fyziologie buněčných systémů A. Kozubík Biofyzikální ústav AVČR, v.v.i., (Oddělení cytokinetiky) Ústav experimentální biologie, PřF MU (Oddělení fyziologie a imunologie živočichů) Brno
Zpětné vazby
Zpětné vazby Pozitivní zp. vazba
Pozitivní zpětná vazba
Polyklonální charakter kostních buněk - Přirovnání kmenové buňky ke stromu: a kmenová buňka v embryonální podobě b kmenová buňka v dospělosti a b b
Attractor cílový pohyb
Spolupůsobení regulátorů růstu na diferenciaci
Spolupůsobení regulátorů růstu rozdílné chemické povahy na proliferaci
early 1. 2. Děje v buněčné diferenciaci growth factors receptor 9. 10. later cell 3. kinases/2nd messengers 11. nucleus 4. regulators genes 12. 16. replitase 5. hnrna 13. S G2 6. 7. mrna proteins 14. 15. (enzymes) 17. M 8. amino acids 18. cytokinesis
Efekty inhibitorů metabolismu AA význam rovnováhy v přísunu prekursorových PUFAs a v produkci jednotlivých jejich metabolitů
Signal transmission systems R R G G AC PLC PKC PLA2 ATP camp PI IP3 DAG arachidonic acid (AA) R receptor prostaglandins (PG) G G-protein leukotrienes
positive effect on cell proliferation an example Ca 2+ Ca 2+ EGF Ca 2+ EGF AA 5HETE LTA4 LTC4 DAG PIP2 Tyr-K PLA2 5-LOX PKC PLC Ca 2+ Tyr-K + Nuclear responses
Negative effect on cell proliferation an example Phorbol esters CSF-1 GM - CSF IL- 3 PGE 2 PKC GM - CSF R adenylyl cyclase PKC CSF-1R (c- fms) IL- 3R camp tyr-p EFFECTOR e.g. G protein, kinase RESPONSE +? - PKA DNA synthesis cell cycle phases G0 G1 S
Negativní účinek PGE2 na proliferaci k. buněk IL- 3 Phorbol esters CSF-1 GM - CSF + Indomethacin PGE 2 PKC GM - CSF R adenylyl cyclase PKC CSF-1R (c- fms) IL- 3R camp tyr-p EFFEKTOR e.g. G protein, kinase - PKA ODPOVĚĎ +? DNA syntéza Fáze buněčného cyklu G0 G1 S
Zpětné vazby Negativní zp. Vazba na systémové úrovni (tkáně a organismus)
Fosfolipidový metabolismus a působení ioniz. radiace (škodlivých faktorů životního prostředí)
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS PLA 2 COOH CYCLOOXYGENASES EPOXYGENASES (P450) LIPOXYGENASES PGG 2 LTA 4 PGH 2 EPOXYACIDS, DIOLS, etc. OH LTB 4 LTC 4 TXA 2 PGI 2 PGD 2 PGE 2 TXB 2 O PGE 2 : COOH C 5 H 11 LTC 4 : S COOH CH 2 CH CO NH CH 2 COOH NH COCH 2 CH 2 CHCOOH NH 2 LTD 4 LTE 4 LTF 4 OH OH
Arachidonic acid: metabolic pathways possible modulations and its INDOMETHACIN DICLOPHENAC MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS ARACHIDONIC ACID ETYA abbreviations: ETYA = 5,8,11,14 -eicosatetraynoic acid ESC = esculetin NDGA = nordihydroguaiaretic acid FLAP = 5-lipoxygenase activating protein 9- HE = 9-hydroxyellipticin HETEs = hydroxyeicosatetraenoic acids HPETEs = hydroperoxyeicosatetraenoic acids EETs = epoxyeicosatrienoic acids SKF525A = proadifen CYCLOOXYGENASES 12-LIPOXYGENASE 12-HETEs 12-HPETEs SKF525A, 9-HE NDGA ESC PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS P450-MONOOXYGENASES FLAP 5-LIPOXYGENASE LEUKOTRIENES EETs HETEs DIOLS MK - 886 (15-LIPOXYGENASE) dříve - dnes
MEMBRANE PHOSPHOLIPIDS? ARACHIDONIC ACID? CYCLOOXYGENASES P450 12 - LIPOXYGENASE 12 HPETs 12 HETEs? ESC PROSTAGLANDINS THROMBOXANES PROSTACYCLINS EETs HETEs diols 5 - LIPOXYGENASE LEUKOTRIENES FLAP MK-886 (15 - LIPOXYGENASE)
% kontroly % kontroly % kontroly % kontroly PRODUKTY LIPOXYGENÁZ A CYKLOOXYGENÁZ VORE et al., J. Immunol. : 11, 435-442, 1989 Esculetin Indomethacin 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70-90 1 3 10 30 100 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70-90 0,3 1 3 10 30 koncentrace (mm) koncentrace (mm) Ibuprofen NDGA 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70-90 1 3 10 30 100 90 70 50 30 10-10 -30-50 -70-90 0,3 1 3 10 30 koncentrace (mm) koncentrace (mm)
některá OBECNÁ VÝCHODISKA, DŮLEŽITÁ PRO POSTIŽENÍ CHOVÁNÍ A SMĚROVÁNÍ BUNĚČNÝCH POPULACÍ, Z NICHŽ LZE VYCHÁZET, MOHOU BÝT TATO: - Zachování rovnováhy v nejširším slova smyslu mezi produkcí buněk (intenzitou proliferace) a jejich úbytkem (např. smrtí apoptózou) je podmínkou pro zachování homeostázy na tkáňové úrovni. - Proto změny v intenzitě proliferace, diferenciace a apoptózy po působení jakýchkoli podnětů, jež mohou tyto procesy ovlivnit, lze chápat jako integrální ukazatele porušení této homeostázy. - Vhodný způsob detekce těch změn, které vedou k trvalejšímu porušení rovnováhy mezi produkcí a úbytkem buněk může celkově odrážet nejen poruchy, které jsou základem tzv. proliferativních chorob (nádorových onemocnění), ale být i ukazatelem procesů vedoucích k obnově porušené rovnováhy. - Parametry, jimiž lze postihnout tyto tendence, by proto měly být předmětem zájmu nejen teoreticky orientovaných pracovníků, ale i laboratoří zabývajících se účinky škodlivých látek vnějšího prostředí, šlechtitelských a zejména klinicky orientovaných laboratoří.
Aplikace NDGA terapeutickém režimu a její dávkově závislé účinky na regeneraci ESC a GM-CFC
Periferní krev Efekty dalších inhibitorů Kostní dřeň
Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA v protektivním režimu
Dílčí shrnutí (MOŽNÉ MECHANISMY) Radiorezistence kmenových a prekurzorových buněk není oblivněna!!! Efekty inhibitorů mohou být tedy způsobeny zásahy do biosyntézy eikosanoidů a jejich regulačními účinky na krvetvorbu
Příklad aplikace inhibitorů metabolismu AA v terapeutickém režimu
Inhibitory cyklooxygenáz stimulují (+) a lipoxygenáz inhibují (-) granulopoézu i lymfopoézu
Major eicosanoid biosynthetic pathways. The metabolites of the major pathways are indicated in color: COX (purple), 5-LOX (orange), 15-LOX (green), 12 HETE yellow), 12-LOX CYP epoxygenase (red), CYP ω-hydroxylase (cyan), and nonenzymatic oxidation (gray) J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015 1038..
Temporal genomic and lipidomic changes in eicosanoid biosynthesis in RAW264.7 macrophages in response to Kdo 2 -Lipid A stimulation. Greater intensity of red indicates increasing levels, greater intensity of green indicates decreasing levels, and gray represents J Lipid Res. 2009 June; 50(6): 1015 1038.
ESC No. 100 80 60 40 control indomethacin cystamine Indomethacin + cystamine 20 10 8 6 4 2 1 Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990 6 6.5 7 7.5 8 dose (6.5Gy)
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 control indomethacin cystamine Indomethan + cystamine Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990 0 0 5 10 15 20 25 30 days after dose irradiation (6.5 Gy) 6.5 Gy
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990 40 30 20 control indomethacin cystamine Indomethacin + cystamine 0 5 10 15 20 25 30 days after irradiation 6.5 Gy
leukocyty / ml x 10 3 Dosažení dynamické rovnováhy v systému po podnětech rozdílné intenzity 100 80 60 40 20 kontroly indomethacin cystamin indomethacin + cystamin 5 4,5 4 3,5 3 ESC No. 10 8 6 2,5 2 4 2 1,5 1 0,5 kontroly indomethacin cystamin indomethan + cystamin 1 6 6.5 7 7.5 8 Dny po ozáření 6,5 Gy dose (Gy) Vlastní výsledky Posílení inhibitorů COX Kozubík A., Pospíšil M., Netíková J.: Folia biologica (Prague) 36, 291, 1990 150 140 130 0 0 5 10 15 20 25 30 Dny po ozáření 6,5 Gy Zátěž nižší intenzity Kontrola 120 110 100 Cystamin Hmotnost slezity (mg) 90 80 Indomethacin Cystamin + Indomethacin 70 60 50 40 30 20 kontroly indomethacin cystamin indomethacin + cystamin Silně poškozený systém Kombinovaná léčba 0 5 10 15 20 25 30 Dny po ozáření 6,5 Gy 34
Zpětné vazby Negativní zp. vazba (obecnější východiska)
36
37
Negativní zpětná vazba + - Žádaná hodnota Akční veličina!!! Výstup systému Regulační odchylka Reakce na vychýlení Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avicenum, 1980)
Zpětná vazba negativní: Působení na vyšších úrovních organizace systémů
HDP představuje veškerou finální produkci v peněžních jednotkách (celkový objem výrobků a služeb) za určité období (zpravidla 1 rok) národními výrobními faktory dané země, bez ohledu na to, ve kterém státě působí. Je odrazem sumy vnějších a vnitřních faktorů schopných ovlivnit ekonomiku Nevypovídá nic o kvalitě života, finální produkce - taková produkce, která je vyrobena a prodána, aby byla spotřebována domáctnostmi, státem, použita jako investice nebo vyvezena jako export
Nominální mzda SŠ profesora 13528,- Kč 13528,-Kč (3,4x) 6764 3990,- Kč 1989 90 91 92 93 94 95 96 97 ROK
mzda v % Vývoj reálných mezd (relace k roku 1989) 120 110 100 90 80 3990,-Kč 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 13528,-Kč 8 3,6 6 5,9 4 4,2 3,9 2 2,2 2,5 1,9 1,2 0,3 0-0,5 0,1-0,7-1,1-2 -4-6 -8-10 -12-11,6 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 6,3 6,8 6 4,5 3,2 0,8-2,3 2004 2005 2006 2007 2008 * 2009 * 2010 70 60 hrubá mzda čistá mzda
Výsledky voleb do senátu ČR 2006-2012 (%) 50 40 30 20 41 35 25 15 10 0 2006 2008 2010 2012 50 40 30 20 12 29 41 46 10 0 2006 2008 2010 2012 LN 22.10.2012
Vývoj HDP meziročně v % - reálné oscilace Změna HDP v % 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12 5,9 6,3 6,8 6 4,2 4,5 3,9 3,6 3,2 2,2 2,5 1,9 1,2 0,3-0,5 0,1 0,8-0,7-1,1-2,3-11,6 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 * 2009 * 2010 * predikce dle MFČR
Vývoj inflace meziročně v % Inflace v % 60 50 52 40 30 20 17,5 18,2 10 0 1990 1991 12,7 1992 1993 10,2 7,9 8,6 1994 1995 1996 10 1997 6,8 1998 2,5 1999 2000 4 4,1 2001 0,6 1 2002 2003 2,8 2,2 1,7 2004 2005 2006 5,4 3,6 2007 2008
Vývoj inflace meziročně v %
Vývoj HDP meziročně v %
Porušení funkcí negativní zpětné vazby (důsledky,. obecnější platnost.!!!)
Důsledky převahy pozitivní zpětné vazby
Fakta - dynamika a některé příčiny zadlužování 50 Deficity 0 Krachy bank Masivní příjmy z privatizací 1,1 1,1 1,1-1,6 KRIZE?? Státní rozpočet (v mld. Kč) -50-100 -29,6-87,7 povodně -109-97,6-19,4-105 -150-200 1993 1994 1995 1996 sanace bank cca 400-800 mld Kč??? Plýtvání 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 rok 2006 2007 2008-175 2009-156 2010-135?? 2011 2012
Očekávané tendence 2009/2013 20 10 Kritické období nároky % 0 Propad HDP???? -10 Stres Propad možností?? Propad možností?? -20 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Příklad extrémně regulačně nevyváženého vnitřně rozporného systému (očekávánému zachování růstu Neodpovídají prostředky a zdroje)
Vyváženost tendencí 53
Tendence k nestabilitě 55
56
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Avic
Hledání OPTIMA
Vácha, J.: Problém normálnosti v biologii a lékařství (Av
% hynutí po ozáření nevyvážená regulace tendence k retenci Na tendence ke ztrátám Na 100 vyvážená regulace (biol. optimum) 50 Na / K poměr v moči According to: Pospíšil 1977?
2 3 3 1 1 1,1 - celkové náklady potřebné k navození změny stavu (reakce) 3,3 - celkové náklady potřebné k utlumení (reakce)