Jan Vondráček
Plíce a dýchací cesty - principy vývoje a
organizace - transport plynů
Struktura a stavba dýchacích cest a plic
Ross & Pawlina, Histology, 6th ed., Lippincott Williams & Wilkins, 2011
horní a dolní cesty
dýchací + plíce;
základní funkce – výměna
O2 a CO2;
další funkce – zásobárna
krve, výměna tepla,
metabolická funkce,
imunologická a
mechanická obrana
organismu;
Členění dolních dýchacích cest
Struktura a stavba dýchacích cest a plic
průdušnice (trachea);
průdušky (bronchi);
průdušinky (bronchioli);
plicní váčky (alveolar
sacs);
plicní sklípky (alveoli);
konduktivní zóna;
přechodná a respirační
zóna;
Rozdílné tlaky plynů ve vzduch a krvi
CELKOVÉ A ČÁSTEČNÉ TLAKY PLYNŮ (mm Hg)
VZDUCH TRACHEÁLNÍ
VZDUCH
ALVEOLUS ARTERIÁLNÍ
KREV
VENÓZNÍ
KREV
PO2 159.1 149.2 104 100 40
PCO2 0.3 0.3 40 40 46
PH2O 0.0 47.0 47 47 47
PN2 600.6 563.5 569 573 573
Pcelkový 760.0 760.0 760 760 706
Stavba plicního sklípku
plicní sklípek
(alveolus) – základní
funkční jednotka pro
výměnu plynů;
každý sklípek je
obklopen sítí kapilár;
v každé plíci
dospělého člověka je
cca 150 až 250
miliónů sklípků;
celková plocha cca 75
m2 – velikost
tenisového kurtu;
Ross & Pawlina, Histology, 6th ed., Lippincott
Williams & Wilkins, 2011
Přenos CO2 a O2 mezi alveolem a krví – difuze přes respirační
membránu – rozdílný parciální tlak a rozpustnost CO2 a O2
Respirační membrána
alveolární tekutina
(surfaktant);
alveolární epitel
(typ 1, 2);
basální membrána
alveolárního
epitelu;
(intersticiální
prostor);
basální membrána
kapilárního
endotelu;
kapilární endotel;
Ross & Pawlina, Histology, 6th ed., Lippincott
Williams & Wilkins, 2011
Epitel dýchacích cest a plic
zásadní roli ve stavbě, funkci i schopnosti regenerace
dýchacích cest i plic hrají epiteliální buňky různého
typu;
Development 2017, 144: 986-997
Regenerace plic a dýchacích cest
Development 2014, 141: 502-514
plíce a epitel dýchacích cest nepředstavují tkáň, která je
konstantně obnovována;
ale!! – plicní epitel (tkáň) je schopen regenerace po poškození –
infekce, nepřiměřená imunitní reakce, toxické látky, hyperoxie…;
odebrání části plic (cca 50%) – regenerační procesy, které sice
neobnoví plíci jako takovou, ale umožní obnovení původní kapacity
respiračního epitelu pro přenos plynů;
Epitel průdušnice
vícevrstevný epitel (pseudovrstevnatý)
obsahující několik základních buněčných
typů:
řasinkové buňky (ciliated cells) –
nejpočetnější buněčný typ – každá má na
apikální straně cca 250 řasinek – zajišťují
pohyb hlenu (odstraňování patogenů a
nečistot), výdej vody do lumen dýchacích
cest – zvlhčování sliznice a vzduchu;
pohárkové buňky (goblet cells, mucous
cells) – podobné analogickým buňkám ve
střevním epitelu – tvorba mucinu pro hlen
dýchacích cest;
kartáčové buňky (brush cells) – lem
mikroklků;
neuroendokrinní buňky;
bazální buňky (basal cells) –
kmenové/progenitorové buňky
Epitel průdušnice
Ross & Pawlina, Histology, 6th ed., Lippincott Williams & Wilkins, 2011
Epitel průdušek a průdušinek
s postupným větvením se epitel mění z vícevrstevného na
jednoduchý epitel;
další typy sekrečních buněk – Clarovy buňky (Clara cells, club
cells), označované obecně jako sekreční buňky;
Ross & Pawlina, Histology, 6th ed., Lippincott Williams & Wilkins, 2011
Clarovy buňky (club cells)
buňky krychlového tvaru, bez řasinek, které nesekretují hlen;
v dýchacích cestách člověk jsou primárně lokalizovány v terminálních
průdušinkách, kde tvoří až 20% buněk;
produkují CCSP (club cell secretory protein, secretoglobin 1a1 – SCGB1A1) - +
další proteiny přispívající k ochraně dýchacích cest, funkce progenitorových buněk,
biotransformace xenobiotik;
Ross & Pawlina, Histology, 6th ed., Lippincott
Williams & Wilkins, 2011
Epitel průdušek a průdušinek
řada odlišností myš vs. člověk – včetně struktury plic!
v průdušnici a průduškách jsou hlavními buněčnými typy bazální,
pohárkové a řasinkové buňky; u člověka se tyto buněčné typy
vyskytují na všech úrovních dýchacích cest, ale jejich množství klesá
tak jak se proximální průdušinky větví dále do terminálních
průdušinek;
u myši jsou kromě pohárkových buněk i v průdušnici jiné buněčné
typy – serózní a Clarovy buňky, zatímco u člověka se vyskytují spíše
v průdušinkách, spolu s neuroendokrinními buňkami;
Cell Stem Cell 2014, 15: 123 -138
Epitel průdušek a průdušinek
u člověka jsou průdušinky v plicích (až do průměru 1 – 1.5 mm) –
lemovány vícevrstevným epitelem obsahujícím řasinkové, sekreční a
neuroedokrinní buňky – u myši je podobný vícevrstevný epitel
lokalizován v průdušnici (průměr 1,5 mm), průduškách a prvních 2 – 3
generacích větvení průdušinek – tato část se bere jako model pro
lidské dýchací cesty;
Cell Stem Cell 2014, 15: 123 -138
Epitel plicních sklípků
na přechodu průdušek a plicních váčků/sklípků – radikální změna
epitelu - BADJ – jiný u myši i u člověka;
primární buněčné typy představují pneumocyty (alveolární
epiteliální buňky) typu I a pneumocyty typu II;
zajišťují výměnu plynů (pneumocyty I) a další funkce alveolárního
epitelu (pneumocyty II);
Development 2017, 144: 986-997
alveolární makrofágy;
kartáčové buňky;
plicní sklípky jsou oddělené
septy – tenká vrstva vaziva,
obklopující kapiláry;
Pneumocyty typu I
tvoří cca 40% alveolárních epiteliálních buněk, ale pokrývají 95%
povrchu plicních sklípků;
extrémně ploché buňky – ve středu 4 – 6 mM (jádro, několik cisteren
endoplazmatického retikula, malý Golgiho aparát a malé mitochondrie –
cytoplazmatické výběžky – tloušťka 20 až 25 nM;
jejich hlavní úlohou je usnadnit výměnu plynů;
Ross & Pawlina, Histology, 6th ed.,
Lippincott Williams & Wilkins, 2011
Pneumocyty typu II
tvoří cca 60% alveolárních epiteliálních buněk, ale pokrývají jen
5% povrchu plicních sklípků; kubické buňky
apikální cytoplasma je vyplněna
speciálními granuly – lamelární
tělíska;
obsahují směs fosfolipidů a
proteinů vytvářejících
surfaktant;
snižuje povrchové napětí a
zabraňuje kolapsu plicních
sklípků při výdechu;
dipalmitoylfosphatidylcholin
(DPPC) + proteiny surfaktantu
(SP-A, B, C a D) – hrají roli jak v
tvorbě surfaktantu, tak v imunitě;
progenitorové buňky epitelu
plicních sklípků;
Ross & Pawlina,
Histology, 6th ed.,
Lippincott Williams &
Wilkins, 2011
Buňky imunitního systému v plicních sklípcích
Nat. Rev. Immunol. 2014, 14: 81–93
alveolární
makrofágy;
dendritické buňky;
T buňky;
neutrofily – akutní
nebo chronický zánět,
kuřáci, silikóza apod.;
pneumocyty typu II
tedy hrají významnou
roli i v regulaci
imunitní odpovědí v
plicích – jsou např.
schopné produkovat
řadu cytokinů, apod.
Regenerace plic a dýchacích cest
Development 2014, 141: 502-514
podobně jako u jater je identita kmenových/progenitorových
buněk v dýchacích cestách a plících známa jen částečně;
jak probíhá regenerace poškozeného plicního epitelu?
nápověda – vývoj plic – embryonální a postnatální;
Vývoj plic myši
Development 2014, 141: 502-514
několik stádií:
specifikace plicního
endodermu (E9, odpovídá
E28 u člověka) na přední
straně předního střeva –
vznik laryngotracheální
výchlipky;
embryonální fáze výsledkem
je vytvoření
základu dýchacích cest a
respirační zóny (hlavní roli
zde hraje BMP a Wnt
signalizace);
větvící morfogeneze
(branching morphogenesis)
– FGF signalizace;
Vývoj plic myši
Development 2014, 141: 502-514
pseudoglandulární fáze –
větvení až do terminálních
bronchiol;
kanalikulární fáze –dělení
na respirační bronchioly
dále na alveolární kanálky;
vznik pneumocytů typu I;
fáze váčků - tvoří se
primitivních plicních
sklípků, které jsou již v
kontaktu s kapilárami;
alveolární fáze – probíhá
částečně i po narození
tvorba finální struktury
sklípků a kapilár – zahájení
dýchání;
Alveolární fáze
Cell Stem Cell 2014, 15: 123 -138
alveolární fáze – probíhá i po narození – významný nárůst počtu a celkového
povrchu plicních sklípků (20 > 300 mil. plicních sklípků);
tvoří se nová septa a probíhá intenzívní vaskularizace; do sept migrují různé
typy stromálních buněk, hrajících podpůrnou roli v plicní tkáni (pericyty,
myofibroblasty, lipofibroblasty) – mj. vytvářejí mechanické struktury důležité pro
otevřených terminálních průdušinek, mechanické síly hrají důležitou roli ve
vývoji i regeneraci plicních sklípků;
do embryonálního vývoje plicního epitelu významně přispívá i mesoderm;
Mesoderm – úloha ve vývoji plic vs. tvorba
podpůrných buněk
plicní mesoderm – parakrinní signalizace určující vývoj endodermu –Wnt2
a BMP4 – indukce transkripčního faktoru Nkx2.1 – plicní endoderm (ale hraje
úlohu i v dospělosti – např. potlačuje vznik nádorů);
Fgf10 - zásadní pro větvící morfogenezi;
tvorba buněk mesenchymálního původu pro vynikající plíce – buňky hladké
svaloviny, endoteliální buňky, pericyty, alveolární fibroblasty,
myofibroblasty, lipofibroblasty, apod.
Development 2014, 141: 502-514
Příklad významu Wnt2/b-kateninové signalizace
Develop. Cell 2009, 17: 290-298
Nkx2.1
exprese
Hierarchie vývoje plicních buněk
Development 2014, 141: 502-514
ve vyvíjejících se plicích
vzniká postupně několik
typů progenitorů;
proximální progenitory –
dávají vznik jak
neuroendokrinním buňkám
tak sekrečním (pohárkové)
a řasinkovým buňkám
dýchacích cest;
distální progenitory –
dávají vznik pneumocytům
typu I a II;
Regionální populace kmenových/progenitorových buněk
udržují homeostázu a regeneraci plicní tkáně
různé části dýchacích cest a plic obsahují rozdílné populace
„adult stem cells“;
tyto buňky jsou často diferencované – Clarovy buňky a
pneumocyty typu II, které umožňují regeneraci epitelu terminálních
průdušinek a plicních sklípků;
podobně jako v jaterní tkání zde pozorujeme fenomén
dediferenciace – při specifických typech poškození plic
diferencovaná buňka mění svůj fenotyp na buňku méně
diferencovanou a proliferující – velká buněčná plasticita –
výhodné pro regeneraci, ale zároveň se může negativně projevit
při různých onemocněních, vč. nádorových;
Některé populace kmenových a progenitorových
buněk v dýchacím traktu
Oncogene 2010, 29: 4625–4635
pro většinu epiteliálních
buněk konduktivní zóny
představují populaci
progenitorových buněk
bazální kmenové buňky;
v průdušinkách jsou
zdrojem regenerace
Clarovy (sekreční) buňky;
v plicních sklípcích
představují populaci
progenitorových buněk
pneumocyty typu II;
většina těchto poznatků
pochází z myších modelů;
Regenerace epitelu dýchacích cest
Cell Stem Cell 2014, 15: 123 -138
v regeneraci vícevrstevného epitelu hrají zásadní roli specifické
kmenové buňky, pevně vázané na bazální membránu – bazální
kmenové buňky – Trp63+/Krt5+;
mohou migrovat a napomáhat i regeneraci jednoduchého epitelu nebo
pneumocytů?
Regenerace epitelu dýchacích cest
Cell Stem Cell 2014, 15:
123 -138
pro regeneraci
jednoduchého
epitelu průdušinek
jsou důležité
Scgb1a1-pozitivní
sekreční (Clarovy)
buňky;
různé populace??
specifické kmenové
buňky lokalizované v
BADJ??;
neuroendokrinní
buňky;
závisí na typu
poškození
Regenerace epitelu plicních sklípků
Cell Stem Cell 2014, 15: 123 -138
pneumocyty typu II – regenerace
epitelu plicních sklípků;
klonální expanze a migrace do
poškozených oblastí?;
existence specifických progenitorů pro
pneumocyty I a II??, Clarovy buňky;
závisí na typu poškození - příklad
regenerace po intratracheální aplikaci
cytostatika (bleomycin) – nejen
regenerace ale i potlačení fibrózy??;
druhová specifita??
K zamyšlení
plíce představují orgán, jehož funkce jsou do značné míry
dány strukturou a složením specifických populací
epiteilálních buněk, jejichž složení se liší v konduktivní a
respirační zóně;
všechny základní buněčné typy plicního epitelu vznikají
diferenciací proximálních (neuroendokrinní, pohárkové,
řasinkové a sekreční buňky) a distálních progenitorů
(pneumocyty I a II);
plíce mají značnou regenerační schopnost – umožní nejen
obnovit činnost respiračního epitelu po ztrátě části orgánu,
ale i obnovení struktury a funkce epitelu po působení
chemických látek, infekčních agens;
K zamyšlení
schopnost regenerace je dána přítomností specifických
kmenových/progenitorových buněčných populací v
jednotlivých částech dolních dýchacích cest (bazální
kmenové buňky, sekreční/Clarovy buňky a plicních sklípcích
(pneumocyty II);
populace kmenových/progenitorových buněk představují
diferencované buňky, které zároveň plní řadu dalších funkcí v
dospělém orgánu (tvorba surfaktantu, CCSP, apod.);
epiteliální buňky plic vykazují velkou plasticitu, jsou schopné
dediferenciace a zároveň není vyloučeno, že v plicích existují
další populace buněk, které mohou být zdrojem regenerace
(neuroendokrinní buňky, specifické progenitory v plicních
sklípcích, na rozhraní bronchiol a plicních sklípků, apod.);
K zamyšlení
poznatky o vývoji a regeneraci plicní tkáně mají význam
nejen pro pochopení mechanismů řídících vývoj a
homeostázu tohoto důležitého orgánu, ale i pro pochopení
principů poruch ventilace, dýchacích cest a onemocnění plic;
možné využití při tvorbě náhrad plicní tkáně, průdušnice
apod.? – nedostatek orgánů pro transplantace, relativně
nízká úspěšnost transplantací plic – 50%/5 let;