaterního receptoru X (LXR). Pøítomnost nadmìrného mnoství ligand (jako jsou oxyLDL èástice) v místì implantace mùe vést k pokození plodu a ke vzniku preeklampsie (Fournier T., 2008). Pøi implantaci se musí vyøeit paradox - mateøská non-rejekce fetálního allograftu, tedy zabránìní imunitní reakci matky na otcovské alloantigeny plodu. Nìkdy se tento pro plod ochranný mechanismus neuplatní a dochází k spontánnímu potratu (Chaouat G. et al., 2007).
Obr. 5: Signalizace WNT
Placenta Hlavní funkcí placenty je: (a) výmìna produktù metabolismu mezi cirkulací matky plodu (b) tvorba hormonù jako je progesteron, estrogeny (estriol), somatomamotropin, choriový gonadotropin (hCG).
Obr. 6: Signální dráhy v èasné fázi embryogeneze
do dutiny dìlohy. Buòky trofoektodermu vytváøejí mikrovilli proplétající se s buòkami tìhotenského endometria (nazývá se decidua), které se do této formy pøemìnilo úèinkem progesteronu produkovaného z corpus luteum ovaria. Decidua je charakterizována velkými polyhedrálními buòkami s bohatým obsahem glykogenu a lipidù, èasto s více jádry. Dalí produkce progesteronu tìhotnou enou udruje tìhotenství. Implantace se dìje interdigitalizací mikrovilli s trofoektodermem; vzniká tak vnitøní vrstva cytotrofoblastu a vnìjí vrstva
syncytiotrofoblastu. Buòky syncytiotrofoblastu produkují proteolytické enzymy (kupø. matrix-metaloproteináza 9), které erodují endometrium a umoòují tak zanoøení embrya do hloubky endometria. Tato aktivita trofoblastu je velmi pøísnì regulována, invazivita je nejvyí v 1. trimestru a postupnì se sniuje na základì zmìn v expresi genù ovlivòujících komplexní mechanismus aktivace/inhibice proteolytických enzymù. Na implantaci embrya se podílí øada mateøských a embryonálních faktorù, jako jsou rùstové faktory (placentární rùstový hormon), histamin, prostaglandiny (15-deoxy-prostaglandin J), èas-
Invazivní diferenciaèní aktivita trofoblastu (pøipomínající nádorovou proliferaci) je nutný fyziologický proces pøi vývoji placenty. Tvorba zakotvujících se klkù, proliferace bunìèných svazkù a invaze extravilózního cytotrofoblastu do stromatu mateøské decidui navozuje vaskulární zmìny pro zajitìní adekvátního krevního zásobení pro rostoucí plod. Na tomto diferenciaèním procesu se podílí øada faktorù signalizaèní kaskády jako je GTPáza RhoA, proteinkinázy ROCK, ERK1, ERK2, FAK, PI3K, AKT/PKB, dále mTOR a TGFbeta-dependentní SMAD faktory (Pollheimer J. et al., 2005). V èasné fázi placentace je nastoleno relativnì hypoxické prostøedí, které je nezbytné pro správný vývoj plodu. Intervilózní krevní cirkulace stoupá výraznìji po 12.-13. týdnu gestace a je pøíèinou zvýené tenze kyslíku (pO2). Pøed kodlivým úèinkem nadbyteèného kyslíku chrání trofoblast faktor HIF-1 (hypoxia inducibile factor 1). S expresí laboratornì prokazatelné podjednotky HIF-1beta stoupá paralelnì sekrece TGF-beta3, Labor Aktuell 01/09
7
který potlaèuje èasnou diferenciaci bunìk trofoblastu (Caniggia I., 2000). Fetus Fetální stádium zaèíná 9. týdnem gestace a konèí porodem. Je charakterizováno rychlým rùstem celého plodu a vytváøením jednotlivých orgánových systémù. Rùst do délky postupuje rychlostí 5 cm/ mìsíc mezi 3.-5. mìsícem gestace; poslední 2 mìsíce pøed porodem narùstá jeho hmotnost o 700 g/mìsíc. (Tab. 1)
Kouøení matky v tìhotenství zvyuje perinatální morbiditu a mortalitu: placenta previa (RR-1,36), redukce hmotnosti, pøedèasný porod, asfyxie bìhem porodu, syndrom respiraèní tísnì apod. Také vystavení exhalacím tabákového kouøe mùe mít stejný úèinek (koreluje s mnostvím nikotinu v krvi: 10 µg/l). Novorozenec - dítì - dospìlý jedinec Porodem se datuje vlastní ivot jedince. Novorozenec je stále závislý na péèi mat-
Tab. 1: Vývoj embrya a fétu
Prenatální mortalita a morbidita je pomìrnì vysoká. Uvádí se, e a 30 % tìhotenství konèí spontánním potratem. (Tab. 2, Obr. 7)
Tab. 2: Frekvence teratogeneze v prenatálním období
Obr. 7: Grafické znázornìní teratogeneze v prenatálním období
8
Labor Aktuell 01/09
ky nebo dospìlých, ale na rozdíl od ochranného prostøedí, kterým byla dìloha, je u plnì vystaven vlivùm vnìjího prostøedí. Adaptace na nové podmínky je základním pøedpokladem jeho dalí existence. Neonatální mortalita je nejvyí v prvních 24 hodinách po porodu; na 1. rok ivota pøipadá nejvìtí procento exitù ve srovnání s ostatními léty ivota. Asi 1 % novorozencù má dìdiènou malformaci a 0,5 % je postieno hereditárními poruchami vývojovými a metabolickými. Situace vak nemusí být tak jednoduchá. Tak kupø. dvì autoimunitní zánìtlivá onemocnìní, diabetes mellitus typu 1 a coeliakie, která se èasto vyskytují pohromadì, mají genetický základ, jsou sdruena s geny HLA tøídy II lokalizovanými na chromozomu 6p21. Nedávné studie (Smyth D.J., 2008) prokázaly, e situace je sloitìjí: byly objeveny alterace té jiných genù, které jednak zvyovaly riziko klinického projevu coeliakie, ale sniovaly náchylnost k diabetu mellitu typu 1 (IL 18RAP a TAGAP alely na chromozomu 2q12 resp. 6q25). Rozdílný vliv na obì onemocnìní mìly i dalí lokusy (INS na chromozomu 11p15, IL2RA na 10p15, PTPN22 na 1p13, IL12A na 3q25 nebo LPP na 3q28). Tyto
nálezy nasvìdèují tomu, e spoleèné biologické mechanismy, jako je autoimunitní pokození pøísluných tkání a intolerance k potravinovým antigenùm, jsou spoleènými rysy obou chorob. Jedním z faktorù, který významnì naruuje zdraví zejména obyvatel velkých mìst nebo ijících v okolí prùmyslových lokalit, jsou exhalaèní produkty zneèiující vzduch (air pollution). Nejde jen o toxiny, jako jsou oxidy dusíku, oxid siøièitý, ozon nebo prchavé aromatické slouèeniny, ale té o mikroskopické prachové èástice o aerodynamickém prùmìru 10 a 0,1 nm (nanoèástice). Tyto èástice mohou pronikat hluboko do plic pøi dýchání. Mnohé sloky tìchto exhalací nejsou pøímo toxické, nìkteré kupø. NaCl nekodí vùbec; naproti tomu výfukové plyny pøi déle trvající expozici navozují oxidaèní stres a zánìtlivé reakce v plicích s následným vyplavováním protrombotických a prozánìtlivých cytokinù (IL-1-beta, IL-6) a GM-SCF do krevní cirkulace z alveolárních makrofágù (Mills N.L., 2008, Medscape). Kromì toho nanoèástice translokované z alveolù do cirkulace atakují pøímo cévní endotel a spolu s LDL-èásticemi mají vliv na vznik ateromových plátù a tím zvyují riziko závaných kardiovaskulárních chorob (Obr. 8). Kromì toho v posledním desetiletí se upozoròuje na zneèitìní vod (povrchové vody, moøe) medikamenty pouívanými v humánní i veterinární medicínì (Liebig M., 2006; Brain R.A., 2008), kam se dostanou z kanalizaèního odpadu. Tato farmaceutika jsou biologicky aktivní; jejich zátì pro ivé organismy je srovnatelná se zátìí pesticidy. Jejich toxicita v koncentraci analyzovaných vzorkù byla prokázána u rùzných øas nebo vodních rostlin. Na antibiotika jsou zvlá citlivá Cyanobakteria. Problém je v tom, e tyto látky se dostávají do potravinového øetìzce a mohou tak pùsobit neádoucnì i na èlovìka, který jinak léky neuívá. Poznámka: V naem tìle nejsou jen nae buòky; dokonce tìch nevlastních (nalézajících se v trávicím ústrojí) je 90 % vech bunìk v tìle a naich vlastních jen (rozumí se poèet) 10 %. Gastrointestinální trakt obsahuje 1014 (100 000 miliard = 100 trilionù) mikroorganismù, asi
Obr. 8: Mechanismus pokození kardiovaskulárního systému exhalovanými nanoèásticemi
36 000 rùzných druhù. Tyto mikroorganismy vytváøejí sloitý ekosystém s celkovým genetickým poolem (= mikrobiom) 100krát vìtím ne je genom èlovìka (viz BMJ, 2009). Ve skuteènosti jsme hybridní superorganismus. Typ a poèet baktérií se lií, postupujeme-li od aludku po tlusté støevo, v závislosti na pH, koncentraci kyslíku a dostupnosti ivin. Udrování této populace rezidentních mikrobù, nazývaných støevní mikrobionta, má pro hostitele znaèný význam. Brání kolonizaci patogenních mikroorganismù. Jeli normální flóra destabilizována kupø. aplikací irokospektrých antibiotik, mohou proliferovat oportunní patogeny jako Clostridium difficile a navodit prùjmová onemocnìní. Bakteriální metabolismus poskytuje také nezbytné vitaminy a kofaktory jako vitamin K, foláty nebo biotin. Kromì toho asi 5-30 % energetické potøeby hostitele vzniká z fermentaèní èinnosti baktérií. Dalí význam spoèívá v tom, e baktérie se podílejí na vývoji a regulaci imunitního systému hostitele (Child M., Macfarlane G., 2008). (pokraèování)
Diagnostická divize spoleènosti Roche uvádí na trh první test na zjitìní preeklampsie Spoleènost Roche v lednu oznámila, e uvádí na trh první in vitro diagnostický test pro zjitìní preeklampsie. Firma Roche obdrela certifikát CE pro imunoanalytické testy hladiny PlGF a sFlt-1 pro pouití se systémy Elecsys® / cobas® e, zaloenými na elektrochemiluminiscenèní imunoanalýze. Podle vìdeckých zjitìní mají významný podíl na rozvoji preeklampsie angiogenní rùstové faktory, jako je PlGF (Placenta Growth Factor) a sFlt-1 (soluble fms-like tyrosine kinase-1). PlGF je odpovìdný za normální funkci placenty, a tudí i za správnì probíhající tìhotenství, zatímco sFlt-1 má vliv na ukonèení tìhotenství v posledních týdnech gravidity. U en, které onemocní preeklampsií, se hladina tìchto proteinù cirkulujících v jejich tìle zmìní. Hladina sFlt-1 v plazmì se zvýí jak pøed stanovením diagnózy, tak i v dobì klinického projevu preeklampsie, zatímco hladina PlGF je oproti normálnímu tìhotenství nií. Na základì kombinovaného pomìru sFlt-1/PlGF pak lze rozeznat normální prùbìh tìhotenství od tìhotenství provázeného preeklampsií. Tento test pøedstavuje pro zdraví en dalí dùleitý mezník. Jsme hrdí, e jsme první spoleèností, která lékaøùm a laboratoøím tuto inovativní technologii poskytuje, øekl Dirk Ehlers, øeditel prodejní jednotky Profesionální diagnostika spoleènosti Roche.
Labor Aktuell 01/09
9