REGENERATIE 2015

REGENERATIE 2015
Er zijn verschillende stadia die vooraf gaan aan een ziekte. het
eerste stadium is gezondheid  risico  kritische periode 
optreden van ziekte  verder gevorderd stadium van de
ziekte. Regenerative medicine kan bij alle punten voor de
laatste punt ingrijpen en eventuele verslechten tegen gaan.
De bekendste voorbeelden van regeneratie is bijvoorbeeld het terug groeien van een pootje van een
kikker, maar denk ook aan ons mensen die bij een wond nieuw weefsel (vaak littekenweefsel) terug
krijgen, weer ‘regenereren’ ook!
Weefsel regenereert niet alleen bij schade maar kan zichzelf ook vernieuwen. Sommige organismes
hebben een zeer hoge regeneratie potentiaal en kan een weefsel heel snel terug laten
groeien. Wetenschappers bestuderen deze organismes om de fundamenten van weefsel
regeneratie te onderzoeken en uiteindelijk toe te passen. Bijvoorbeeld dit kleine beestje
die, wanneer zijn staart is ‘afgehakt’ na 24 weken weer een perfecte nieuwe staart heeft!
Vaak worden dit soort organismes gevonden in de zee. Zoals de hydra
of zoetwaterpoliep. Dit is een heel klein organisme wat bestaat uit
een basaal lichaam (basal disc) en een soort kop. Als je hem nu
precies in tweeën snijdt, krijg je een kop gedeelte en een basaal
lichaam gedeelte. Nu zal na verloop van tijd uit het kop gedeelte een
nieuw basaal lichaam gedeelte groeien en uit het basaal lichaam
gedeelte een nieuw kop gedeelte groeien. Uiteindelijk heb je dus
twee hydra’s gekregen! De regeneratie van het kop gedeelte is bijvoorbeeld afhankelijk van de Wntβ-catenine pathway, wetenschappers proberen
deze pathways beter te begrijpen en uiteindeljik
ook toe te passen in de geneeskunde.
De biologische capaciteit van weefsel regeneratie is
de basis voor een nieuwe wetenschappelijke
discipline: regeneratieve geneeskunde. Deze bestudeert hoe cellen, weefsel en organen groeien,
differentieren, vervormen om uiteindelijk levende weefsel te (her)bouwen om de lichamelijke functie
van organen te behouden.
Wnt-pathway:
Wnt-pathway begint wanneer er een Wnt eiwit bindt aan de N-terminale extracellulaire cysteine rijk
domein genaam Frizzled (Fz). Deze receptoren zitten zeven keer gespannend over het plasma
membraan en zijn dus GPCRs. Soms is er bij deze binding ook nog sprake van co-receptoren, zoals
lipoprotein receptor-related protein (LRP)-5/6, receptor tyrosine kinase (Ryk) en ROR2. Als de receptor
geactiveerd is, wordt er een signaal gezonden naar het fosfaateiwit Dishevelled (Dsh), welke in het
cytoplasma ligt. Het signaal wordt door een directe interactie tussen Fz en Dsh verzonden. Dsh eiwitten
zijn aanwezig in alle organismes en bestaan uit een amino-terminaal DIX domein, een centraal PDZ
domein en een carboxy-terminaal DEP domein. Nu zijn er drie verschillende cascade die in werking
gesteld kunnen worden:
Canoncial Wnt pathway:
De canoncial Wnt pathway zorgt voor een verhoging van βcatenine in het cytoplasma, wat uiteindelijk de nucleus in
wordt getransporteerd om als transcriptionele coactivator of
transcriptie factor te dienen die tot de TCF/LEF familie
behoort. TCF/LEF staat voor T-cell factor/lymphoid enhancing
factor en zorgen dus voor het maken van wittebloedcellen.
Normaal gesproken wordt β-catenine afgebroken in het
cytoplasma. Dit ‘vernietigingscomplex’ bestaat uit axin
adenomatosis polyposis coli (APC), protein phosphatase 2A
(PP2A), glycogen synthase kinase 3 (GSK3) en casein kinase 1α
(CK1α). Het complex breekt β-catenine af door het voor ubiquitinatie te fosforlyeren, hierdoor is het
gemarkeerd voor proteasomen om het af te breken. Echter zo snel als het Wnt eiwit bindt aan Fz en
LRP-5/6, wordt het vernietiginscomplex verstoord. Dit komt doordat Wnt zorgt voor translocatie van de
axine naar het plasmamebraan toe. Door fosforylatie door andere eiwitten in het vernietiginscomplex
bindt axine aan de staart van LRP-5/6. Axine wordt dan gede-fosforyleerd en haar DIX en PDZ domeinen
inhiberen de GSK3 activiteit van het vernietigingscomplex. Hierdoor wordt β-catenine niet meer
afgebroken en kan het ophopen en uiteindelijk de nucleus in gaan om transcriptie factoren te activeren.
Noncanonical planar cell polarity pathway:
De noncanonical planar cell polarity (PCP) pathway is een Wnt pathway waarbij β-catenine
geen rol speelt. Het gebruikt niet LRP-5/6 als co-receptor maar NRH1, Ryk, PTK7 of ROR2. Ook
deze pathway wordt geactiveerd door binden van Wnt aan Fz en aan één van de hierboven
genoemde co-receptoren. De receptor trekt dan het Dsh eiwit aan. Dsh gebruikt PDZ en DEP
domeinen om het complex Dishevelled-associated activator of morphogenesis 1 (DAAM1) te
vormen. DAAM1 activeert vervolgens het kleine G-eiwit Rho door een GTP te binden. Rho
activeert de Rho-associated kinase (ROCK) welke één van de belangrijkste regulator is van het
cytoskelet. DAAM1 medieert ook profiline binding aan actine. Dsh vormt ook een complex met rac1.
Rac1 activeert JNK en kan ook tot actine polymerisatie leiden.
Nonicanonical Wnt/calcium pathway:
De noncanonical Wnt/calcium pathway gebruikt ook geen β-catenine. Haar
rol is om calcium vrijlating van het ER te reguleren om intracellulaire
calciumconcentratie te regelen. Wanneer het Wnt eiwit is gebonden, gaat de
geactiveerde Fz receptor direct interactie aan met Dsh en activeert specifiek
het Dsh-eiwit domeinen: PDZ en DEP domeinen. Echter gaat de Fz receptor
ook een directe verbinding aan met een G-eiwit. De co-stimulatie van Dsh en
het G-eiwit leidt tot activatie van PLC of cGMP-specifiek PDE. Als PLC
geactiveerd is, wordt PIP2 geknipt in DAG en IP3. Wanneer IP3 bindt aan zijn
receptor op het ER, wordt er calcium vrijgegeven uit het ER. Verhoogde
concentraties van calcium en DAG kan Cdc42 activeren met behulp van PKC.
Cdc42 reguleert cel morfologie, migratie, endocytose en celcyclus voortgang.
Toename van calcium activeert ook calcineurine en CaMKII. CaMKII induceert
weer activatie van de transcriptie factor NFAT, welke cel adhesie, migratie en
weefsel scheiding reguleert. Calcineurine activeert TAK1 en NLK kinase, welke
TCF/β-catenine signalering kan tegen gaan. Activatie van PDE zorgt weer voor
verminderde vrijlating tot geen vrijlating van calcium van het ER. PDE medieert
zijn reguleringssysteem door inhibitie van PKG.
Algemeen college:
Een cel is de structurele en functionele eenheid voor levende organismen. Cellen kunnen hun omgevend
weefsel produceren en behouden en hebben een metabolische functie. Cellen kunnen verschillende
functies hebben en zijn afhankelijk van hun omgeving tot welke functies ze differentiëren  fenotype.
Velen celtypes samen geven aan een weefsel zijn of haar functie. Eukaryoten zijn cellen met
verschillende organellen met hun eigen membraan en hebben een nucleus waar al het DNA opgeslagen
is.
De bouwstukken van cellen zijn aminozuren, nucleotiden, suikers en
vetzuren. Ongeveer 70% van een zoogdier cel bestaat uit water, de
rest is voornamelijk eiwitten en kleine metabolieten. Een zoogdier cel
is ongeveer 2000 keer zo groot als een E-coli bacterie, maar beide
bevatten het zelfde aantal (70%) water. Gespecialiseerde cellen
kunnen heel groot zijn maar ook heel klein. Denk aan neuronen die
tot honderden micrometers lang zijn en dan weer een lympocyt die
maar 1 micrometer lang is.
De omgeving van een cel is heel belangrijk voor zijn structuur en
vorm. Ook cellen ondergaan mechanischme krachten en kunnen
door druk vervormen. Door een kracht uit te oefenen op een
weefsel (of cel) krijg je een reactie van de cel in de vorm van gen
expressie, secretie, biochemische signalen etc.
Celmembraan:
Dit is een viscous membraan (7-8 nm dik): een dubbel laag van fosfolipiden
waartussen nog eiwitten, suikers en cholesterol zitten. Het is een zeer flexibel
membraan en staat zowel actief als passief transport in en uit de cel toe. Het is
een soort afscheiding van de buitenwereld en de binnenwereld.
Cytoplasma:
Dit is een gel-lijkend, visco-elastisch materiaal die cytosol (vloeistof,
voornamelijk water, waar al je organellen en andere structuren in de cel drijven), organellen, vesicles en
het cytoskelet bevat. Organellen zijn bijvoorbeeld:
-
Mitochondria  zorgt voor vorming van ATP, NADH en FADH2 die weer als brandstof dienen
voor verschillende processen in de cel.
-
Ribosomen  deze zetten (m)RNA om tot een eiwit
-
ER  hier zitten voornamelijk ribosomen aanvast geplakt, maar fungeert ook als calciumopslag.
-
Golgi-apparatus  geeft het eiwit een soort marker, zodat de cel weet waar dit eiwit naar toe
moet.
-
Lysosomen  los blaasje in de cel waar eigenlijk alle afval stoffen van de cel inzit. Bevat vaak
een zuur milieu (lage pH) aan de binnen kant. Het lysosoom wordt omgsloten door een
enkelvoudig membraan met aan de binnenkant een laag van glycolipiden en glycoproteïnen.
-
Peroxisomen  peroxisomen breken lange vetzuren af door beta-oxidatie. Peroxisomen
bevatten ook oxidatieve enzymen zoals catalase en D-aminozuur oxidase. Door gebruik te
maken van zuurstof halen ze waterstof atomen van de substraten af en produceren ze
waterstofperoxide (H2O2). Als H2O2 concentratie te hoog wordt, zet catalase het weer om tot
H2O en O2.
-
Centrosomen en centriolen  centrosomen zitten bij de nucleus en is het fundaement waar het
cytoskelet aanvast zit. Bij celdeling trekt het de chromosomen uit elkaar. Elk centrosoom bestaat
uit twee centriolen.
Cytoskelet:
Het cytoskelet wordt opgebouwd uit 3 eiwittypes:
-
Actine (3-10 nm diameter)
-
Intermediaire filamenten (7-11 nm diameter)
-
Microtubuli (25 nm diameter)
Deze eiwitten zijn belangrijk voor cel beweging, transport van verschillende
structuren in de cel, contractie, signaal transductie, reproductie etc.
Maar ook celdeling, migratie en transport vereist dynamische filamenten en
moleculaire motoren zoals microtubuli en actine. Microtubuli samen met de centromeren trekken
bijvoorbeeld de chromosomen uit elkaar bij celdeling.
Actine, microfilamenten:
Organisatie en mechanische eigenschappen zijn belangrijk voor cel
functionering. Filamenten vormen compacte vezel/fiber bundels of
losse netwerken en spelen een belangrijke rol in cel contractie,
beweging, transport en fenotype. Ze zijn verbonden met de
extracellulaire matrix met behulp van integrins (focal adhesion
points). Er zijn verschillende soorten actine. G-actine bindt ATP. ATP kan zicht nu aan andere
actinemoleculen binden waarbij ATP gehydrolyseerd wordt tot ADP. De gevormde keten van actine
monomeren vormen F-actine. F-actine bestaat uit twee ketens gepolymeriseerde G-actine monomeren
die zich helixvormig in elkaar strengelen. Vaak zijn ze 7 nm in diameter. F-actine is een
stress meter, die door verandering van spanning over zijn actine bepaalt of er buiten de
cel verandering in krachten is.
Elk actinefilament heeft een plus-eind en een min-eind. ATP-actine bindt bij voorkeur
aan het plus-eind waardoor het filament aan dit eind groeit. Het ATP wordt vervolgens
tot ADP gehydrolyseerd, waardoor de bindingssterkte tot de naburige actinen minder wordt. Aan het
min-eind verloopt de hydrolyse van ATP naar ADP sneller dan de aanhecting van een nieuw ATP-actine,
zodat ADP-actine loslaat en het filament aan deze kant korter wordt. Actinemonomeren binden echter
ATP sterker dan ADP, wisselen daardoor het nucleotide uit en kunnen weer aan het plus-eind
aangehecht worden. Deze snelle kringloop is voor de beweging van de cel belangrijk.
Actine wordt dus opgebouwd uit monomeren G-actine. Dit is een 43 kDa eiwit. Bij spiercellen spreek je
van α-actine en bij niet spiercellen van β-actine. Wanneer gaat G-actine nu samen een helix structuur
vormen? Dit gebeurt bij de critische concentratie (Cc). Als de actine monomeer concentratie groter is
dan de Cc krijg je polymerisatie en als de actine monomeer concentratie lager is dan de Cc krijg je
depolimerisatie.
Formatie van ‘stress fibers’:
Dit zijn lange actine filamenten van 10 tot 30 bundels die gecrosslinkt zijn met
elkaar. Echter hebben stress fibers nog extra myosine II motoren, wat ervoor
zorgt dat stress fibers zich kunnen samentrekken. Het vormen van deze stress
fibers gebeurt met behulp van het kleine rho eiwit (denk aan de Wnt
pathway) die hiervoor GTP gebruikt. Deze stress fibers zijn noodzakelijk voor
celadhesie aan het substraat en voor veranderingen in morfologie van de cel.
Alle eiwitten die gecrosslinkt zijn en hun actine-bindingsdomeinen gebonden
hebben met een flexibele binding, kunnen drie-dimensionale actine gels
vormen. Filamine stimuleert de formatie van losse en hoog visciouse gel door
twee actine filamenten samen te klemmen die ongeveer loodrecht op elkaar
staan.
Treadmilling is het groeien van een filament in de lengte aan de ene kant, terwijl het andere uiteinde
‘kript’. Hierdoor lijkt het filament (voornamelijk actine en microtubuli) te ‘bewegen’. Dit komt dus
eigenlijk door het constant verwijderden van subunits aan de ene kant en het toevoegen van units aan
de andere kant. Treadmilling treedt op bij een stabiele concentratie actine van 0.17 μM. De Kon is 0.6
monomeren per seconde.
Intermediaire filamenten:
Dit zijn stijve, stabiele elementen en verzorgen de trekkracht van de cel. Het zijn eigenlijk ankers die
cellen met andere cellen verbindt, maar die ook de extracellulaire matrix verbindt met de cellen. Het
stabiliseert de cel in verhouding met omgevende cellen. Voorbeelden van intermediaire filamenten zijn
keratine, desmine, vimentine en lamine. Ze zijn ongveeer 10 nm in diameter, en liggen dus tussen
(intermediair) de actine en microtubuli qua diameter. Intermediaire filamenten worden opgebouwd uit
vier alpha-helices (1A, 1B, 2A en 2B) gescheiden door drie linker regionen. Meerdere helices vormen
samen een coiled coil. Vimentine wordt aangetroffen in fibroblasten, leukocyten en endotheel cellen in
bloedvaten. Ze ondersteunen de cellulaire membranen en houden sommige organellen gefixeerd in het
cytoplasma, ze geven ook signalen door vanaf het membraan naar de nucleus. Dit is eigenlijk het meest
voorkomende intermediaire filament. Desmines zijn structurele elemeten voor sacromeren in
spiercellen. Lamines voorzien de structurele functie vande nucleus in de cel en vormen samen de
nucleaire lamina aan de binnenkant van de nucleaire envelop. Keratine zit in de cel en voorziet de cel
van extra stevigheid, vooral huidcellen en je haar bijvoorbeeld.
Desmosomen zijn moleculaire complexen van celadhesie eiwitten en linking
eiwitten die cel oppervlakte adhesie eiwitten aan intracellulaire keratine
filamenten bindt. Aan het cytoplasmische gedeelte zit het eiwit
desmoplakine. Deze bindt keratine aan het adhesie eiwit. Het adhesie eiwit
ligt voor een groot gedeelte buiten de cel en kan daar met een ander
adhesie eiwit een verbinding vormen en zo dus cellen samen ‘houden’. Deze
adhesie eiwitten bestaan uit desmoglein en desmocolline, dit zijn allebei
eiwitten van de caherine familie.
Microtubuli, dikke filamenten:
Microtubuli zijn holle ‘buizen’ die opgebouwd zijn uit tubuline microfilamenten. Ze zijn
verbonden met het centromeer, die weer aan de nucleus vast zit. Ze zorgen voor beweging
en transport van moleculen door de cel heen en bepalen de cel vorm en verdeling van
organellen. Microtubuli worden opgebouwd uit protofilamenten, waarbij één laag 13
protofilamenten bevat. Protofilamenten worden gevormd uit α- en β-tubuline heterodimeren
die elkaar telkens als het ware ‘aflossen’. Microtubuli zijn ongeveer 25 nm in diameter.
Elke cel heeft cilia en flagellae op hun oppervlakte zitten. Deze worden opgebouwd uit
microtubuli. Flagellae zijn vaak lang en bevinden zich tot maximaal 8 flagellae per cel. Cilia zijn
vaak kort en in veel grotere aantallen aanwezig op het celmembraan. Flagellae zijn echt om
de cel naar een andere plek te transporteren, daarom zijn ze ook langer. Cilia zijn eigenlijk
soort van ‘voelsprieten’ van de cel om warmte, beweging en chemische signalen te voelen.
Je treft negen paren van microtubuli plus twee losse microtubuli in de kern van de flagella
(9+2 arrangement/axoneem). Het basale lichaam aan de basis heeft ook negen paren
microtubuli maar geen twee microtubuli in de kern (9+0 arrangement/axoneem).
Mechanisme eigenschappen van het cytoskelet:
Microtubuli kunnen beter hogere spanning (F/A) weerstaan, waarbij ze maar een klein beetje
uitrekken (l/Δl). Actine rekt weer heel erg snel uit bij al lage spanning en intermediaire
filamenten zitten er een beetje tussen in. De storage modulus is de
opgeslagen energie en als het ware de elasticiteit.
Cel nucleus:
Het membraan van de nucleus (ook wel nucleaire envelop genoemd) bestaat uit twee cellulaire
membranen: een binnen- en een buitenmembraan die 10-50 nm van elkaar gescheiden zijn. Het
buitenmembraan gaat over in het Ruwe Endoplasmatisch Reticulum (RER). De ruimte tussen de twee
membranen wordt de perinucleaire ruimte genoemd. Nucleaire poriën worden opgebouwd uit
verschillende eiwitten, nucleoporines genoemd. De poriën zijn ongeveer 100 nm in diamter, maar het
‘gat’ waar de moleculen doorheen moeten is maar 9 nm breedt. Hierdoor kunnen grotere structuren
niet de celkern in gaan of uitgaan, deze structuren moeten met actief transport de nucleus in of uit
getransporteerd worden. Een zoogdier nucleus zal 3000 tot 4000 poriën hebben in zijn envelop. De
nucelaire poriën bevatten een achtvoudig gevormde ring structuur, met een nucleaire basket aan de
nucleoplasma zijde en een serie van filamentische extensies die het cytoplasma ingaan. Beide structuren
zorgen voor het binden van nucleaire transport eiwtten.
De nucleaire lamina vormt een dicht netwerk aan de binnenkant van de envelop en wordt opgebouwd
uit lamine eiwitten. Verder bevat de nucleus ook nog de nucleolus. Deze zorgt voor ribosoom synthese
en samenstelling.
Cel-cel en cel-matrix connecties zorgen voor een continu netwerk van
intra- en extracellulaire omgeving. De omgeving waar een cel zich
bevindt, wordt ook wel de ‘niche’ van de cel genoemd. De matrix rondom
de cel bepaalt de vorm, functie en eigenschappen van de cellen.
Substraat flexibiliteit bepaalt de vorm van de cel en zijn functie. Stel er is
meer spanning op het cytoskelet, dan zal de cel in breedte meer groeien
dan in lengte. En als bijvoorbeeld de extracellulaire matrix heel stug is zal
de cel mindergroeien, en gelijker in alle richtingen groeien. Maar ook de
cel kan invloed hebben op de matrix die om hem heen zit, dit noem je
reciprociteit.
Er zijn meer dan 200 verschillende type cellen in je lichaam. Ze worden allemaal opgebouwd uit de
bouwstenen hierboven besproken, maar hebben allemaal een andere functie.
Door vimentine te volgen met bijvoorbeeld de tag GFP, kan je de beweging in de cel bijhouden.
Cellen en weefsel:
Weefsel is eigenlijk alle cellen plus de extracellulaire matrix (+ bloedvaten,
zenuwen, klieren etc.). Het is dus een multicellulaire organisatie en zorgt voor
behouden en ondersteuning van weefsel, maar ook voor het repareren van
weefsel.
Extracellulaire matrix: structuur en mechanische functie:
De extracellulaire matrix bestaat uit vezel componenten zoals collageen, elastine en GAGs. Collageen is
vooral een stijve vezel die de stijfheid van het weefsel bepaald. Elastine bepaalt juist weer de elasticiteit
van het weefsel. En GAGs zijn heel erg polair en trekken daarom water aan, GAGs reguleren dan ook je
water concentratie in je ECM. De Young’s modulus van elastine is 0.6 MPa en die van collageen 1000
MPa, collageen is dus veel stijver.
Miljarden cellen vormen samen complexe organen met allemaal hun eigen complexe functies. Ze
produceren en organiseren hun eigen matrix omgeving. Het aantal cellen in een volwassen menselijk
lichaam ligt tussen de 6 * 1013 en 1 * 1014, deze worden allemaal gevormd uit één bevruchte eicel. Om
menselijke cellen te maken moeten cellen kunnen prolifereren
(vermenigvuldigen) en differentiëren (functie aannemen). Om
cellen te laten groeien of te laten differentiëren, zijn factoren van
buiten af nodig. Hierbij moet de concentratie factor hoger dan een
bepaald drempelwaarde zijn, anders zal hij geen effect hebben.
Niet alle cellen delen op hetzelfde tijdstip of groeien even snel. De
meeste cellen zitten in de G1 fase, dit is de voorbereiding voor de deling fase. Hierbij neemt de
hoeveelheid cytoplasma toe in de cel en worden de benodigde eiwitten gemaakt, ter
voorbereiding op de celdeling. In de S (synthese) fase worden de chromosomen
gekopieerd (replicatie). Vervolgens gaat de G2 fase in waar er stoffen worden gemaakt
die belangrijk zijn voor celdeling. En uiteindelijk gaat de cel dan de mitose fase in; de
uiteindelijke deling.
Groeicontrole principes:
 Is gebaseerd op het vraag en aanbod principe.
 Er moet ook genoeg ruimte zijn om te groeien
 Er is een bepaalde hoeveelheid cellen voor structuur en functie nodig
 Hormonen en zenuwen spelen een rol in activeren van groei
 Omgeving geeft ook moleculaire signalen af
 Gezondheid van het weefsel en toevoer van voedingstoffen
Weefsel groei en homeostase van cellen gebeurd door het delen van stamcellen of door
‘normale’ celdeling. Stamcellen kunnen zich oneindig opnieuw delen en zijn niet
gedifferentieerd en kunnen dus elk cel type worden wat ze willen. De turnover (hoe vaak
ze delen) is echter laag.
Je hebt totipotente stamcellen: deze kunnen differentiëren tot elke type cel. Het beste
voorbeeld is de zygote die kan uitgroeien tot een compleet organisme. Pluripotente
stamcellen kunnen differentiëren tot bijna alle celtypes. Multipotente stamcellen (paars
op plaatje) kunnen zich differentiëren in veel verschillende celtypes, vaak van hetzelfde
orgaan. Unipotente cellen zijn gedifferentieerde cellen, in het blauw weergegeven op
het plaatje. En terminaal gedifferentieerde cellen (in het geel weergegeven) zijn cellen
die niet meer kunnen differentiëren.
Je hebt verschillende fases in het leven van een cel. Fase I is de embyronale
groei en differentiatie, vervolgens gaat fase II in; dit is de postnatale groei
waarbij er vooral de hoeveelheid cellen toeneemt ten opzichte van
differentiatie (ongeveer tot het einde van je puberteit). Vervolgens heb je
maturatie fase (fase III) waarbij er een evenwicht wordt gevormd tussen groei
en differentiatie, synthese en afbraak; dit is tijdens het merendeel van je leven.
Fase IV is de verhoudering en afbraak van je cellen (senescence) waarbij je
geleidelijk aan de functie van het weefsel/cellen
verliest.
Je moet groei en differentiatie zien als een soort
evenwichtsbalk, waarbij soms het evenwicht meer
naar synthese ligt en dan weer meer naar
afbraak/degradatie. Bij homeostase is het evenwicht
gelijk en is er een evenwicht tussen synthese en
degradatie. Maar bijvoorbeeld bij schade aan het
weefsel, wordt het evenwicht verstoord en zal er
meer synthese plaats vinden. Alle cellen hebben dan
ook verschillende tunrover rates. De epidermis (je
huid) heeft een turnover rate van groter of gelijk aan
een maand, het epithelium van je darmen minder dan
een week, borstkankertumor ongeveer 100 dagen etc.
Processen voor controle van groei:
Weefselgroei is het toenemen van cellen en matrix in grootte. Cellen
groeien in aantal en soms ook in grootte. De matrix wordt geproduceerd en
georganiseerd door cellen en groeit dus als het ware mee. Verschillende
weefsels hebben verschillende cellen met verschillende functies in
verschillende matrices. De weefselarchitectuur is belangrijk voor
functionering en moet behouden worden tijdens groei.
De extracellulaire matrix wordt dus gevormd uit eiwitten, glycoproteïnes
(GAGs) en polysachariden. De matrix scheidt en omringt weefsels en
organen en organiseert een soort barrière functie. De matrix is ook het
medium voor cel migratie. Fibroblasten zijn cellen die verschillende
elementen van de extracellulaire matrix synthetiseren: zowel collageen,
elastische en reticulaire vezels, GAGs en de glycoproteïnes. In botten
maken osteoblasten het collageen. Hier rechts wordt het voorbeeld gegeven
van een bloedvat/endothelium onder het epithelium. Tussen het bloedvat en
het epithelium zit matrix en altijd een basement membraan die de
verschillende omgevingen scheidt en zorgt voor de grenzen van de
verschillende matrices. Normaal gesproken is er een evenwichtstoestand
tussen apoptose (celdood) en proliferatie (vermenigvuldiging). Bij atrofie is het evenwicht meer
verschoven naar apoptose, bij hyperplasie is het juist weer verschoven naar de proliferatie.
Cyclin-dependent kinases (CDKs) zijn protein kinases (fosfaat groep binden) die de cel cyclus en
transcriptie reguleren. Cdk3 reguleert de overgang naar de G0 fase. Cdk4, Cdk2 en Cdk6
reguleren de overgang naar de G1 fase. Cdk2 zorgt voor zowel de overgang naar de S als naar
de G2 fase, waarbij Cdk1 ook de overgang naar de G2 fase activeert. Cdk1 activeert ook weer
de overgang naar de M-fase. Proliferatie wordt dan ook grotendeels bepaald/gereguleerd door
Cdks, hierbij is er ook een hoge concentratie groeifactoren, oncogenen, tumor suppressoren
aanwezig, maar ook een hoge ECM stijfheid en een lage cel dichtheid.
Tumor suppressoren zijn eiwitten/genen die de cel behoedt voor het veranderen in een kankercel. Ze
beïnvloeden de regulatie van de cel cyclus of promoten apoptose, soms beide. Hun functies kunnen
verdeeld worden over vijf verschillende subklassen:
-
Repressie van genen die essentieel zijn voor het continu gaan van de cel cyclus. Als deze genen
niet tot expressie komen, zal er geen celdeling plaats vinden.
-
Zolang er DNA schade is in de cel, zal de cel niet delen. Als de schade niet gerepareerd wordt, zal
de cel in apoptose treden.
-
Sommige eiwitten spelen een rol bij cel adhesie en zorgen ervoor dat een tumorcel zich niet kan
verspreiden en inhibeert dus metastase. Deze eiwitten worden metastase suppressoren
genoemd.
-
DNA reparatie eiwitten worden vaak ook als tumor suppressoren gezien, omdat een mutatie in
hun genen het risico van kanker vergroten, voorbeelden zijn mutaties in HNPCC, MEN1 en BRCA.
Verdere mutaties zorgen voor verminderde DNA reparatie, wat weer leidt tot verhoogde
inactivatie van andere tumor suppressoren en activatie van oncogenen.
Een belangrijke tumor suppressor is p53. P53 activeert DNA reparatie eiwitten om DNA schade te
repareren. Het kan ook de cel cyclus vasthouden bij de G1/S overgang, zodat de DNA reparatie eiwitten
genoeg tijd hebben om de schade te repareren. Het kan ook, als laatste redmiddel, apoptose initiëren.
Oncogenen zijn genen die kanker veroorzaken. Oncogenen zijn proto-oncogenen die mutaties hebben
ondergaan en proto-oncogenen zijn weer normaal voorkomende genen die een regulerende rol
vervullen bij celgroei, cel differentiatie en apoptose.
Je hebt dus vier verschillende fasen van groei tijdens je leven: embryonale
groei (fase I), postnatale groei (faste II), homeostase (fase III) en
veroudering (fase IV). Bij fase I is er spraken van proliferatie van cellen,
differentiatie en organisatie van structuur. In fase II vindt er nog steeds
proliferatie en differentiatie plaats maar deze zijn meer weefsel specifiek.
In fase III is er homeostase bereikt en vindt er alleen proliferatie plaats bij
weefsel turnover of bij schade. Hierbij is er dus een balans tussen proliferatie en celdood. Fase IV treedt
op bij verminderde regeneratieve capaciteit en zorgt voor veranderingen in de extracellulaire matrix.
Fase I: embryonale groei
Embryonale groei begint vanuit een bevruchte eicel. Embryonale stamcellen zijn de ‘building blocks’ van
alle weefsels en organen. Hij begint eerst heel langzaam met delen, maar geleidelijk aan gaat hij steeeds
sneller delen. Er vindt dus heel veel proliferatie maar ook differentiatie plaats in deze fase, ook wordt de
vorm van organen bepaald  morfogenese.
De zona pellucida is het beschermd omhulsel van de eicel die door de kubische granulosacellen van de
primaire follikels aangemaakt wordt. Ze liggen tussen het celmembraan van de eicel en de
follikelepitheelcellen. Deze follikelepitheelcellen worden de corona radiata genoemd. De zona pellucida
is rijk aan glycoproteïnen en GAGs, die de zona-pellucida-proteïnen ZP1, ZP2 en ZP3 worden genoemd.
De follikelepitheelcellen hebben vingervormige uitstulpingen (microvilli) in de zona pellucida, waardoor
de eicel van voedingstoffen wordt voorzien.
Het polaire lichaam is ook aanwezig vanaf het begin al en is een kleine haploïde cel die niet tot eicel is
ontsprongen. Na drie dagen is de ene bevruchte eicel al gedeeld tot 16 cellen en na vier dagen wordt de
blastocyst/blastula gevormd. Deze bestaat uit een inner cell mass (ICM), welke uiteindelijk het embryo
vormt. De gastrulatie is een fase waarbij de blastula verdeeld wordt in drie lagen en gastrula wordt, van
binnen naar buiten: endoderm, mesoderm en ectoderm. Uit de endoderm worden voornamelijk cellen
voor organen zoals de maag, schildklier en longen gevormd. Uit het mesoderm worden iets stevigere
cellen gevormd voor bijvoorbeeld spieren, rode bloedcellen, nier cellen en botweefsel. En vanuit het
ectoderm wordt voornamelijk cellen gevormd die met de buitenwereld in contact staan, zoals cellen
voor onze huid, neuronen en pigment cellen. Eigenlijk volgende lagen de vorming van cellen naar buiten
toe.
Somatische stam cellen zijn ongedifferentieerde cellen die worden gebruikt
door het lichaam om dodencellen te vervangen of beschadigd weefsel te
repareren. Je vindt ze dan ook overal in het lichaam! Deze somatische
stamcellen (ook wel adult stem cells genoemd) zijn onder te verdelen in
orgaan specifieke stamcellen, beenmerg stamcellen, bloed stamcellen en
vet stamcellen. Deze somatische stamcellen worden geactiveerd door hun
omgeving of niche. De niche van deze stamcellen is heel belangrijk: het
moet een specifieke locatie zijn, specifieke chemische omgeving hebben
maar ook een specifieke mechanische omgeving.
Zoals in vorig college al is besproken, zijn er verschillende soorten cellen. De
totipotente cellen kunnen in alles differentiëren en is eigenlijk de bevruchte eicel. De
pluripotente cellen kunnen in bijna alles differentiëren en zijn embryonale stamcellen
(ES cellen; ESC) of induced pluripotent stem cells (iPSCs). iPSCs zijn eigenlijk
pluripotente stamcellen die in het lichaam zitten. De multipotente cellen zijn
somatische stamcellen, maar ook mesenchymale stamcellen (waaruit neuronen
worden gevormd) en hematopoetische stamcellen (waar bloedcellen uit worden
gevormd). Je hebt ook oligopotente cellen, deze kunnen niet echt meer delen tot alles.
Als laatste heb je de unipotente cellen die niet meer kunnen differentiëren.
In veel gevallen verliezen cellen hun vermogen om te prolifereren
wanneer ze gedifferentieerd zijn. Gedifferentieerde cellen
kunnen wel weer invloed hebben op celgroei door synthese van
de matrix. Er is echter altijd een grens aan capaciteit van celgroei
 energiek is het uiteindelijk niet meer gunstig en de ratio
membraan tot cytoplasma moet gunstig zijn.
De embryonale stamcellen of iPSCs zijn eigenlijk de cellen die we
willen gebruiken voor het groeien van weefsel om schade te
herstellen, of bijvoorbeeld om defecte cellen te vervangen (denk
aan blindheid). Tot op vandaag proberen mensen buiten het
lichaam cellen in een scaffold te brengen, goede omstandigheden
te creëren, weefsel formatie zal dan plaats vinden en vervolgens kan je het
weefsel weer in brengen in de patiënt (implantatie). Echter is men nu ook
steeds meer aan het kijken om een scaffold in het lichaam in te brengen,
waardoor in het lichaam cellen in het scaffold zullen gaan zitten. Geleidelijk
aan zal dit scaffold afgebroken worden en vervangen worden door cellen
van het lichaam.
Factoren die groei beïnvloeden zijn erfelijke en genetische factoren, maar ook omgevingsfactoren.
Omgevingsfactoren:
-
Voedselbeschikbaarheid: te veel voedsel of juist verhongering door te weinig voedsel.
-
Klimaat: veel zon of juist heel koud, groei is verschillend bij bepaalde seizoenen.
-
Sociale factoren: relatie, levensstandaarden, armoede, borst voeding, religieuze taboes.
-
Gezondheidsfactoren: hygiëne, chronische ziekte, parasieten etc.
-
Mentale factoren: jeugd trauma.
Genetische en erfelijke factoren:
-
Fenotype: karakteristieken zoals grootte, grootte van hoofd, vetpercentage in familie.
-
Karakteristieke eigenschappen van de ouders: genetische factoren maar ook socioeconomische situatie.
-
Ras: verschillende kinderen van verschillende rassen groeien weer anders
-
Geslacht: mannen zijn vaak zwaarder en groeien sneller dan vrouwen.
-
Bio-ritme en maturatie
-
Genetisch: down syndroom, Turners syndroom, metabole defecten.
Controle van groei op weefsel en cel niveau gaat op ‘aanvraag’; weefsel tunrover, vernieuwing en
beschadiging. Groei wordt echter gereguleerd door ruimte, bij te weinig ruimte kan het weefsel niet
groeien. De functie van het orgaan of weefsel moet altijd behouden worden, als dit niet lukt door
beschadiging zal er groei optreden. Maar ook de leeftijd van de cel is belangrijk. Factoren die nog meer
een rol spelen zijn: stimuli van hormonen en neuronen en de beschikbaarheid van voedingsstoffen.
Celdeling:
Celdeling wordt dus voornamelijk gecontroleerd door
cyclin-dependent kinase (Cdk). Hier rechtsboven zie je
verschillende Cdks bij verschillende controle posten
langs de celcylcus. Cdks worden actief gemaakt door
het binden van verschillende cyclines. Bijvoorbeeld
geeft de G1 fase en G1/S-cycline af en de S fase weer
een S-cycline etc. Veel plaatjes kijken!
Telomerases reguleren de mogelijkheid te delen. Ze voegen
de sequentie TTAGGG aan het 3’ van de telomeren toe,
welke zich bevinden aan het einde van de eukaryotische
chromosomen. Normaal gesproken nemen de telomeren bij
elke cel cyclus af in lengte en uiteindelijk kan de cel niet meer
delen en gaat hij dus dood. Het telomeer zorgt er eigenlijk
voor dat chromosomen niet aan elkaar kunnen plakken. Dus
cellen die onsterfelijk zijn, hebben eigenlijk gewoon veel
telomerases die de telomeren telkens verlengen.
De mogelijkheid om weefsel te regenereren of
homeostase te behouden, is afhankelijk van de
hoeveelheid stamcellen. Uitdunning van de
stamcellen, zorgt voor verlies van regeneratief
vermogen. Mutaties in de stamcellen zorgen
voor kanker. Vaak delen cellen maar weinig en
heel langzaam. Maar omdat ze telkens delen in
tweeën, kan de hoeveelheid cellen heel snel
toenemen.
Deze stamcellen moeten dus onsterfelijk zijn. De mens heeft 46 chromosomen in 23 paren, waarvan 1
paar geslachtschromosomen zijn. Aneuploidy is het hebben van een abnormaal aantal chromosomen en
zorgt voor ontwikkelingsziektes, deze zijn vaak dodelijk. Bijvoorbeeld is er bij het syndroom van Down
een derde chromosoom bij chromosoom 21. Ook kan aneuploidy kanker veroorzaken. De chromosomen
worden dus in het midden van de cel geconcentreerd. Vervolgens zullen er twee centrosomen aan beide
kanten van de cel gaan zitten en met spindle pole aan de kinetochore van de chromatiden binden.
Vervolgens zullen ze de chromosomen uit elkaar trekken en zo twee cellen vormen. Aneuploidy kan
hierbij optreden door het binden van één kinetochore aan bijvoorbeeld 2 spindle poles.
Apoptose tegenover necrose:
Apoptose is reguleerde celdood, geen ontsteking, hierbij wordt de cel geleidelijk afgebroken en door
fagocytose opgegeten. Bij necrose barst de cel als het ware open, hierbij komen alle cel componenten
vrij en treedt er ontsteking op.
Apoptose is ontzettend belangrijk voor functionaliteit. Cellen
krijgen constant signalen om te blijven leven en niet in apoptose te
gaan, dit zijn zogenaamde survival factors. Als de cel deze signalen
niet krijgt, zal hij in apoptose gaan. Hierdoor kan functionaliteit
van het weefsel of orgaan bepalen/ reguleren. Denk bijvoorbeeld
aan de vliezen die eigenlijk tussen je vingers zou zitten, door
gereguleerde apoptose zijn deze cellen verdwenen. Gereguleerde apoptose
is dan ook zeer belangrijk voor de morfologie van het weefsel, maar ook
haar functionaliteit.
Differentiatie van cellen:
Cellen verkrijgen hun specifieke functie (specialisatie) door differentiatie.
Stamcellen hebben de potentie om allerlei verschillende cellen te worden.
Om vanuit een embryo een heel organisme te vormen, spelen vier processen een grote rol. Deze
processen zijn cel proliferatie, cel specialisatie ,cel
interactie en cel beweging. Elke cel in het embryo krijgt
en zendt signalen naar zijn naburgie cellen en ‘onthoudt’
zo zijn eigen proliferatie geschiedenis. Eerst vindt er
proliferatie plaats van de embryonale cel, vervolgens
vindt er cel specialisatie plaats waarbij cellen zich gaan
specialiseren  differentiatie. Meerdere cellen gaan
dan een interactie aan onderling, door speciale interactie kunnen de cellen gaan bewegen ergens naar
toe en worden er uiteindelijk organen/organismes gevormd. Als laatste kan er nog een vijfde stap
gebeuren, dit is cel doding van bepaalde cellen (denk weer aan de vliezen tussen je vingers).
Differentiatie geeft specifieke functie, specifieke vorm,
specifieke organisatie en specifieke interacties met
andere cellen en de extracellulaire matrix.
Spiercellen:
Er zijn drie soorten spiercellen met allemaal een andere functie en een ander type:
-
Je het skeletspieren die ons skelet ‘bewegen’ en stabiliseren. Deze
spieren beschermen ook de uitgangen en ingangen van het
verteringsstelsel, het ademhalingsstelsel en urinaire buizen; het genereert
ook hitte en het beschermt interne organen.
-
Je hebt cardiale spieren die bloed verplaatsen en bloeddruk behouden.
-
Als laatste heb je gladde spiercellen die voedsel, urine en andere
stoffen/vloeistoffen vervoeren: controleren de diameters van de
luchtvaten en bloedvaten.
Skeletspieren bestaan uit bundels muscle fascicle die in het epimysium liggen,
deze hebben allemaal hun eigen bloedtoevoer. Deze muscle fascicle bestaan uit muscle fibers bundels
die omgeven worden door het perimysium. Deze muscle fibers bestaat weer uit vele myofibrillen die
omgeven worden door het endomysium. Deze myofibrillen bestaan uit sacromeren, omgeven bij
sarcoplasmatisch reticulum. Binnen het sacromeer zijn meerdere banden en lijn te definieren. Aan de Zlijn zitten de actinefilamenten vast. De ruimte tussen twee Z-lijnen is één sacromeer. De I-band is de
ruimte tussen twee myosinefilamenten en worden gevormd door actinefilamenten. De Z-lijn splitst de Iband precies door midden. De A-band wordt gevormd door myosine- en actine filamenten. De H-zone is
het gebied met alleen myosinefilamenten, zonder dus actine filamenten. De H-zone wordt gepsplits
door de M-lijn. De M-lijn bestaat uit M-proteïnen, myomesine en het enzym creatinekinase. Titine is
het eiwit dat myosinefilamenten van verschillende sarcomeren verbindt. Myomesine zorgt voor het
verbinden van dikke filamenten en andere eiwitten zoals titine. Creatinekinase gebruikt ATP om
fosfocreatine (PCr) en ADP te vormen. En PCr wordt weer gebruikt de eerste 2-7 seconden om ATP te
generegen, het kan zijn fosfaat groep namelijk aan ADP doneren  anearobe verbranding.
Het vormen en ontwikkelen van spieren wordt myogenese genoemd. Eerst heb je natuurlijk de
progenitoren van het mesoderm die ontwikkelen tot myoblasten, dit zijn de spiercellen waaruit alle
spieren ontwikkelen, deze worden ‘geactiveerd’ om te gaan delen door groeifactoren. Vervolgens gaan
de myoblasten in een geordende volgorde/structuur zitten en zal er cel fusie optreden, waarbij je dus
grotere/langere cellen krijgt (met meerdere celkerenen). Uiteindelijk fuseren ze zo erg met elkaar dat er
een spiervezel ontstaat.
Verschillende factoren spelen een rol bij overgang van
deze fases. Mrf4 zorgt voor determiantie van
progenitoren tot myoblasten en activeren myoD en
myf5/mrf4, pax3 stimuleert ook myoD en myf5/mrf4.
Al deze factoren (myoD en myf5/mrf4) activeren
differentiatie van myoblasten tot een gefuseerde
multinucleaire myotube, groeifactoren inhiberen juist
weer deze differentiatie. Myogenine mrf4 zorgt weer
voor maturatie van de myotube tot spiervezel.
Genen worden gereguleerd door transcriptie factoren.
Dit zijn gen regulatie eiwitten die binden aan
regulatory/regulatie modules in het DNA. Deze
regulatie modules zitten voor elk gen en heten ook wel
promoters. Deze soort transcriptie programma’s zijn
afhankelijk van signalen van andere cellen en de
chemische omgeving. Deze zorgen dus beide voor de
productie van transcriptie factoren.
Signaal transductie:
Je hebt verschillende mogelijkheden voor signaal transductie: cel-cel
signalering en signalering met behulp van moleculen. Deze laatste is weer op
te delen in endocriene signalering, paracriene signalering en autocriene
signalering. Een signaal molecuul bindt aan een receptor, deze zet dan een
signaalcascade in met behulp van andere eiwitten. Uiteindelijk wordt er dan
een transcriptie factor geactiveer en die zorgt voor transcriptie van DNA naar mRNA en uiteindelijk
translatie naar een eiwit.
Er zijn verschillende mogelijkheden van de cel om te reageren op het binden van een signaal molecuul
aan de receptor op de cel. Dit kan tot activatie van gen expressie leiden, of tot supressie van gen
expressie, of tot reorganisatie van het cytoskelet.
Signalen zijn heel erg behouden tijdens de evolutie en verandert de lotsbestemming van de cel. Dezelfde
signalen worden gebruikt bij meerdere fases van het leven van de cel. De signalen kunnen zowel
biochemisch zijn als bio-fysisch.
Signaal pathways zijn ook bij de meeste dieren hetzelfde. Zo is
er een experiment geweest waarbij ze de vorming van het
cerebellum van een muis hebben geinhibeerd door engrailed1 te inhiberen. Vervolgens hebben ze de engrailed-1 van een
vlieg (drosophila) genomen en groeide er gewoon een
cerebellum bij de muis.
Samengevat is differentiatie het verkrijgen van vorm en functie, potentie bepaalt de mogelijkheid om te
differentieren en gedifferentieerde cellen prolifereren bijna niet meer. Differntiatie wordt gereguleerd
door genetische programmas en genen worden gereguleerd door transcriptie factoren welke reageren
op extracellulaire signalen.
Beschrijvende embryologie/Descriptive embryology:
We kunnen ontwikkeling van een organisme onderzoeken door goed te kijken hoe een embryo
zich ontwikkeld. Hierbij kan je cellen een kleurtje geven en kan je bij houden waar ze
uiteindelijk naar toe gaan of uitkomen in het organisme, je kan ook regulatoren een marker
geven/markeren om te kijken welke regulatoren voor welke ontwikkelingsfase zorgt.
Experimental embryology/Mutatnt animals and transgenic technology:
Ontwikkeling kan ook onderzocht worden door bijvoorbeeld een pathway uit te zetten en te kijken wat
dit voor morfologische/phenologisch verschil geeft. Bijvoorbeeld hebben ze bij een vlieg (vaak worden
drosophila, zebrafish, C-elegance of muizen gebruikt) de Notch pathway uitgezet. De vlieg kreeg
hierdoor een klein hoekje uit zijn normaal gesproken ronde
vleugel. Door bijvoorbeeld de Notch pathway bij een muis in
zijn oog te activeren, of te ‘over’-activeren, krijg je
ongereguleerde cel groei op het netvlies van de muis.
Embryonic and adult stemcells:
Maar ontwikkeling wordt ook onderzocht met behulp van (pluripotente) stamcellen en door deze aan
verschillende activators maar ook omgevingen bloot te stellen. Hierbij ontwikkelt de pluripotente
stamcel zich tot een weefsel afhankelijk van de activators en omgeving.
Differentiatie en patroonvorming:
Veranderingen in cel-einddoel en functie wordt bepaald door moleculaire
signalen. Hierbij begint een groepje cellen een signaal aan zijn naburige cellen
af te geven, deze zullen reageren op dit signaal en hoe sterk dit signaal is hoe
meer naburige cellen er geactiveerd worden.
Morphogenen reguleren patroonvorming en cel-einddoel en worden dus
‘verzonden’ vanuit één groep cellen/bron, hoe verder het signaal komt hoe
zwakker het wordt. Op basis van afzwakkend signaal kan het weefsel net
weer een andere structuur krijgen aan de randen. De signaalsterkte is
afhankelijk van de tijd en van de concentratie morphogenen. Hoe langer het
signaal beweegt, hoe zwakker het signaal wordt, omdat het signaal
steeds verder komt.
Je hebt verschillende signalen manieren hierbij. Directe signalering van B naar A, of
als er een cel-groep C tussen A en B zit, dan zal B weer A activeren maar zijn
signalering zal C ook activeren. Zo kunnen er meerdere groepen tussen A en B zitten
en zullen deze allemaal geactiveerd worden door B signalering naar A.
Het Notch eiwit zit over het celmembraan, met een deel in de cel en een deel buiten de cel. Liganden
die binden aan het extracellulaire domein induceren het ‘los’ knippen van het intracellulaire domein,
wat de nucleus in gaat en gen expressie aanzet.
De receptor wordt normaal gesproken getriggerd door
direct cel-aan-cel contact, waarbij transmembraan
eiwitten (delta eiwitten) van andere cellen direct
contact maken met de Notch receptor, als ware ze
liganden zijn. De Notch binding zorgt er dus voor dat
cellen aan elkaar kunnen binden. Het binden van een
ligand kan er zelfs voor zorgen dat naburige cellen geen
intercellulair Notch signaal maar afgeven. Zo kunnen
groepen cellen elkaar beïnvloeden om samen grote
structuren te vormen. Hierbij zal je dus cellen krijgen
met allemaal Delta eiwitten waar andere cellen aan
kunnen binden. Dit wordt juxta(naast)criene signalering genoemd. Laterale inhibitie is de capaciteit van
(als voorbeeld) een neuron om de activiteit van zijn naburige cellen te reduceren. Hierbij leidt laterale
inhibitie tot het verminderen van actie potentialen van geëxciteerde neuronen naar naburige neuronen
in laterale richting.
Door cel-cel interacties kunnen er complexe patronen van cellen ontstaan. Denk aan de bevruchte eicel,
deze deelt in de eerste dagen tot 2,4,8,16 cellen. De eerste delen (tot twee cellen) doet de scheiding
maken tussen de P1 cel en de AB cel. De P1 cel kan alles worden wat hij wil zonder externe stimulans,
maar de AB cel moet juist gestimuleerd worden door een externe stimulans waardoor ze gaat
delen/differentiëren. De AB lijn (dit zijn de groene cellen in de
afbeelding, deze ene cellen deelt zich tot twee cellen, die delen
zich weer tot vier cellen en die weer tot acht cellen) vormen later
de neuronen, huid en pharynx. De P1 cel deelt (1 2) in EMS en
P2. De EMS cel deelt weer in MS en E, waarbij MS de pharynx,
spieren en neuronen later vormt en de E de intestines/darmen. De
P2 cel deelt weer verder in P3 en C founder cells. De C founder
cells vormen later de spieren, huid en neuronen. De P3 cel deelt
weer verder in P4 en D founder cells. De D founder cells worden
uiteindelijk spieren en P4 juist de kiemlijn/germline (?). Deze cellen
zitten aan elkaar vast en stimuleren elkaar door de Notch en Wnt
pathway.
Een kleine groep signaal pathways worden herhaaldelijk gebruikt
om cellen in structuren te ordenen. Dit zijn de Receptor Tyrosine Kinase (RTK), TGFβ superfamilie, Wnt,
Hedgehog en Notch pathways.
Receptor Tyrosine Kinase (RTK):
Er zijn twintig subklasses voor deze groeifactoren receptoren die allemaal tot de
receptor tyrosine kinases (RTKs) behoren. Receptor tyrosine kinases vormen dimeren
bij ligand binding en bestaan dus (vaak, niet alle RTKs) zonder binding van een ligand
uit twee monomeren onderdelen. Wanneer een ligand bindt, komen de twee
monomeren bij elkaar. Hierdoor wordt aan de cytoplasmische kant van de RTK een
kinase geactiveerd die het receptor molecuul fosforyleerd, specifiek de tyrosines. De
gefosforyleerde tyrosines dienen dan als een aanhechtingspunt voor eiwitten met SH2
domeinen. Alle liganden binden in tweevoud met RTKs in een ratio van 2:2. Dus twee
liganden binden aan twee receptor tyrosine kinases.
De gefosforyleerde tyrosine residuen zijn gekoppeld aan vier subpathways: mitogen-activated protein
(MAP) kinase, phospholipase Cγ (PLCγ), phosphoinositide 3-kinase (PI3K) en STAT.
Alle eiwit kinases gebruiken Mg-ATP als fosfaat donor en hebben soort gelijk gevormd structuren. Echter
zijn niet alle ATP-bindingspockets identiek. Er zit nog altijd een subtiel verschil in kinase structuren,
waardoor het mogelijk is specifieke inhibitoren te maken. PD173074 is bijvoorbeeld actief bij FGFR1,
FGFR2, FGFR3 en CaM kinase II.
Alle RTKs binden dus twee liganden aan twee receptoren (2:2) en transfosforyleren: een kinase domein
van het ene receptor molecuul fosforyleert de tyrosines op de andere receptor.
TGFβ superfamilie:
De signalering begint met de binding van een specifieke ligang aan de TGF beta type II receptor. De type
II receptor is een serine/theonine receptor kinase die de fosforylatie van de type I receptor katalyseerd,
Elk ligang bindt aan een specifieke type II receptor. Door deze fosforylatie vormen de type I en II
receptoren een hetero-tetramerisch complex met de ligand. Deze receptoren zijn serine/threonine
kinase receptoren en hebben een cysteine-rijk extracellulair domain, een transmembraan domein en
een rijk serine/threonine cytoplastisch domein. Het GS domein van de type I receptor bestaat uit een
ongeveer een serie van 30 serine-glycine herhalingen. De binding van het ligand zorgt voor een rotatie
van de receptoren zodat hun cytoplasmische kinase domeinen in een katalytisch gunstige orientatie
liggen. De type II receptor fosforyleert vervolgens de serine residuen van de type I receptor, welke weer
een eiwit van de verdere pathway activeert.
Wnt-pathway (al eerder gehad):
Wnt-pathway begint wanneer er een Wnt eiwit bindt aan de N-terminale extracellulaire cysteine rijk
domein genaam Frizzled (Fz). Deze receptoren zitten zeven keer gespannend over het plasma
membraan en zijn dus GPCRs. Soms is er bij deze binding ook nog sprake van co-receptoren, zoals
lipoprotein receptor-related protein (LRP)-5/6, receptor tyrosine kinase (Ryk) en ROR2. Als de receptor
geactiveerd is, wordt er een signaal gezonden naar het fosfaateiwit Dishevelled (Dsh), welke in het
cytoplasma ligt. Het signaal wordt door een directe interactie tussen Fz en Dsh verzonden. Dsh eiwitten
zijn aanwezig in alle organismes en bestaan uit een amino-terminaal DIX domein, een centraal PDZ
domein en een carboxy-terminaal DEP domein. Nu zijn er drie verschillende cascade die in werking
gesteld kunnen worden:
Canoncial Wnt pathway:
De canoncial Wnt pathway zorgt voor een verhoging van βcatenine in het cytoplasma, wat uiteindelijk de nucleus in
wordt getransporteerd om als transcriptionele coactivator of
transcriptie factoren te dienen die tot de TCF/LEF familie
behoren. TCF/LEF staat voor T-cell factor/lymphoid enhancing
factor en zorgen dus voor het maken van wittebloedcellen.
Normaal gesproken wordt β-catenine afgebroken in het
cytoplasma. Dit ‘vernietigingscomplex’ bestaat uit axin
adenomatosis polyposis coli (APC), protein phosphatase 2A
(PP2A), glycogen synthase kinase 3 (GSK3) en casein kinase 1α
(CK1α). Het complex breekt β-catenine af door het voor ubiquitinatie te fosforlyeren, hierdoor is het
gemarkeerd voor proteasomen om het af te breken. Echter zo snel als het Wnt eiwit bindt aan Fz en
LRP-5/6, wordt het vernietiginscomplex verstoord. Dit komt doordat Wnt zorgt voor translocatie van de
axine naar het plasmamebraan toe. Door fosforylatie door andere eiwitten in het vernietiginscomplex
bindt axine aan de staart van LRP-5/6. Axine wordt dan gede-fosforyleerd en haar DIX en PDZ domeinen
inhiberen de GSK3 activiteit van het vernietigingscomplex. Hierdoor wordt β-catenine niet meer
afgebroken en kan het ophopen en uiteindelijk de nucleus in gaan om transcriptie factoren te activeren.
Noncanonical planar cell polarity pathway:
De noncanonical planar cell polarity (PCP) pathway is een Wnt pathway waarbij β-catenine
geen rol speelt. Het gebruikt niet LRP-5/6 als co-receptor maar NRH1, Ryk, PTK7 of ROR2. Ook
deze pathway wordt geactiveerd door binden van Wnt aan Fz en aan één van de hierboven
genoemde co-receptoren. De receptor trekt dan het Dsh eiwit aan. Dsh gebruikt PDZ en DEP
domeinen om het complex Dishevelled-associated activator of morphogenesis 1 (DAAM1) te
vormen. DAAM1 activeert vervolgens het kleine G-eiwit Rho door een GTP te binden. Rho
activeert de Rho-associated kinase (ROCK) welke één van de belangrijkste regulator is van het
cytoskelet. DAAM1 medieert ook profiline binding aan actine. Dsh vormt ook een complex met rac1.
Rac1 activeert JNK en kan ook tot actine polymerisatie leiden.
Nonicanonical Wnt/calcium pathway:
De noncanonical Wnt/calcium pathway gebruikt ook geen β-catenine. Haar
rol is om calcium vrijlating van het ER te reguleren om intracellulaire
calciumconcentratie te regelen. Wanneer het Wnt eiwit is gebonden, gaat de
geactiveerde Fz receptor direct interactie aan met Dsh en activeert specifiek
het Dsh-eiwit domeinen: PDZ en DEP domeinen. Echter gaat de Fz receptor
ook een directe verbinding aan met een G-eiwit. De co-stimulatie van Dsh en
het G-eiwit leidt tot activatie van PLC of cGMP-specifiek PDE. Als PLC
geactiveerd is, wordt PIP2 geknipt in DAG en IP3. Wanneer IP3 bindt aan zijn
receptor op het ER, wordt er calcium vrijgegeven uit het ER. Verhoogde
concentraties van calcium en DAG kan Cdc42 activeren met behulp van PKC.
Cdc42 reguleert cel morfologie, migratie, endocytose en celcyclus voortgang.
Toename van calcium activeert ook calcineurine en CaMKII. CaMKII induceert
weer activatie van de transcriptie factor NFAT, welke cel adhesie, migratie en
weefsel scheiding reguleert. Calcineurine activeert TAK1 en NLK kinase, welke
TCF/β-catenine signalering kan tegen gaan. Activatie van PDE zorgt weer voor
verminderde vrijlating tot geen vrijlating van calcium van het ER. PDE medieert
zijn reguleringssysteem door inhibitie van PKG.
Hedgehog:
Hedgehog is een ligand en bindt aan cellen, specifiek aan de
transmembraan eiwitten Cdo en Boc. Deze eiwitten binden aan Hh
met behulp van fibronectine herhalingen en laat Hh binden met zijn
signaal receptor Ptc (patched). De expressie van Cdo en Boc worden
verminderd na binden van Hh. Normaal gesproken inhibeert Ptc de
activiteit van het transmembraan eiwit Smo (smoothened). Door
het binden van Hh aan Ptc, wordt Smo weer actief. Smo transporteert dan Hh naar het cytoplasma waar
het voor transcriptie van genen zorgt en voor proliferatie van de cel.
Juxtacriene interacties (naast) maken gebruik van ephrine signalering (wordt
geactiveerd door binding van het ligand ephrine) en Notch signalering. Hiervoor is
natuurlijk wel cel-cel contact nodig en deze signalering is altijd beide richtingen in.
Paracriene interacties maken gebruik van RTK receptoren, Hedgehog, Wnt pathway en de TGF
superfamilie. Hierbij gaat het over signalering over grote afstand. Hierbij geldt
natuurlijk dat hoe groter de afstand hoe minder sterk het signaal is,
gemakkelijk gezegd omdat het signaal dan veel minder is.
TGFβ (transforming growth factor) zorgt voor de productie van extracellulaire
matrix componenten en reguleert proliferatie zowel positief als negatief. TGF
reguleert ook de epithelische mesenchymale transitie bij zowel kanker als
ontwikkeling en is belangrijk voor vertakkingen en ‘buis’ formatie in epthieel
organen zoals de nieren en longen. Mesenchymale cellen vormen later botcellen (osteablasten),
kraakbeencellen (chondrocyten), spiercellen (myocyten) en vetcellen
(adipocyten).
Epithelische mesenchymale transitie (EMT) is een proces waarbij epitheel cellen
hun polariteit en cel-cel adhesie verliezen, ze beginnen echter migratie en
invasieve eigenschappen te ontwikkelen. Uiteindelijk ‘verlaten’ ze dan ook de
epitheel laag en worden mesenchymale stam cellen. Bijvoorbeeld bij genezing van
een wond speelt die een belangrijke rol. Dit kan zowel slecht als goed zijn, bijvoorbeeld kunnen hierdoor
tumorcellen uit de epitheel laag gaan en de bloedbaan in gaan  metastering. Dit gebeurt bij ontsteking
en TGF stimulatie, maar ook bij een verlaagde concentratie epitheel markers of juist een verhoogde
concentratie mesenchymale markers.
Fibroblast Growth Factors:
Bij fibrose wordt er extra bindweefsel gevormd. Fibrose wordt veroorzaakt
door fibroblast growth factors (FGFs). Dit is een grote familie multifunctionele
eiwitten die met behulp van receptor tyrosine kinases hun signalen afgeven
aan de cel. Het zorgt bijvoorbeeld voor het herstellen van weefsel bij schade,
maar ook voor botgroei of vasculaire groei (überhaupt groei). Mutaties van
receptoren, waardoor FGFs niet meer goed kunnen binden, resulteren in verschillende groeiziektes
(bijvoorbeeld dwergisme).
FGFs hebben verscheidene functies zoals bijvoorbeeld het aanzetten van endotheel cellen om te
prolifereren en tot ‘buizen’ te vormen zoals bloedvaten. Hieronder wordt het voorbeeld gegeven van
FGF10 die door mesenchym cellen wordt geproduceerd. Deze binden aan de FGF10 receptoren van de
epitheel cellen. Nu wordt of de (als voorbeeld) luchtbaan verlengt, maar de epitheel cellen kunnen ook
sonic hedgehog (Shh) produceren waardoor FGF10 productie geinhibeerd wordt. Echter gaan nu de
mesenchym cellen die langs de voorheen producerende mesenchym cellen lagen, FGF10 producerenen
krijg je dus een vertakking van de luchtbaan in twee richtingen.
Wnt-pathway:
De Wnt pathway heeft ook een grote
hoeveelheid mogelijk liganden die kunnen
binden. Ze is een proto-oncogeen, en kan dus
leiden tot overactiviteit van celdeling en celgroei. Wnt pathway reguleert orgaan ontwikkeling en is
belangrijk voor stamcel proliferatie en beweging. Het zorgt ook voor het onderhouden van stamcel
omgeving.
Ephrines:
Ephrines werken via juxtacriene signalering en moeten dus cel-cel contact hebben en gaat met behulp
van bi-directionele signalering. Ephrines stimuleren angiogenese, synaps foramtie en axon
bescherming/sturing en voor cel beweging.
Hedgehog:
Hedgehog creeert grenzen tussen weefsels en is hierdoor belangrijk voor weefsel structuren. Hedgehog
speelt ook een grote rol bij ledematen en breinontwikkeling. Mutaties kunnen dan ook leiden tot
schedeldeformatie, hersen abnormaliteiten etc. Bij kanker is dit eiwit vaak in overexpressie aanwezig.
Cyclopamine inhibeert Hedgehog signalering. Dit medicijn is genoemd naar een boederij in Idaho waar
alleen maar schapen met één oog (cycloop) werden geboren.
Notch-pathway:
Notch-pathway is zeer belangrijk voor het ‘lot/fate’ van stamcellen. Mutaties zorgen voor ontwikkelings
defecten (zoals Alagille en CADASIL) en/of voor kanker. De Notch-pathway is voornamelijk heel
belangrijk voor de formatie van het vatenstelsel.
Het syndroom van Alagille is een ziekte waarbij meerdere organen zijn betrokken. Het opvallendste
symptoom is geelzucht die onstaat doordat gal onvoldoende door de lever kan worden uigescheiden. Dit
wordt weer veroorzaakt door afwijkingen van galgangetjes in de lever (vooral schaarste). De ziekte is
erfelijk en autosomaal dominant (beide geslachten). Vaak hebben deze personen een groeiachterstand
en hart- en bloedvatafwijkingen, maar ook afwijkingen van de ervelkolom en vertroebeling van het
hoornvlies. Dit komt omdat de Notch-pathway gemuteerd is en ‘buizen’ niet goed gevormd kunnen
worden.
CADASIL (Cerebraal Autosomaal Dominante Arteriopathie met Subcorticale Infacrten en
Leukoencephalopathie) is een erfelijke aandoening van de spiercellen in de wand van alle kleine
slagaderen in het lichaam. In feite verscrhompelen de spiercellen in de loop van het leven, waardoor de
slagaders hun elasticiteit verliezen en dus minder goed kunnen samenknijpen of ontspannen. Hierdoor
is de bloedtoevoer naar de organen minder goed. In de hersenen zijn de kleine slagaders meestal het
ergste beschadigd, waardoor de meeste patiënten dan ok vooral
last krijgen van symptomen van de hersenen. Zo kunnen er
migraine herseninfarcten, dementie en depressie optreden. In
andere organen zijn de kleiner slagaders meestal slechts licht
aangedaan.
Wat bepaalt hoe en of een cel reageert op een signaal?
Het lot van de cel wordt bepaald door signalen die de cel
bereiken. Regionale en genetische informatie zorgen voor een specifieke response van de cel op het
signaal, neuronen zullen anders reageren op Notch liganden dan epitheel
cellen in de bloedvaten. Cellen reageren dan ook allemaal anders op het
zelfde signaal, de response is dan ook afhankelijk van de interne maar ook
externe omgeving/context van de cel. Maar ook de signaalsterkte is van
belang.
Bij interne context moet je denken aan specifieke secundaire messengers, posttranslationele
modificaties, eiwit-eiwit interacties etc. Maar ook genetische mechanismes, de beschikbaarheid van
transcriptie co-regulatoren of de hoeveelheid epigenetische factoren.
Bij externe context is natuurlijk de extracellulaire matrix het belangrijkste, maar ook stress op het
weefsel, de chemische omgeving en natuurlijk de cel vorm.
Notch signalering is de belangrijkste regulator voor cel lot en de ontwikkeling van alle weefsels. Hierbij
zijn alle weefsel gevoelig voor een specifieke dosering van Notch liganden en krijg je hierdoor
verschillende reacties van cellen. Notch signalering heeft dus geen secundaire messengers en is
daardoor heel erg afhankelijk van specifieke dosering. Notch
signalering wordt ook bij stress op het weefsel geactiveerd
bijvoorbeeld en zijn activiteit is dus heel erg afhankelijk van zijn
omgeving. In verschillende omgevingen zal de Notch-signalering
ook andere effecten hebben.
Cellulaire beweging vormt organen:
De beweging van cellen naar hun specifieke ‘positie’ zorgt voor de
structuren en weefsel. Deze beweging speelt een zeer belangrijke rol bij
morphogenese. Weefsels kunnen hun vorm veranderen en
verschillende lagen vormen door cel contracteit. Beweging van cellen
wordt veroorzaakt door interacties met de extracellulaire matrix, door
cel contractiteit (actine en myosine) en filament vorming en weer
losmaking, maar ook door cel-cel adhesie en de hoeveelheid attractanten
en/of repellenten. Maar beweging kan ook noodzakelijk zijn om ander
factoren zoals chemotaxis, haptotaxis, durotaxis (substraat wordt
stugger) of zelfs necrotaxis(stoffen die door een necrotische of
apoptotische cel worden uitgegeven). Matrix metallloproteases (MMPs)
trekken bijvoorbeeld als het ware een cel één specifieke kant op. Dit zijn
zink-afhankelijke endopeptidases. Endopeptidases zijn
proteolytische peptidases die peptide bindingen afbreken of
aminozuren zonder terminus. MMPs breken als het ware de
extracellulaire matrix af zodat de cel kan gaan bewegen.
Cel adhesie:
Verschillende eiwitten spelen hierbij een rol. Neural Cell Adhesion Molecule (N-CAM) is
een glycoprotein/suikereiwit en bindt cellen met elkaar. N-CAM kom je tegen op het
oppervlak van neuronen, glia, skeletspier cellen en lymfocyten.
Glia cellen onderhouden de neuronen: ze ondersteunen het hersenweefsel en zorgen voor
stevigheid en structuur behoud, tevens scheiden ze ook groepen neuronen van elkaar. De
oligodendrocyten in het centrale zenuwstelsel en schwanncellen in het perifere
zenuwstelsel maken myeline aan. Ook ruimen ze afval af naar neuronale verwonding of
celdood, ze bufferen de concentratie kaliumionen in de extracellulaire ruimte en
verwijderen transmitters. Gliacellen voorzien ook nog de zenuwcellen van
voedingsstoffen.
Vascular cell adhesion protein (VCAM-1) is een eiwit dat de adhesie van bloedcellen aan
het vasculaire endothelium regelt. Ze zorgt voor adhesie van lymfocyten, monocyten,
eosinofielen en basofielen aan het vasculaire endothelium.
Cadherines (calcium-dependent adhesion) zijn transmembraan eiwitten en spelen een
belangrijke rol in cel adhesie en vormen hechtings punten om weefsels en cellen samen te
binden. Ze zijn dus, zoals hun naam al zegt, afhankelijk van calcium of te functioneren.
Mechano-differentiatie:
De elasticiteit van weefsels verschilt heel erg onderling. Denk aan bot wat helemaal niet elastisch moet
zijn, en hersenweefsel wat juist wel elastisch moet zijn. Mechanische krachten beïnvloeden
differentiatie van bloedflow, ECM organisatie, mechanische lading en cel vorm (compact of juist
uitgerekt).
Mechanische lading vindt bijvoorbeeld veel plaats op botten, kraakbeen, spieren en het hart en deze
weefsels en cellen worden dan ook gevormd na deze mechanische lading. De bloedflow bepaalt
bijvoorbeeld de vorming van nieuwe bloedvaten en vaten architectuur. Ademhalen bijvoorbeeld bepaalt
hoe het longweefsel zich ontwikkeld en hoe de alveoli zijn gestructureerd etc.
Mechano-sensoring:
In de cel zitten dus allerlei actine en myosine strucutren,
waardoor de cel bewogen kan worden. Deze zitten vast
met eiwitten zoals paxilline, Ena/Vasp, vinculine, zyxine,
tensine aan de FAK eiwitten die direct aan het
celmembraan vast zitten. Aan de extracellulaire kant zitten
integrine eiwitten vast aan de cel en aan fibronectine.
Integrines verbinden de cel met het ECM, maar zorgen
ook voor signaal transductie van het ECM naar de cel.
Fibronectine is een eiwit wat ECM componenten (zoals
integrines, collageen, fibrine etc.) onderling verbindt.
Focal adhesions zijn grote macromoleculaire structuren waar mechanische kracht en regulatie signalen
worden overgezodnen tussen het ECM en de betreffende cel.
FAK (focal Adhesion Kinase) is een eiwit dat bij activatie intracellulaire signaal transductie stimuleert,
hiermee het cel contact met de ECM stimulerend, waardoor cel migratie kan plaats vinden. Een kinase,
zoals we weten, zet een fosfaat groep van de ene structuur over naar de andere structuur.
Focal adhesie punten voelen dus de mechanische krachten en zetten hierbij een pathway aan: integrin
klustering en verzamelen van integrines. Vervolgens wordt dus het cytoskelet gereorganiseerd, wat
weer leidt tot signaal doorgang van adhesie punten
naar de nucleus, wat weer leidt tot gen expressie en
andere eiwitten en dus functie van de cel. De kracht
die op de matrix wordt uitgeoefend zorgt voor het
openen van cryptic sites, eiwitten voor de matrix
worden vervolgens aangetrokken en een ANDERE
matrix wordt gevormd. De matrix vormt zich dan op
basis van de kracht die op haar wordt uitgeoefend.
Wetenschappers testen de mechanische
eigenschappen door cellen te kweken op
verschillende matrices die allemaal hun eigen
mechanische eigenschappen had. Cellen op een stijve
matrix gingen zich heel sterk binden via de integrines
aan de ECM, er was geen sprake van myosine II
expressie en ze gingen zich ontwikkelen tot botcellen.
De cellen op een zachte matrix gingen zich
ontwikkelen tot neuronen en waar heel slap
verbonden met het ECM.
Weefsel homeostasis:
Zoals al eerder besproken is weefsel homeostase het ‘evenwicht’ in
proliferatie en celdood. Als er schade is aan het weefsel, zullen stamcellen zich geen
prolifereren en differentiëren tot specifieke cellen zodat de homeostase is behouden van het
weefsel. Weefsel homeostase vindt voornamelijk plaats in de derde fase van het leven 
maintenance. De stemcellen blijven in dezelfde aantallen aanwezig omdat zij zich eerst delen,
en vervolgens maar één van deze ‘dochtercellen’ zich ontwikkeld tot de specifiek
gedifferentieerde cel. Echter zijn er vaak maar weinig stamcellen en gaat deling langzaam. Uit
kleine groepen stamcellen kunnen hele structuren/weefsel groeien, maar het aantal stamcellen
blijft constant.
De huid:
De huid is het tweede grootste orgaan van het menselijk lichaam en
bestaat uit (zweet) klieren, bloedvaten, melanocyten en zenuweindes.
Het is de fysieke barrière tussen ons lichaam en de buitenwereld. Het
zorgt er ook voor dat vocht niet ontsnapt of ‘verdampt’ van het
lichaam. De huid bestaat uit heel veel cellen die dicht op elkaar zitten.
Melanocyten zijn huidcellen die melanine produceert (dit geeft
pigment). Melanine moet de hypodermis beschreven tegen UV licht. Melanine is dan ook zwart van
kleur en absorbeert hiermee al het licht. De huid bestaat dus uit meerdere lagen: van boven naar
beneden: de epidermis, dermis (waarbij je eerst los connectief weefsel hebt en vervolgens een dermis
laag met dicht connectief weefsel) en de hypodermis (bestaat vooral uit vettig connectief weefsel). De
epidermis is de fysieke barrière ter bescherming dus. En de dermis ondersteunt de structuur van de
epidermis (kracht en elasticiteit) en bevat cellen die belangrijk zijn voor temperatuur regulatie en
aanrakingen, warmte voelen of haarzakjes.
De epidermis bestaat uit dendritische cellen (Langerhans cellen), keratinocyten en melanocyten (die
dus melanine maken).
Dendritische cellen zijn onderdeel van het immuunsysteem en controleren het lichaam constant op
aanwezigheid van pathogenen. Zodra hij een pathogeen tegen komt, zal hij geactiveerd worden en
cytokines en chemokines gaan aanmaken die het pathogeen onschadelijk zullen proberen te maken.
Dendritische cellen kunnen ook pathogenen opnemen en hun antigenen aan de buitenkant van hun
celmembraan presenteren. Ze bewegen zich dan naar de lymfevaten en lymfeklieren waar ze de
antigenen aanbieden aan T-cellen.
Keratinocyten beslaan 90% van alle cellen in de epidermis en produceren voornamelijk chemokines die
leukocyten aantrekken, bij schade door pathogene bacteriën, fungi, parasites, virussen, warmte, UV
radiatie en/of waterverlies. Ze produceren ook keratine voor versteviging van de ECM.
De losse connectieve weefsel dermis bestaat uit marcofagen,
collageen vezels, fibroblasten, lymfocyten, endotheel cellen die
capillairen vormen en mast cellen. Mast cellen reageren op allergieën
en vallen verschillende pathologen aan.
Het dichte connectieve weefsel dermis bestaat uit fibroblasten,
collageen vezel en elastine vezel.
Je opperhuid (de epidermis dus) ‘vernieuwt’ zich elke twee weken.
Nieuwe huidcellen worden geproduceerd door stamcellen boven
op het basaal lamina. Deze cellen migreren langzaam aan naar
boven naar de prickle cell layers, Voornamelijk dode keratinocyten
vallen eraf en worden vervangen door nieuwe keratinocyten.
Onder deze laag zit een granulaire cellaag, daaronder prickle cell
layers, daaronder basale cel laag (waar alle stamcellen zitten) en
daaronder het basale lamina.
Je krijg asymmetrische cel deling door de verdeling stamcellen
tegenover commited cellen. Commited cellen zijn cellen die nog
terug kunnen differentiëren naar een vorige vorm en dus nog
niet hun gedifferentieerde vorm hebben. De plaats van de
stamcellen bepaalt natuurlijk hoe het weefsel groeit en ook het
niche waar de stamcellen in zit bepaald haar ‘lot’. Een niche met
veel grondstoffen en promotie factoren zorgen voor extra
aanzetten tot delen. Maar ook de oriëntatie van de mitotische
bundel is belangrijk om een cel in de lengte of in de breedte gaat
delen. Het leucine-glycine-aspargine-repeat eiwit (LGN) en het
nuclear mitotic appartur proteins (NuMA) spelen een
belangrijke rol voor de oriëntatie van de bundels.
Jagged1 (JAG1) is één van de vijf liganden die met Notch
pathway bindt.
Laminine zijn grote eiwitten die cellen van de basale laag met
het basale membraan verbinden.
Factoren zoals FGFs en TGFs reguleren proliferatie, Notch
reguleert differentiatie.
Huid veroudering komt door het afnemen van volume en elasticiteit van de huid (het wordt dunner en
raakt sneller beschadigd), door de constante straling, verlies van stamcel capaciteit, verlies van
collageen, het toenemen van enzymen die collageen afbreken, verlies van activiteit van antioxidanten,
dehydratie en ontsteking.
Spijsvertering  gastrointestinal tract (GIT):
Je GIT is verantwoordelijk voor het verteren van je voedsel, het absorberen
van voedingsstoffen en het uitgeven van afvalstoffen. Het is ongeveer
negen meter lang. Een lage zure pH vindt je in de maag, galzuur daar helpt
met het kleiner maken/verteren van vetten en eiwitten. Het vrij laten van
hormonen en enzymen helpt met het reguleren van verteringsprocessen,
denk hierbij aan gastrine, secretine en cholecystokinine. Gastrine
stimuleert voornamelijk de maagzuurproductie en wordt afgescheiden door
G-cellen bij het begin van de maag en door het duodenum of jejunum.
Secretine wordt geproduceerd door de S-cellen in het duodenum, deze
liggen in de cryptes van Lieberkühn. Secretine reguleert de zuurgraad van
de inhoud die door de duodenum gaat. Het remt de maagzuursecretie en
wordt gestimuleerd door een overmaat aan zuur in het duodenum.
Cholecystokinine is een eiwit wat verantwoordelijk is voor het verteren van
vetten en eiwitten. Het wordt geproduceerd door de I-cellen in het mucosal epithelium van de kleine
darm en wordt uitgegeven in de duodenum. Het zorgt voor vrijgeven van enzymen en gal van de
pancreas en galblaas.
De dikke en dunne darm bestaan uit een laag intestinal epithelium, dit is een mucosal oppervlak van
ongeveer 400 m2 aan oppervlak. Het bestaat uit één enkele laag epitheel cellen die villi vormen. Deze
villi zorgen voor extra oppervlak. Verder zijn er nog gespecialiseerde cellen die voor enzymatische
vertering en absorptie zorgen: absorptie cel, goblet cel, enteroendocriene cel en de
paneth cel. De goblet cel produceert voornamelijk mucus. Paneth cellen produceren
enkele anti-bacteriële stofjes tegen bacteriën, simpel gezegd. Enteroendocriene cellen
zijn cellen die hormonen en/of signaal moleculen produceren, zoals de al eerder
genoemde G, S of I- cellen. Je hebt ook K-cellen (die incretine uitgeven  deze zorgt
voor triglyceride opslag door de cellen) en nog enkele.
Onderhoud van het darm epitheel:
In de cryptes van Lieberkühn zitten de stamcellen omgeven door los
connectief weefsel. Deze stamcellen delen zich tot epitheel cellen die
geleidelijk aan naar boven migreren. Het delen van de stamcellen duurt
iets meer dan 24 uur, vervolgens delen de gevormd epitheel cellen zich
enkele keren heel snel (12 uur per deling) en duwen ze als het waren naar
boven. Zo wordt het epithelium in je darmen elke 3-5 dagen ‘vernieuwd’.
Ongeveer 200-300 cellen worden er gevormd per dag. De stamcellen
delen zich dus tot meerdere verschillende cellen en zijn multipotent.
Afhankelijk van de stamcel niche ontwikkelen ze zich. Deze deling is zeer
afhankelijk van de Wnt-pathway, de receptor die deze pathway aanzet is
het leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptor 5 (LGR5).
In de crytes is Wnt-pathway actief en vindt cel proliferatie plaats,
daarboven is echter Wnt-pathway inactief en vindt er geen cel
proliferatie meer plaats. De Wnt-pathway zet de Notch pathway aan.
Normaal gesproken groeien de cellen niet in laterale richting. Eerst
delen de stamcellen tot een ‘normale’ darmcel, vervolgens zorgt de
activatie door Notch voor het ontwikkelen van deze cellen tot absorptie
cellen, als dit niet gebeurd worden ze gewoon secretie cellen.
De regulatie van migratie van de cellen naar boven wordt gereguleerd
door signalerings pathways. Wnt zorgt voor verminderde expressie van
Eph receptoren en toename van ephrine ligand vorming. Proliferende cellen en
Paneth cellen in de crypte zullen hierbij blijven zitten. Door het binden van de
overmaat van ephrine aan de EphB receptor krijg je een verandering van het
actine skelet in een soort ‘duwende’ beweging. De cellen blijven op hun plaats als
deze interactie stopt. Paneth cellen gaan juist naar beneden, waarbij andere
cellen naar boven gaan. De niet-delende cellen, maar wel differentierende cellen,
hebben ‘normale geven ephrine eiwitten af zodat ze uit de crypte blijven.
Proliferatie wordt geinhibeerd door BMP4 eiwitten. Deze eiwitten worden
geproduceerd door de kern van de villus, hierbij stimuleren Hedgehog en Wnt
signalen van de crypte de BMP4 expressie en deze BMP4 eiwitten inhiberen
proliferatie van cellen aan de buitenkant van de villus kern. Bij een onderzoek
waar het BMP signaal geblokkeerd wordt, krijg je random crypte vorming in de villus
kern.
Veroudering van GI is veel minder dan bij de huid en vindt eigenlijk nauwelijks plaats. Na verloop van tijd
vindt er wel enig verlies van darm motiliteit plaats (peristale beweging), mucosa verandert van
samenstelling, veranderingen in secretie van galzuur en intestinale bacteriën nemen af. Ook vindt er een
hogere kans plaats op kanker en constipatie.
Hoe kan je stamcellen markeren? Je kan ze natuurlijk genetisch labelen, maar
er bestaan ook specifieke labels (zoals BrdU) voor prolifererende cellen.
Bromodeoxyuridine (BrdU) is een thymide analoog en bindt sterk aan
profilerende cellen. BrdU gaat in het nieuw gesynthetiseerde DNA zitten,
waarbij hij thymide vervangt tijdens DNA replicaties, de broom aan het
nieuwe DNA kan vervolgens gedetecteerd worden. Maar dan moet je dus wel
van tevoren in stamcellen inbrengen.
Bepaalde genen kan je dus ook labelen, waarbij je dus kan zien welke cel
afkomstig is van de cel waarvan jij eht genetisch materiaal hebt gemarkeerd.
Er is nu ook onderzoek die het LGR5 eiwit markeert.
Maar ook koolstofdatering wordt
gebruikt om nieuw gevormde cellen
te markeren. Na de tweede
wereldoorlog zijn er heel veel
nucleaire bommen getest en is er
veel koolstof-14 in de atmosfeer
gekomen. Deze is door planten
opgenomen en deze planten hebben
wij, mensen, weer opgegeten. Toen
deze testen in 1963 gestopt werden,
begon de isotoop in concentratie af
te nemen. De koolstof-14 in de cel
DNA correspondeert dus met de
hoeveelheid isotoop in de atmosfeer
op het moment dat hij aan het delen
was, hierdoor kan je dus de leeftijd
van een cel nauwkeurig bepalen.
Lever:
De lever processeert geabsorbeerde voedingsstoffen uit het bloed om te
worden gebruikt door andere lichaamscellen. Ze wisselen metabolieten
(stoffen na de eerste afbraak) uit tussen de hepatocyten en het bloed.
Hiervoor worden fenestrae gebruikt waar de uitwisseling tussen bloed en
hepatocyten plaats vindt.
Hepatocyten vullen ongeveer 70-85% van de levermassa en spelen een rol bij
eiwit synthese, eiwit opslag, transformatie van koolwaterstoffen, synthese
van cholesterol, galzuren en fosfolipiden, detoxificatie, modificatie en excretie van exogene en
endogene stoffen en de initiatie van de formatie en secretie van galzuur.
Kupffer cellen zijn een soort macrofagen die in de lever zitten. Rode bloedcellen worden afgebroken
door fagocytose, waarbij het hemoglobine molecuul gesplitst wordt. De globine keten wordt dan her
gebruikt, terwijl de heem groep verder wordt afgebroken tot ijzer. Deze wordt weer opnieuw gebruikt
en bilrubine wordt uitgescheiden in het galzuur. Bilrubine is
een afvalproduct van het afbreken van bloedcellen. Kupffer
cellen eten dus de afval van het afbreken van rode
bloedcellen op.
Het bloed gaat door zogenaamde sinusoide in de lever, de
wand van deze sinusoide bestaat uit hepatocyten en
gefenestreeerde endotheel cellen. De bile canaliculus is een
dunne buis die galzuur die door de hepatocyten wordt
geproduceerd afvoert.
De cellen in de lever worden ongeveer elk jaar vervangen (soms iets eerder), hierbij vindt er proliferatie
van hepatocyten plaats. Bij schade aan de lever treedt er heel snel regeneratie plaats.
Lever veroudering:
Lever veroudering zorgt voor verminderde bloedflow door de lever, morfologische veranderingen en
door dieet (te veel alcohol bijvoorbeeld) kan er versnelde schade komen.
Cardiovasculair systeem:
Het cardiovasculair systeem bestaat uit bloedvaten, hart en bloed.
Het zorgt voor transport van gassen (denk aan zuurstof),
voedingsstoffen, afvalstoffen en hormonen. Het heeft meerdere
verschillende weefsels en tussen die weefsels bestaat interactie,
verschillende lengte metingen van weefsels ook.
Arterie:
Een arterie is een orgaan wat bestaat uit meerdere cellen en is
afgelijnd met endotheel cellen. Endotheel cellen zorgen voor
transport, adaptatie, regeneratie en angionese van de bloedvaten. De bleodvaten (arteriën) omgeven
een lumen, van binnen naar buiten: een endotheel laag, een basaal lamina (die de
endotheellaag scheidt van de spierlaag) vervolgens een gladde spierlaag (met een elastische
lamina (voornamelijk elastine vezels) dicht bij de basale lamina, en de laatste laag bestaat uit
connectief weefsel.
Capillarien:
De capillairen zijn heel erg dun (~0.5 μm wanddikte) en nauw (ongeveer 5-10 μm in diameter).
Capillairen worden opgebouwd uit een laag endotheel cellen, waaromheen een basaal lamina
zit. Pericyten zitten soms tussen het endothelium en basaal lamina, dit zijn ongedifferentieerde
cellen die lijken op gladde spiercellen en geven ondersteuning aan het
weefsel, helpen met contractie en zorgen voor regeneratie of angiogenese
van de vaten. Ze zitten in alle vaten tussen de endotheel cellen.
Pinocytose is een soort endocytose waarbij kleine deeltjes de cel in worden
gebracht, waar ze in kleine vesicles worden ‘opgeslagen’. Deze
pinocytotische vesicles fuseren met lysosomen, deze hydrolyseren (afbreken) de deeltjes. De energie
voor het proces vereist heel veel ATP. Het proces is niet specifiek, alle opgeloste deeltjes rond de cel
worden dan ook opgenomen.
Je hebt drie soorten capillairen:
-
Continue capillairen: hier zijn geen poriën (fenestrae) aanwezig en is het
capillair als het ware continu. Je vindt deze vaten in de hersenen, huid,
spieren, connectief weefsel, thymus, longen, exocriene klieren en
zenuwweefsel. Je kunt pinocytotische vesciles (70 nm in diameter) zien in de
endothelium van de continue capillairen, behalve in het zenuwstelsel en de
bloed barrière.
-
Gefenestreerde capillairen: deze capillairen hebben fenestrae in hun
endothelium, dit zijn dus een soort poriën. Hierdoor kan er uitwisseling tussen
weefsel en bloed ontstaan. Het heeft een continu basaal lamina rondom het
endothelium. De fenestrae zijn 60-80 nm in diameter. Ze worden aangetroffen
in de nieren, darmen en endocriene klieren.
-
Sinusoïde capillairen: deze hebben een vergrootte diameter (waardoor de circulatie wordt
afgeremd) en bestaan uit fenestrae van 30-40 nm. Je treft deze capillairen voornamelijk aan in
de lever, beenmerg en milt.
Vatenstelsel onderhoud, vernieuwing en groei:
Angiogenese vindt plaats gebaseerd op de ‘vraag’ van de cellen naar zuurstof. Het endothelium is hierbij
van cruciaal belang. Angiogenese vindt voornamelijk plaats door middel van proliferatie en migratie van
gedifferentieerde endotheel cellen. Alle vaten worden gevormd uit kleine capillairen (capillairen en
venen), welke bestaan uit endotheel cellen en basaal lamina. Connectief weefsel en gladde spiercellen
worden later toegevoegd, onder invloed van signalen die door de endotheel cellen worden afgegeven.
De Notch pathway is cruciaal voor cardiovasculaire formatie en morfogenese. Hierbij spelen twee cellen
een belangrijke rol: tip cellen en stalk cellen. Activatie van Notch vindt voornamelijk plaats in de
‘verbindingscellen’ die normaal gesproken voor stabiele bloedvaten zorgt door interactie van de Notch
ligand, Delta-like ligand (DLL4), tussen endothele tip cellen. Deze blijven door de Notch pathway aan
elkaar gelinkt. VEGF (vascular endothelial growth factor) signalering, een belangrijke factor voor
migratie en proliferatie van endotheel cellen, wordt verminderd bij cellen waar Notch signalering is
geactiveerd (de Notch pathway verlaagd het aantal VEGF receptoren vorming). Dus door de Notch
signalering te controleren kan angiogenese optreden. Wanneer cellen bij een vat aan VEGF signalering
wordt blootgesteld, zal een gelimiteerd aantal van hun het angio proces ingaan, dit worden stalk cellen
genoemd. VEGF zorgt ook voor verhoogde DLL4 expressie (en dus verhoogde activiteit van de Notch
pathway) en deze zorgt dus dat er minder VEGF receptoren worden gemaakt en de cellen dus minder
gevoelig worden voor VEGF.
Angiogenese is dus op basis van de ‘vraag’ naar zuurstof. Angiogenese wordt
gecontroleerd door signalen van de omgeving: een lage PO2 zorgt voor de extra
expressie van HIF eiwit 1α (hypoxia-inducible factor 1α). HIF 1α stimuleert
transcriptie van VEGF. En zoals al eerder gezegd reguleert VEGF proliferatie van
endotheel cellen en activatie van tip cellen. De rest van de vaatwand wordt
gevormd (‘aangetrokken) door het vrijgeven van PDGF factoren. Deze PDGF-B
en PDGF receptoren trekken endotheel cellen, pericyten en gladde spiercellen
aan.
Nog een keer samengevat. VEGF zorgt voor activatie van tip cellen,
waardoor er extra DLL4 vrijkomt. Deze bindt direct aan de stalk cellen
die onder de tip cellen zit via Notch signalering en deze zorgen voor
een verminderde expressie van VEGFR in de stalk cellen. Deze
inhibeert weer de Notch1. Nu heb je alleen het endothelium en de
basala lamina, de gladde spiercellen worden aangetrokken door PDGF liganden. Met een
experiment waarbij Notch3 werd uitgezet kwamen er aanzienlijk minder gladde spiercellen
naar het nieuw gevormde vat.
Hart:
Het hart bestaat voornamelijk uit gestreepte spiercellen die opgebouwd zijn uit voornamelijk
cardiomyocyten, deze cellen bevatten drie celkernen. Het aantal cardiomyocyten blijft
ongeveer constant tijdens het mensen leven. Endotheel cellen en mesenchymale
cellen nemen toe tijdens volwassenheid en blijken heel vaak te delen. Cardiomyocyten
delen steeds minder, hoe ouder je wordt met minder dan 1% verlies elk jaar bij
volwassenen. Denk aan het onderzoek met de koolstof-14 isotoop.
De buitenste laag van het hart is het epicardium. Epicardially derived cells (EPDCs)
migreren het hart in. Een kleine groep EPDCs differentiëren tot verschillende cel types
zoals het coronaire endothelium, coronaire gladde spiercellen, fibroblasten of
mesenchymale cellen), waarbij andere EPDCs in een niet gedifferentieerde toestand
blijven. EPDC is eigenlijk de ‘ultieme’ cardiale stamcel.
Afhankelijk van de niche waar deze stamcellen in zitten, zullen ze differentiëren tot
verschillende cellen. En weer doet Notch signalering hierbij mee!
Veroudering van het cardiovasculaire systeem:
Veroudering vindt plaats door verminderd volume van rode bloedcellen, door constrictie of blokkering
van vaten door bloedpropjes., door atherosclerose (vet opbouw aan de vaat wanden) die circulatie
bepereken en wanden minder sterk maken tegen druk verschillen. Maar ook door vervanging van
beschadigde hartspiervezels door littekenweefsel. Veroudering heeft ook effect op de aerobe capaciteit
en cardiovasculaire functie tijdens sporten (je zal minder grote hoeveelheden zuurstof kunnen
verwerken). Ook neemt de elasticiteit af en neemt de stijfheid toe van het arteriele systeem, de
bloeddruk neemt toe, hartslag neemt toe, en CO neemt af, ook vindt er verandering in activiteit van
geleidende vezels plaats. Er kan ook calcificatie plaats vinden bij fibrose van de vaten, ook regeren cellen
langzamer bij binden van liganden aan receptoren.
Weefsel homeostase deel 2:
Bloedcellen:
Er zijn verschillende types rode bloedcellen van transport tot productie van antilichamen. Bloed heeft
een hoge regeneratieve capaciteit en de vernieuwing van bloedcellen gebeurt uit multipotente
stamcellen: hematopoietische stamcel genaamd. Je hebt ongeveer vijf liter bloed in je lichaam (7% van
je lichaamsgewicht) met 45% aan rode bloedcellen en 1% witte bloedcellen en rest is voornamelijk
bloedplasma.
Rode bloedcellen (erythroctyen) transporteren O2 en CO2. Witte
bloedcellen (leukocyten) zorgen voor de verdediging van ons lichaam
en gebruiken de bloedvaten om zich te bewegen. Bloedplaatjes
worden geproduceerd door megakaryocyten, bloedplaatjes regelen
weer stolling. Bloedplaatjes hebben geen nucleus en bestaan uit
fragmenten van cytoplasma.
Leukocyten zijn onder te verdelen in granulocyten en agranulocyten.
Granulocyten zijn weer onder te verdelen in basofielen (geven
histamine en soms ook serotinine), eosinofielen (vernietigen grote
parasiteten en moduleren allergische reacties) en neutrofielen (fagocytose en vernietigen bacteriën). De
agranulocyten zijn weer onder te verdelen in lymfocyten en
monocyten. Monocyten ontwikkelen zich tot macrofagen en
lymfocyten zijn onder te verdelen in B-cellen (maken
antilichamen aan), T-cellen (vernietigen cellen die
geinfecteerd zijn en reguleren de activiteit van andere
leukocyten) en killer cellen (vernietigen cellen die
geinfecteerd zijn en sommige tumor cellen).
Histamine zorgt voor het aangaan van een immuun reactie
tegen pathogenen. Histamine zorgt voor toename in
permeabiliteit van de capillairen voor witte bloedcellen en
sommige eiwitten, waardoor deze pathogenen kunnen
aanvallen.
Serotinine wordt door bloedplaatjes opgeslagen en bij een
bloedstolling geven de bloedplaatjes serotinin weer af.
Serotinine zorgt voor constrictie van vaten.
Normaal gesproken zitten de endotheel cellen van bloedvaten dicht tegen elkaar.
Signaal moleculen of inflammatie moleculen worden vrijgegeven door het
beschadigde weefsel waardoor de endotheel cellen minder dicht op elkaar gaan
zitten. Hierdoor kunnen witte bloedcellen tissue de endotheel cellen het weefsel in
gaan. Dit wordt veroorzaakt door een proces chemotaxis genoemd. Hierbij ‘voelt’
de cel chemische gradiënten om zich heen. Het beschadigd weefsel geeft deze
specifieke chemische gradiënten af.
Vernieuwing van bloedcellen vindt voornamelijk plaats in het beenmerg en wordt
gestimuleerd door inflammatory mediators. Hieronder zie je twee tabellen met
voorbeelden van mediatoren. De vorming van elke celtype wordt specifiek gestimuleerd
door specifieke mediatoren. Een bacteriële infectie zal voor een toename van
neutrofielen zorgen, een parasitische infectie zal voor toename in eosinofielen zorgen
etc. Het beenmerg bestaat uit verschillende bloed precursor cellen en vetcelllen.
In je beenmerg worden dus voornamelijk alle verschillende bloedcellen
gevormd. Megakaryocyten zijn de cellen die bloedplaatjes vormen, dit doen
ze door extra bloedplasma aan te maken en vervolgens dit de bloedbaan in
te laten ‘lekken’. 1 op de 10,000 cellen in het beenmerg is een
hematopoietische stamcel (HCS) en vijf van zulke stamcellen zijn al genoeg
om het totale bloedvolume te vervangen! Dit hebben ze uitgetest bij
muizen, waarbij ze gezonde hematopoietische stamcellen injecteerden in
de muis.
De proliferatie en differentiatie van stamcellen is heel erg afhankelijk van
de binding met stromale cellen, maar ook van signalen uit de omgeving
(zoals Wnt pathway). De vorming van rode bloedcellen is afhankelijk van
erythropoietine productie door de nieren. En weer andere CSFs
(colony stimulating factors) stimuleren weer verschillende
precursor stamcellen.
Stromale cellen zijn connectief weefsel cellen voor alle organen. Ze
ondersteunen de functie van de parenchymale cellen van het
orgaan. Fibroblasten en pericyten zijn de meest bekende stromale
cellen. Interactie tussen stromale cellen en stamcellen is heel
belangrijk voor progressie van stamcellen. Parenchymale cellen zijn
eigenlijk de ‘functionele’ cellen van het orgaan die daadwerkelijk de
functie van het orgaan uitvoeren.
De stamcel factor (ook wel KIT-ligand of SCF genoemd) is een
cytokine die bindt aan de c-KIT receptor. KIT speelt een belangrijke rol in de regulatie van
HSCs in het beenmerg. De stromale cellen in de omgeving van de HSCs zorgen voor productie
van het KIT-ligand. De c-KIT receptor is een tyrosine kinase, waardoor tyrosine residuen
worden gefosforyleerd en tot activatie leidt van verschillende signaalcascades.
Maar hoe wordt proliferatie, differentiatie en overleving
gereguleerd? Dit is dus heel erg afhankelijk van omgevingsfactoren,
de niche en externe signalen.
Je hebt een geel beenmerg, waar voornamelijk vetcellen zitten, en
een rood beenmerg, waar bloedcellen worden gevormd. De
vetcellen in het gele beenmerg dienen als soort grondstoffen voor
het delen. Na verloop van tijd (veroudering) zal het percentage
vetcellen/vet in je beenmerg toenemen. Hierdoor neemt de
productie van je beenmerg af en kan je anemie (verlaagde concentratie rode bloedcellen in je bloed)
krijgen. Factoren in het bloed hebben ook effect op het verouderingsproces van ander weefsel.
Skelet spieren:
Deze spieren hebben een gestreept uiterlijk en zorgen voor houding en beweging van het
lichaam. Ze staat onder invloed van het somatische zenuwstelsel. Men kan al skelet
spierweefsel produceren in het lab door biochemische en mechanische triggers te controleren. Skelet
spieren worden geproduceerd uit myoblasten, enkele myoblasten fuseren vervolgens met elkaar tot
myovezels (vaak met 3 celkernen met weefsel) deze gaan naast elkaar liggen en binden aan de
extracellulaire matrix. Het ECM bepaalt vervolgens de rest van de vorming. Skeletspieren bestaan uit
bundels muscle fascicle die in het epimysium liggen, deze hebben allemaal hun eigen bloedtoevoer.
Deze muscle fascicle bestaan uit muscle fibers bundels die omgeven worden door het perimysium. Deze
muscle fibers bestaat weer uit vele myofibrillen die omgeven worden door het endomysium. Deze
myofibrillen bestaan uit sacromeren, omgeven bij sarcoplasmatisch reticulum. Binnen het sacromeer
zijn meerdere banden en lijn te definieren. Aan de Z-lijn ziitten de actinefilamenten vast. De ruimte
tussen twee Z-lijnen is één sacromeer. De I-band is de ruimte tussen twee myosinefilamenten en
worden gevormd door actinefilamenten. De Z-lijn splitst de I-band precies door midden. De A-band
wordt gevormd door myosine- en actine
filamenten. De H-zone is het gebied met alleen
myosinefilamenten, zonder dus actine filamenten.
De H-zone wordt gepsplits door de M-lijn. De Mlijn bestaat uit M-proteïnen, myomesine en het
enzym creatinekinase. Titine is het eiwit dat
myosinefilamenten van verschillende sarcomeren
verbindt. Myomesine zorgt voor het verbinden
van dikke filamenten en andere eiwitten zoals
titine. Creatinekinase gebruikt ATP om
fosfocreatine (PCr) en ADP te vormen. En PCr wordt weer gebruikt de eerste 2-7 seconden om ATP te
generegen, het kan zijn fosfaat groep namelijk aan ADP doneren  anearobe verbranding.
Het vormen en ontwikkelen van spieren wordt myogenese genoemd. Eerst heb je natuurlijk de
progenitoren van het mesoderm die ontwikkelen tot myoblasten, dit zijn de spiercellen waaruit alle
spieren ontwikkelen, deze worden ‘geactiveerd’ om te gaan delen door groeifactoren. Vervolgens gaan
de myoblasten in een geordende volgorde/structuur zitten en zal er cel fusie optreden, waarbij je dus
grotere/langere cellen krijgt (met meerdere celkerenen). Uiteindelijk fuseren ze zo erg met elkaar dat er
een spiervezel ontstaat.
Verschillende factoren spelen een rol bij overgang van deze fases. Mrf4 zorgt voor determiantie van
progenitoren tot myoblasten en activeren myoD en myf5/mrf4, pax3 stimuleert ook myoD en
myf5/mrf4. Al deze factoren (myoD en myf5/mrf4) activeren differentiatie van myoblasten tot een
gefuseerde multinucleaire myotube, groeifactoren inhiberen juist weer deze differentiatie. Myogenine
mrf4 zorgt weer voor maturatie van de myotube tot spiervezel.
Skelet spiervezels zijn terminaal gedifferentieerde cellen. Ze hebben een lage turnover
en delen/vernieuwen dus niet zo vaak. Postnatale groei vindt voornamelijk plaats door
vergroting van de vezels (hypertrofie). Toename in diameter wordt gedaan door
myoblasten aan te trekken. Een toename in cellen gebeurt alleen via fusie van
myoblasten. Myostatine inhibeert proliferatie en differentiatie tijdens organogenese.
Men heeft deze factor uitgezet (inactief gemaakt) bij dieren, hierdoor krijgen deze
dieren ongeremde spiergroei en werden ze heel gespierd. De regeneratieve capaciteit
van skelet spierweefsel is laag en gebeurt door stamcellen,
zogenaamde satelliet cellen. Proliferatie en differentiatie gebeuren
dus onder invloed van myostatine.
Deze satelliet cellen
vindt je bij
meerdere
verschillende
weefsels. Externe
factoren zorgen voor een bepaalde differentiatie in een specifieke cel.
Veroudering van skelet spierweefsel treedt op door verlies van specifieke spiereiwitten, door
spierverlies (sarcopenia) en verandering in stamcel niche. Hierdoor raakt het skelet spierweefsel zijn
functie en kracht kwijt.
Het skelet:
Het skelet is onderverdeel in kraakbeen en bot. Het is een ondersteunende
structuur en bestaat voornamelijk uit gemineraliseerd weefsel. Het heeft
ook een synthetische en metabolische functie: het beenmerg zit in de
botten (bloedcel productie), zorgt voor calcium balans, secreet hormonen
met groei factoren (GFs) die fosfaat metabolisme en glucose metabolisme
reguleren. Botcellen worden gevormd uit fibroblasten. Chondrocyten zijn
kraakbeen cellen en osteoblasten/osteocyten zijn botcellen.
Kraakbeen fungeert als een soort stootkussens, dit komt omdat ze net wat minder stijf is dan botweefsel
maar weer niet zo flexibel als spierweefsel (zit er tussenin). Chondrocyten delen en maken meer ECM
aan. Hierdoor worden fibroblasten uit omgevend weefsel aangetrokken en deze worden dan omgezet
tot chondrocyten.
Osteocyten/osteoblasten zitten in een sterk gecalcifieerde matrix, deze zijn onderling verbonden met
canaliculi (kleine kanaaltjes). Vervolgens zorgt ontkalking van de matrix tot osteoïde matrix voor het
vormen van osteoblasten en uiteindelijk ostegenische cellen (oseoblast precursor cellen).
Je hebt eerst een bot wat voornamelijk bestaat uit
hyaline kraakbeen. Vervolgens wordt er bone
collar rondom het midden gevormd (stap 1), en
begint het kraakbeen te degraderen in het
midden (stap 2). Hierbij wordt spongy bone
gevormd (stap 3). Vervolgens wordt er een
tweede ossificatie center gevormd en wordt daar
ook spongy bone gevormd. (stap 4). Als laatste stap wordt het kraakbeen in de epiphyseale plaat ook
omgezet.
In het midden, de medullary cavity, heb je het beenmerg zitten
en aan beide kanten van het beenmerg zit spongy bone, dit alles
wordt omringd door compact bot. Bloedvaten zitten in het
compacte bot in een gestructureerde structuur, waarbij ze
osteon’s vormen. Dit is een sterk gecalcificeerde omgeving
waarbij osteocyten vastliggen en onderling met canaliculi zijn
verbonden.
Vernieuwing en bot vorming wordt door osteoclasten gedaan.
Deze ‘eten’ als het ware oud bot op en deze worden dan
vervangen door nieuw bot.
Veroudering vindt plaats door vermindering in dichtheid en
hoeveelheid mineralen, door osteoporose (ontkalking), osteoarthiritis in de gewrichten, de
samenstelling van het kraakbeen verandert (minder water)  afbraak van kraakbeen kan artritis
veroorzaken en ligamenten worden minder elastisch (waardoor flexibiliteit afneemt).
Veroudering in het algemeen:
Veroudering komt door verminderde regeneratieve capaciteit van het weefsel en
lage turnover. Bij veroudering is er sprake van een onevenwicht zodat er meer
wordt afgebroken dan wordt vernieuwd/bij gemaakt. Dit komt door veranderingen
in cellulair en weefsel niveau, maar ook orgaan en systeem niveau. Ook neemt het
metabolisme af en kan men minder goed aanpassen aan omgevingsveranderingen.
Alles wordt gewoon minder! Specifieke weefselveranderingen zijn bijvoorbeeld
atherosclerose (aderverkalking), osteoporose (bot ontkalking), anemie
(verminderde concentratie rode bloedcellen) en spier atrofie (afname in spier).
Veranderingen in de ECM zijn:
-
Minder water
-
Meer calcium ophoping
-
Meer collageen en meer cross-links
-
Geen of minder elastine
Veroudering wordt veroorzaakt door metabolische activiteit
(sporten wat je eet etc.), door oxidatieve stress (verkeerde
chemicaliën) en door verwonding  veroudering.
Cellen hebben ook maar een bepaalde leeftijd, deze wordt bepaald
door het Hayflicknummer (dit is het aantal maximale delingen van één
cel). Telomeren bepalen hoe oud een cel kan worden. Schade hoopt
zich op, bijvoorbeeld door steeds meer oxidatieve stres, DNA schade
maar ook eiwit schade. Stamcellen raken ook uitgeput.
Maar je lichaam gaat ook steeds slechter op glucose reageren, je
cellen slaan het niet meer op en zijn niet meer gevoelig voor
insuline. Dit zorgt voor diabetes voor bijna alle ouderen.
Metformine is een anti-diabetisch medicijn die zorgt voor
verminderde glucose productie in de lever, hierdoor kan men
langer leven^^. Maar ook chocolade en wijn zijn goed, dit zijn
goede suikers, en zorgen voor een ‘langer leven’. Donkere
chocolade bevat zelfs een stofje waardoor je je sneller vol voelt!
Resveratrol is dit en deze doet net alsof je heel veel calorieën
binnen krijgt. Wetenschappers zijn ook aan het kijken of ze je
weer jonger kunnen maken door bepaalde signalen te gebruiken
(denk aan die muizen). Een verjongende omgeving zorgt voor
extra regeneratie, Notch signalering in spierstamcellen is ook
minder bij oude spieren  als je deze activiteit weer verhoogd…
Stamcellen worden namelijk niet meer geactiveerd door verlies van Notch ligand Delta, een verjongde
omgeving heeft nog super veel van deze delta liganden.
Hoe kan één enkele cel zich ontwikkelen tot een foetus en uiteindelijk baby?
Hoe krijgen cellen hun organisatie? Niet alleen (zoals we bijna altijd doen)
moeten we 2D kijken, maar juist voor structuur moeten we 3D kijken.
Organogenese is het groeien en ontwikkelen van organen. Belangrijke
processen hierbij zijn: proliferatie, specialisatie, interactie, herpositionering
en apoptose  zie afbeelding:
Proliferatie:
Proliferatie is de vermenigvuldiging van cellen. Hierbij heb je
verschillende fases: de G0 fase is de fase waarin de cel in ‘rust’ is en niet
deelt. De G1 fase is de fase waar er eiwitten en nucleotiden worden
gevormd als voorbereiding op de volgende fase: de S-fase waarbij DNA
replicatie plaats vindt. De volgende fase is de G2 fase, hierbij worden
eiwitten gevormd als voorbereiding voor de mitose/celdeling.
Vervolgens vindt de M(itose) fase plaats waarbij de cel zich
daadwerkelijk deelt. Celdeling wordt geactiveerd door verschillende
factoren: groei factoren, PDGF, VEGF of erythropoein zijn voorbeelden.
Specialisatie/differentiatie:
Specialisatie is het krijgen van een specifieke form en functie van
een cel. Dit gebeurt ook onder invloed van externe factoren  denk aan EGF (RTK
pathway) of BMP (TGFB pathway). Ook kan er een asymmetrische deling van cel
inhoud plaats vinden. Hierdoor heeft de ene dochtercel meer (of minder) van de
specifieke eiwitten dan de andere dochtercel. De signaalsterkte van een signaal is
ook van belang voor het effect van het signaal.
Interactie:
Interactie is de communicatie tussen cellen. Cellen reageren op
elkaar en op de signalen die naburige cellen afgeven, denk aan
de Notch pathway. Hierbij kunnen er signalen tussen naburige
cellen worden afgegeven met behulp van diffusie, direct
contact of door gap juncties tussen de cellen.
De fysieke interacties van cellen met hun omgeving zorgt voor
de vorm en functie van weefsels. Adhesie moleculen zijn
bijvoorbeeld cadherines of integrines.
Cadherinese van verschillende cellen binden met elkaar, hiervoor zijn ze afhankelijk van calcium ionen
 hierbij vormen ze desmosomen of juncties. Je hebt ook calcium-onafhankelijke adhesie, dit zijn
immunoglobulines die samen binden. Verbinding van cel met de matrix gebeurt met behulp van
integrines.
Herpositionering:
Reorganisatie van cellen gebeurt door beweging, deformatie en migratie van cellen. Denk bij
beweging van cellen aan gastrulatie, waarbij de lagen van het embryo gaan
bewegen tot hun uiteindelijk orgaan/plek. Deformatie gebeurt bijvoorbeeld
door dat de intracellulaire microtubuli verlengen, waardoor cellen rechthoekig
worden. Vervolgens trekken actine filamenten zijn zodat de ene kant van de cel
vernauwt wordt. Migratie is het echt migreren van cellen.
Apoptose:
Het meest bekende voorbeeld zijn de vliezen tussen onder
onze vingers, als we volgroeid zijn worden deze cellen tot
apoptose gedwongen waardoor we onze vliezen ‘verliezen’. Dit is dus gereguleerde celdood.
Pathologie is de studie naar cel beschadiging en de expressieve van de voordehand bepaalde capaciteit
van een cel zich aan te passen aan een dergelijke beschadiging. Hierbij bestudeert met de structurele en
functionele afwijkingen die zich uiten als ziekten van organen en systemen.
Begrippen:
Etiologie betekent oorzaak, pathogenese is het ontwikkelingsmechanisme van de ziekte. Morfologische
veranderingen zijn veranderingen in vorm van de cel/weefsel en functionele veranderingen zijn (zoals
het zegt) veranderingen in de functie van de cel. Cel schade bij skelet spiercellen kan bijvoorbeeld
zorgen voor verminderde spierkracht.
Normaal gesproken probeert een cel homeostase te bewaren, hiervoor moet hij zich
kunnen aanpassen/adapteren aan veranderende omgevingsomstandigheden. Deze
veranderingen worden cellulaire stressoren genoemd. Je hebt hierbij vier
categorieën  uiteindelijk leiden ze allemaal tot schade en noodgedwongen tot
adaptatie:
1) Fysieke stressor  bijvoorbeeld ioniserende radiatie, temperatuur, mechanische lading.
2) Chemische stressor  medicijnen of vergif
3) Biologische stressor  enzymen, cytokines, infecties en celgemedieerd
4) Substraat deficiëntie  te weinig of te veel zuurstof of glucose bijvoorbeeld.
Vroeger dacht men dat ioniserende radiatie het DNA in de cel beschadigde en dat je vier opties kreeg: of
de cel gaat zich heel vaak delen tot een kolonie, of de mutatie maakt niks uit, of er treedt apoptose op
van de cel of cellen fuseren met elkaar. Het nieuwe inzicht zegt ons echter dat het membraan of
cytoplasma ook beschadigd kan worden en dat een gemuteerde cel andere cellen ook kan beïnvloeden,
hierbij kan er dus een onstabiele kolonie ontstaan met gemuteerde cellen en gezonde cellen die ook
‘meedoen’. De cellulaire response op stress is de basis van groei, adaptatie en ziekte. Als een
beschadiging de adaptieve capaciteit van de cel over scheidt, zal de cel sterven.
Adaptatie kan van alles inhouden. Voornamelijk zal de cel gaan
groeien in grootte (hypertrofie), in aantal (hyperplasie), gaan
krimpen (atrofie), of in aantal verminderen (dysplasie), meer
gaan opslaan (intracellulaire opslag) of veranderen van celtype
(metaplasie). Cellulaire adaptatie is op moleculair, genetisch,
eiwit en functioneel niveau.
Hypertrofie:
Hypertrofie is de toename in grootte en functie, niet door zwelling, maar
door synthese van structurele componenten. Hypertrofie treedt vaak op bij
terminaal gedifferentieerde cellen (denk aan hartspiercellen, maar uterus
neemt ook toe in grootte om meer kracht te kunnen leveren bij de
bevalling). Hypertrofie van het hart is het vergroten van spiervezels om de
kracht die het ventrikel kan leveren te vergroten om zich aan te passen aan
de verhoogde druk en/of vulling.
De spier past zich dus aan aan verhoogde functionele vraag  verhoogde
genexpressie van contractriele eiwitten en signaling pathways, eiwit
synthese neemt toe, eiwit degradatie neemt af en apoptose wordt
geinhibeerd, als laatste neemt de cel-cel en cel-matrix signalering toe. Hypertrofie wordt gestimuleerd
door signalleringsmechanismes: stimulatie door groeifactoren (meest voorkomend),
neuroendocriene/hormonale stimulatie, zuurstoftoevoer (angiogenese), ion fluxen (bijvoorbeeld
calcium) en hypertrofie antagonisten (remmende factoren, bijvoorbeeld NO).
Maar spier past zich ook aan aan verlaagde functionele vraag  verlaagde genexpressie van
contractriele eiwitten en signaling pathways, eiwit synthese neemt af, eiwit degradatie neemt toe,
afname van metabolisme en cel-cel signalering vermindert.
Atrofie:
Atrofie is het afnemen in grootte en functie door: afname van vraag (fysiologische atrofie), veroudering
(seniele atrofie), verminderde doorbloeding (ischemie  onvoldoende doorbloeding), verlaagd
voedselaanbod (cachexia  verlies van gewicht in algemeen), verminderde hormonale stimulatie
(bijvoorbeeld endometriose bij verlaagd oestrogeen niveau), verminderde innervatie (denervatie
atrofie) of chronische celschade (ontstekingen etc.). Atrofie van een orgaan kan ook ontstaan door
cumulatieve celdood.
Hyperplasie:
Hyperplasie is het toenemen van het aantal cellen in een weefsel of orgaan,
dit kan komen door toename van functionele vraag (lage pO2 leidt
bijvoorbeeld tot meer rode bloedcellen), hormonale stimulatie (psoriasis
waarbij versnelde proliferatie en verminderde differentiatie van
keratinocyten optreedt) en chronische celschade (bijvoorbeeld eelt
vorming). Je krijgt ook wel celproliferatie op basis van signalen uit de
omgeving  G0 cellen gaan dan terug naar de G1 fase, lokale productie van
groeifactoren en groeifactor receptoren en signaleringspathways.
Metaplasie:
Metaplasie is het volledig reversibel transformeren van een
gedifferentieerde celtype naar een ander gedifferentieerde
celtype. Dit gebeurt door functionele adaptatie door
vervanging van cellen door cellen die beter zijn bestand tegen
de stressor. Stressoren die aanzetten tot metaplasie kunnen
echter ook malformaties veroorzaken! Barret slokdarm is een
voorbeeld van metaplasie van het plaveiselepitheel tot meer
gespecialiseed epitheel.
Dysplasie:
Dysplasie is de ongeorganiseerde groei en maturatie van cellen in een
weefsel. Meestal treedt dit op in plaveisel epitheel. Dit is een
functionele adaptie om beter bestand te zijn tegen de stressor en een
voorwaardelijke stap bij cellulaire ontwikkeling richting kanker (preneoplasie). Een voorbeeld van dysplasie is de ontwikkeling van
baarmoederkanker.
Intracellulaire opslag:
Intracellulaire opslag is het opslaan van normale cellulaire bestandsdelen zoals
water, vetten, glycogeen en eiwitten, in grote hoeveelheden. Maar ook worden
abnormale substanties, zoals (exogene) mineralen of producten van pathogenen, of
(endogene) producten van abnormale synthese of metabolisme opgenomen, en
natuurlijk pigment door specifieke cellen in je epidermis. Lipofyscine is het opslaan
van lipiden in cellen, bijvoorbeeld door de cardiomyocyten. Maar denk ook aan
kalkafzetting in de vaten.
Als een cel zich niet kan aanpassen zal hij uiteindelijk necrose uitvoeren en
doodgaan. Acute reversibele celschade is celschade die nog ‘gerepareerd’ kan
worden. De schade is dan ook afhankelijk van de type, mate en duur van de stressor.
Acute irreversibele celschade leidt tot toename in celvolume (hydrofische zwelling), zwelling en dilatatie
van het ER, zwelling van de mitochondria (door acute ischemie), uiteenvallen van ribosmen, uiteenvallen
van nucleoli in de celkern en ‘blebbing’ (uitbulken) van het plasma membraan.
Bij necrose sterft de cel en laat hij zijn inhoud vrij in
het ECM, bij apoptose wordt de dode cel meteen
opgegeten/opgeruimd. Necrose treedt op door een
spectrum van morfologische veranderingen,
voornamelijk door enzymatische degradatie van de dodelijk beschadigde cel. Het membraan scheurt
vervolgens en de celinhoud lekt weg, dit zorgt voor ontstekingsreacties. De morfologie van necrose is
het gevolg van denaturatie van eiwitten en enzymatische digestie van de cel. De enzymen zijn afkomstig
uit de lysosomen van de dode cel zel (autolyse) of van lysosomen uit leukocyten door de
ontstekingsreactie. Dit proces vergt enkele uren. Je hebt vier verschillende vormen van necrose:
1) Coagulatieve necrose  celdood waarbij de omringing/outine van de cel nog langere tijd intact
blijft (vaak bij ischemieschade) (links boven)
2) Liquefactieve necrose  celdood gepaard gaande met pusvorming door snelle opruimacties
van ontstekingscelen (vaak door bacterie of schimmelinfectie) (rechts boven)
3) Caseouze necrose  celdood waarbij de celresten aanwezig blijven en niet opgeruimd kunnen
worden door ontstekingscellen omdat deze zlef dan doodgaan (vaak bij mycobacterie zoals bij
tuberculose) (links onder)
4) Vet necrose  celdood in aanweizgheid van lipase welke vetten afbreken tot vetzuren die
vervolgens calcium binden (bijvoorbeeld bij pancreatitis en bij trauma aan vetweefsel) (rechts
onder)
Apoptose is dus geprogrammeerde celdood. Apoptose wordt
geinduceerd door een strikt gereguleerd intracellulair
programma. Dit proces activeert enzymen voor degradatie van
het DNA en de nucleaire en cytoplasma eiwitten. Het
plasmamembraan blifjt intact, maar wordt doelwit voor
fagocytose. De dode cel wordt snel opgeruimd, voordat de
inhoud weg kan lekken en een ontstekingsreactie kan
veroorzkaen.
Necrose verus apoptose:
Cytochalasines zijn metabolieten die aan actine filamenten binden en polymerisatie en verlenging van
het actine blokkeren. Hierdoor kunnen cytochalasines de cellulaire morfologie bepalen en apoptose
veroorzaken en celdeling inhiberen.
Atherosclerose:
Atherosclerose wordt veroorzaakt door de overmatige response op een vasculaire beschadiging  dit
zorgt voor chronische inflammatie van de vaatwanden. Bij een onstekingsreactie komen monocyten
naar de plaats van de onsteking en differentieren ze daar tot actieve macrofagen.
Ook wel atherosclerose of aderverkalking genoemd is een ziekte waarbij vetachtige stoffen in de wand
van slagaders worden afgezet (fatty streak). In een later stadium wordt de plaque gevormd, die bestaat
uit een kern van dode, vet-bevattende cellen en gladspierweefselcellen, bedekt met een kap bestaand
uit gladspierweefselcellen en extracellulaire matrixonderdelen. Lipoproteïnen circuleren in de
bloedbaan. De belangrijkste hiervan, LDL, kan door het endotheel heen gaan en zich ophopen in de
intima. Daar bindt LDL aan de proteoglycanen van de extracellulaire matrix. Vervolgens worden
leukocyten (voornamelijk monocyten en lymfocyten) naar de plaats toe getrokken,waar het LDL zich in
de intima bevindt. Eenmaal in de intima veranderen de monocyten in macrofagen (de leukocyten die
bacteriën en rotzooi/afval opeten). Deze hebben de mogelijkheid
om de verschillende soorten LDL/vet in zich op te nemen, ze
worden dan schuimcellen (histiocyten). Sommige schuimcellen
(foam cell) verlaten de intima en verlagen dus het vetgehalte,
andere blijven erin zitten. Dit balans bepaalt of de fatty streak
onschuldig blijft of dat er een plaque gevormd wordt. Een aantal
schuimcellen zal afsterven (apoptose) en vormt de kern van de
atherosclerotische plaques. De schuimcellen kunnen cytokines en
groeifactoren produceren, die er voor zorgen dat de gladde
spierweefsel cellen (SMCs) zich vermenigvuldigen en de
aanmaak van extracellulaire matrix (ECM) onderdelen
toeneemt. De SMCs en ECM vormen het kapsel van de plaque,
en voorkomen dat de vettige inhoud in het bloed komt. In een
verder gevorderd stadium hoopt zich calcium in het plaque op
(calcificatie), hierdoor wordt de plaque 4-5 maal zo stijf
(daarom ook aderverkalking). De calcificatie dient als barrière
ter bescherming tegen verdere ontstekingsreactie die de
atherosclerose verergeren.
Het verschil tussen cellen in rust fase en geactiveerde cellen
wordt gereflecteerd in het aantal cytoskelet eiwitten.
Inflammatie/ontsteking:
Inflammatie is de response van een weefsel en zijn microcirculatie op een pathologische trigger die cel
schade veroorzaakt. Het doel van de inflammatie is om de pathologische trigger uit te schakelen, om
resten van weefsels weg te halen en om weefsel reparatie te starten. Schade is en kan zijn op cellulair
niveau maar reparatie is op weefsel niveau.
Vroeger deelde men ontsteking in in vijf verschillende groepen:
-
Rubor (lokale roodheid)
-
Calor (lokale warmte
-
Tumor (lokale zwelling)
-
Dolor (lokale pijn)
-
Functio laesa (functie verlies).
Het innate immuunsysteem (ook wel niet-specifiek immuunsysteem genoemd) geeft directe
bescherming tegen infectie, is niet specifiek en voor ‘korte duur’.Er worden immuun cellen naar de
infectiehaard getrokken met behulp van chemische factoren (cytokines die zorgen dat cellen deze
bepaalde factoren gaan produceren). Je innate immuunsysteem activeert je adaptieve immuunsysteem.
Je adaptieve immuunsysteem is zeer specifiek, voor langere termijn (creëert ‘herinneringen’ aan de
pathogeen) en is langer actief. Een pathogeen activeert eerst
het innate immuunsysteem, gegeven tijd als er een bepaalde
concentratie is van het antigeen, beginnen de dendritische
cellen signalen af te geven zodat het adaptieve
immuunsysteem geactiveerd wordt.
First line of defense:
De eerste verdedigingslinie van het lichaam zijn bijvoorbeeld
lysozymen in je tranen en andere secreties, deeltjes die
worden verwijderd door cilia in de nasopharynx, mucus laag
over de trachea, je huid oppervlakte, lage pH waarde in je
maag, flora in je darmen etc.
Second line of defense (niet specifiek):
Je tweede lijn van verdediging is je innate immuunsysteem.
Debris is de restanten van een dodencel. Voornamelijk
macrofagen eten alle het debris op, neutrofielen eten bacteriën
op, cytokines worden geproduceerd tegen ontsteking.
Thirth line of defense (specifiek):
Een virus infecteert het lichaam en cellen laten antigenen
zien op hun membraan, nu wordt het immuunsysteem
specifiek. Macrofagen zullen het virus opeten en tonen als
antigen op hun membraan. T-helper cellen herkennen dit
antigeen en beginnen B-cellen en cytotoxische T-cellen te
activeren. De cytotoxische T-cellen vernietigen de
geïnfecteerde cellen en de B-cellen worden plasmacellen,
plasmacellen maken antigenen aan die om het virus gaan
zitten zodat de cytotoxische T-cellen hem herkennen. Dit is
dus je adaptieve immuunsysteem.
Inflammatie respons:
Bij inflammatie worden (lokale) bloedvaten doorlatend en meer permeabel. Verdedigingscellen en
chemische mediatoren kunnen hierdoor het bloedvat uit. De response is afhankelijk van het type
pathogeen, de mate en duur van de schade en de micro-omgeving. Acute inflammatie is een snelle,
gelokaliseerde bescherming tegen beschadiging. Chronische inflammatie is voor langere duur en leidt
vaak tot weefsel degeneratie, littekenweefsel en verlies van functie.
Stages van acute inflammatie:
1) Initiatie: inflammatie mediatoren worden geactiveerd en inflammatie cellen worden
aangetrokken naar de omgeving
2) Amplificatie: inflammatie cellen worden vermenigvuldigd
3) Vernietiging van de pathogeen en cellen en weefsel debris
4) Einde van inflammatoire response: zodat er geen weefsel beschadiging van de inflammatie
response optreedt, om homeostase weer te
kunnen bereiken en om weefsel herstel te
initiëren. Kininogenen zijn voorlopers van
kinines die een rol spelen bij inflammatie.
Initiatie fase:
Weefsel schade zorgt dus voor vasculaire veranderingen
(vasodilatie, verhoogde permeabiliteit en leukocyten aantrekking).
Zenuwreflexen zorgen voor vasoconstrictie (sec-min), productie
van inflammatie mediatoren door cellen in het plasma (histamine,
serotonine, prostaglandine, chemokines) en vervolgens zorgen
dilatie-mediatoren voor vasodilatie. Histamine leidt bijvoorbeeld
tot verhoogde permeabiliteit van vaten. Macrofagen die
beschadigde cellen hebben opgegeten laten cytokines vrij voor nog
meer aantrekking van inflammatie cellen.
Vasculaire response:
Vasodilatie zorgt voor verhoogde flow in het beschadigd gebied
(min-uren) en zorgt voor verhoogde permeabiliteit en oedeem vorming (1/2-5 uur) eiwitten en water
worden uit bloed opgenomen doordat deze nu de bloedbaan kunnen verlaten. Fibrogeen maakt een
fibrine netwerk rond het gebied met behulp van bloedplaatjes onder invloed van thrombine.
Vasculaire dilatatie en een verhoogde bloedflow, oedeem vorming
en accumulatie van leukocyten in het gebied, zijn de belangrijkste
fenomenen van vasculaire response.
Cytokines (interleukines, GFs, CSF en chemokines bijvoorbeeld) zijn kleine eiwitten die geproduceerd
worden door cellen in het geïnfecteerd gebied. Dit zijn vaak hormonen met autocriene, paracriene en
endocriene functies en zijn belangrijke regulatoren van inflammatie response. Hierdoor worden
leukocyten aangetrokken en deze leukocyten beginnen waar lichaamsvreemd materiaal op te ruimen en
cellen en weefsel debris op te ‘eten’. Cytokines zijn eiwitten geproduceerd door cellen die geïnfecteerd
zijn en chemokines zijn eigenlijk hetzelfde alleen worden deze geproduceerd door mast cellen.
Interleukines worden geproduceerd
voornamelijk door T-cellen en zorgen voor
de proliferatie en differentiatie van T en Bcellen en andere hematopoietische cellen.
CSFs (colony-stimulating factors) geven
glycoeiwitten af die binden aan receptor
eiwitten op het oppervlak van
hemopoietische stamcellen. Hierdoor wordt
er een specifieke pathway geactiveerd voor
proliferatie en differentiatie tot een
specifiek soort bloedcel.
Tijdens een inflammatie zorgen histamine en thrombine
ervoor dat endotheel cellen P-selectine gaan uitgeven
uit opslag in de cel. Cytokines zorgen voor de expressie
van E-selectine uit endotheelcellen. De leukocyten lopen
dan langs het bloedvat en binden aan de P- of Eselectine, waardoor de cel vertraagd wordt en het de tijd
heeft om het bloedvat te verlaten. Selectines binden aan
de sialyl Lewis X receptor op de leukocyten. Je hebt ook
een ander eiwit Platelet Endothelial Cell Adhesion Molecule (PECAM-1), deze helpt met de migratie van
leukocyten uit het bloedvat het weefsel in. Β1 en β2 integrines zorgen voor extra verstevigde binding van
leukocyten. Thrombine is trouwens ook een serine protease die fibrinogeen omzet tot fibrine.
Vernietiging of te wel fagocytose:
Een microbe of deeltje wordt door endocytose opgenomen door de fagocyt. Vervolgens wordt hij in een
blaasje (een fagosoom) geplaats en fuseert het fagosoom met een lysosoom tot een fagolysosoom.
Hierbij wordt de microbe afgebroken en wordt het ‘onafbreekbare’ materiaal weer uitgescheiden door
middel van exocytose.
Een inflammatie respone is vaak redelijk kort (48 uur vaak). Als de vaatwand weer is hersteld worden
vloeistoffen en eiwitten weer gereabsorbeerd en overmaat door het lymfe systeem weg gewerkt. Dit
gebeurt totdat alles van de inflammatie is verwijderd of vernietigd. Als dit niet het geval is zal je een
tweede onsteking krijgen in je lymfe systeem, kan er fibrose of littekenweefsel vorming ontstaan,
abscess (ophoping van pus in weefsel) of chronische inflammatie.
Acute inflammatie tegenover chronische inflammatie:
Bij chronische infllamtie zal er fibrose optreden en zelfs angiogenese, uiteindelijk zal het weefsel zijn
funcie verliezen (voornamelijk door de littekenweefsel vorming). Oorzaken van chronische inflammatie
is bijvoorbeeld chronische radiatie, bepaalde bacteriën, virussen of een abnormaal immuun response.
Fibrose komt eigenlijk door extra collageen productie. Je lichaam kan ook een soort ‘muur’ bouwen van
histiocyten rondom een pathogeen, dit wordt een granuloma genoemd. Histiocyten zijn speciale witte
bloedcellen die ook in het beenmerg worden gemaakt en heel erg lijken op macrofagen. T-cellen
reguleren macrofaag activatie en recruitment.
Inflammatie is de eerste response op beschadiging en wordt gevolgd
(acute inflammatie dan) door reparatie en regeratie. Reperatie gebeurt
door het vervangen van cellen en een productie van overmaat aan ECM
wat leidt tot littekenweefsel. Regeneratie is het vervangen van weefsel
met dezelfde structuur en functie als het orignele weefsel. Bijvoorbeeld is
atherosclerose een excessieve response op een vasculaire beschadiging
van de arteriën dit zorg voor een chronische inflammatie. Een normale
respons is:
1) Hemostase (msec)  homeostase van het bloed
2) Controleren van vacsulaire weerstand, bloedvolume etc. (min)
3) Hervormen van de vaten voor optimale shear stress op de wand
(dagen)
4) Hervormen van vaten voor optimale circumferentiele stress
(weken/maanden).
Er zal atherosclerose of ziekte optreden bij een excessieve of ongecontroleerde response. Risico
factoren voor atherosclerose zijn hypertensie, hypercholesterolemia, diabetes, roken en
hemodynamische factoren. Wanden worden dikker bij atherosclerose en verliezen hun elasticiteit.
Atheromale plakken kunnen verschillende veranderingen ondergaan
1) Cholesterol microemboli  hierbij wordt cholesterol vrijgelaten uit de plak en
kan dit verstopping veroorzaken iets verder weg ulceratie.
2) Thrombose kan leiden tot verstopping/occlusie
3) Calcificatie kan leiden tot extra verharding van de wand
4) Hemorrhage (bloeden) kan ook leiden tot oc clusie, dit is het lekken van bloed.
Weefsel reparatie na een beschadigd impliceert regeneratie, het groeien
van functionele cellen van precies het type wat beschadigd was, of herstel,
het vervangen van het oorspronkelijke weefsel door niet-functionerend littekenweefsel. Het type
reparatie is afhankelijk van het weefsel type. Reparatie kan plaats vinden door proliferatie van
gedifferentieerde cellen, door differentiatie van stamcellen die weefsel onderhouden of door het
aantrekken van stamcellen van andere weefsels. We willen de beschadigde structuren vervangen, en
repareren van structuur en functie. Relevante processen bij reparatie zijn cel migratie, ECM synthese en
hervorming (cel-matrix interacties) en cel proliferatie en differentiatie.
Je hebt drie verschillende type weefsel reparaties:
-
Labiele weefsel: dit zijn weefsels dit continu delen (bloed, je huid etc.). Deze weefsels kunnen
volledig regenereren na een beschadiging en met functionele cellen vervangen.
-
Quescient weefsel: dit zijn weefsels die normaal gesproken niet profileren maar na een
beschadiging wel kunnen regenereren door specifieke cellen aan te trekken (hepatocyten,
connectief weefsel cellen, renal tubulaire epitheium etc.).
-
Permanent weefsel: deze weefsels kunnen niet naar de G1 fase gaan naar beschadiging. Deze
weefsels worden herstel na beschadiging door het te vervangen door littekenweefsel
(zenuwstelweefsel, hartspierweefsel etc.)
Je hebt vier stages van reparatie:
1) Celdood
2) Acute inflammatie
3) Reparatie/granulatie weefsel, granulatie weefsel bestaat uit connectief weefsel en kleine
bloedvaten die op het oppervlak van de wond gaat zitten bij beschadiging.
4) Hervorming en regeneratie
Cel migratie van specifieke cellen zorgen voor specifieke activatie. Bloedplaatjes gaan er eerst naar toe
(minuten na inflammatie), vervolgens lekken leukocyten door het endothelium (uren), macrofagen
beginnen met opruimen van het gebied rond de wond (uren-dagen), (myo)fibroblasten, pericyten en
gladde spiercellen zorgen voor contractie en herstel van ECM (3-4 dagen) en dan kan je nog migratie van
enkele functionele cellen krijgen voor de ‘echte’ regeneratie.
Regulatie van cel migratie gaat onder invloed van mediatoren van weefselcellen, mediatoren van
verdedigingscellen, groeifactoren en matrix
(degradatie) producten en onder invloed van externe
factoren zoals VEGF, fibrinogeen etc. Er zal angiogene
plaats vinden als de beschadiging te diep in het weefsel
ligt om snel te bereiken voor de leukocyten. Er kan ook
een tijdelijke matrix worden gemaakt specifiek voor
reparaite/regeneratie. Dit wordt gedaan met behulp
van fibrine uit het bloedplasma, maar ook door matrix
moleculen uit het weefsel (vitronectine,
fibrinogeen,fibronectine etc.).
Connectief weefsel bestaat uit connectieve weefsel cellen, cellen van het
beenmerg (leukocyten enz.), collageen, proteoglycanen, GAGs, fibronectine
en elastine. Voor reparatie en hervorming moet er dus degradatie en
synthese plaats vinden maar ook re-organisatie, maturatie en cross-linking.
GAGs zorgen voor water vasthouding. Proteoglycanen zorgen voor het opvullen als het ware en houden
kationen (natrium, kalium en calcium) vast maar ook water. Ze reguleren ook nog de beweging van
cellen door de matrix.
Collageen is eigenlijk het kracht-dragende element
in veel weefsels. Collageen wordt in de cel gemaakt,
waarbij je begint met het synthetiseren van een
pro-α-keten (stap 1). Vervolgens vindt er
hydroxylatie van bepaalde prolines en lysines plaats
(stap 2), vervolgens een glycosylatie van een
bepaalde hydroxylysine (stap 3). Drie van deze
ketens vormen nu samen een pro-collageen triple
helix (stap 4). Deze wordt in een vesicle gestopt en
uitgescheiden in het ECM (stap 5 en 6). Daar
worden de uiteindes afgeknipt en heb je een
collageen molecuul. Een collageenvezel wordt
opgebouwd uit collageen fibrillen die weer uit
meerdere collageen moleculen bestaan.
MMPs kunnen bijvoorbeeld collageen weer afbreken om een
nieuwe structuur van de ECM te creëren. Maar ook andere
enzymen spelen een rol bij hervorming van het ECM en bij
degradatie.
Het aantal crosslinks bij collageen is belangrijk voor haar
mechanische eigenschappen. Je hebt ook weer verschillende
klassen collageen.
Herstel van een wond in de huid heeft ook bepaalde fases (zie afbeelding). We
gaan nu deze fases doorheen:
Early  hemostase en inflammatie:
Verstroing van de barriere functie van de epidermis en onderliggende dermis
zorgt voor bloeding, hemostase (agreggatie van bloedplaatjes, thrombus vorming, fibronectine (crosslinked fibrine) collageen etc.) en acute inflammatie (PMNs, macrofagen etc.).
Early-mid  begin van re-epithelialisatie, granulatie:
De re-epithelialisatie van de epidermis begint. In de dermis begint de granulatie weefsel vorming
(mirgratie en proliferatie van fibroblasten, myofibroblasten, endothelium-angiogenese) en synthese van
collageen type III.
Mid-late  matruatie van het ECM, laatste reparatie fase:
De epidermis begint met proliferatie, differentiatie en migratie van keratinocyten en begint met
reparatie van het basaal membraan en barriere functie. De
dermis begint met proliferatie van fibroblasten,
myofibroblasten (voor contractie) en capillairen. Collageen
type III wordt collageen type I  slap collageen wordt sterk
collageen en isotroop wordt anisotroop.
Late  regeneratie en hervorming:
De epidermis is nog steeds aan het prolifereren en het
epithelium wordt geleidelijk aan dikker. De dermis stopt met
prolifereren, stopt met contractie en stopt met angiogenese.
Collageen is voornamelijk type I en zorgt voor hervorming van
het weefsel.
Mechanisme eigenschappen van een herstellende wond is voornamelijk
afhankelijk van de collageen liggen en structuur. Regeneratieve therapie is
dan ook moeilijk wat de orientatie is heel erg belangrijk niet alleen de
cellen in het weefsel. Te veel ECM zorgt weer voor littekenweefsel vorming.
Dus even samengevat:
Je hebt inflammatie (acute vs chronische inflammatie), waarbij PMNs (polymorfonuclear neutrofile
granulocyten), macrofagen, plasmacellen en lymfocyten een rol spelen in het tegen gaan. Vervolgens
heb je contractie van de wond door myofirbroblasten. Dan heb je nog het repareren van het weefsel 
ECM synthese en hervorming leidt tot een granulatie weefsel, ook worden er nieuwe bloedvaten
aangelegd. Hervorming gebeurt door minder cellen te hebben in het weefsel en het toenemen van ECM
(niet te veel want dan krijg je littekenweefsel) en door het hervorming van collageen (type III wordt
bijvoorbeeld type 1).
Monocyten en/of macrofagen zorgen voor fagocytose, plasma cellen produceren antilicahmen,
lymfocyten zorgen voor immuun respons en eosinofiele granulocyten zorgen voor de allergische
respons. Myofibrobalsten blijven altijd aanwezig en actief en zorgen voor constante wond contractie.
Het bouwen van eigenweefsels:
TEHVs (tissue engineered vascular grafts) zijn er in
verschillende soorten. Je hebt mechanische kleppen, deze
hebben een goede duurzaamheid maar kunnen voor
stollingseffecten zorgen. Bio-prothetische kleppen zorgen
voor geen stollingseffecten maar hebben weer een
slechte duurzaamheid. Men ging dus opzoek om
lichaamseigen hartkleppen te maken. Hierbij moest de
oriëntatie van collageen vezels perfect zijn en moest het weefsel flexibel zijn.
Cellen zijn georiënteerd in een matrix en hebben een
actine stressvezel organisatie. De matrix rondom de cellen
is georganiseerd met collageen vezels en wordt hervormd
door degradatie en synthese van collageen vezels.
Mechanische factoren hebben een grote invloed op deze
processen. Men begon dan ook met het kweken van
cellen op kleine ‘torentjes’ waar ECM op de top zat, deze
torentjes worden mPADs genoemd. De mechanische
toestand van weefsels is soms moeilijk te bepalen omdat
er complexe interacties zijn tussen de
mechanische toestand en het
hervormingsproces. Het is dan ook echt
veel ‘uitproberen’ en hopen dat je
weefsel de goede mechanische
eigenschappen heeft.
In Berlijn hebben ze zo’n klep in gebracht
bij een patiënt en na één jaar
functioneert hij nog steeds perfect!
Een vat moet ook kunnen groeien en
aanpassen aan zijn omgeving. Hiervoor moet
de homeostatische toestand van hartkleppen
door het hele leven heen ‘geschat’ worden.
Hij moet eigenlijk zorgen dat de stress op het
hart bijna niet verandert met toename in
leeftijd, maar dat de stress ook gelijk blijft
voor AV en PV.
Samengevat moet je dus weten hoe je een
ontworpen systeem kan verbeteren, het
hervormingsproces moet je snappen van het
weefsel wat je wilt gaan maken, maar ook
haar mechanische homeostase.