Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

ΜΑΘΗΜΑ ΕΤΥ-494 «ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ» Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Κρήτης.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "ΜΑΘΗΜΑ ΕΤΥ-494 «ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ» Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Κρήτης."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΜΑΘΗΜΑ ΕΤΥ-494 «ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ» Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Κρήτης Δρ. Γεώργιος Βλαστός ( Ιστοσελίδα Μαθήματος : Κυτταρική Ενεργοποίηση στη Μικροκυκλοφορία

2 1. Προβληματισμοί για τις δυνατότητες που ανοίγονται στον κλάδο της Βιοϊατρικής Μηχανικής  Ποιές είναι οι πραγματικές αιτίες και οι μηχανισμοί που προκαλούν τις ασθένειες ;  Διαφαίνεται στον αιώνα που διανύουμε η δυνατότητα να προχωρήσουμε σε μιά λεπτομερή ανάλυση της ανεπάρκειας των ανθρώπινων ιστών με μαθηματική ακρίβεια.  Μια τέτοιου είδους ανάλυση πρέπει να είναι σε θέση να προβλέπει με ποσοτικό τρόπο την σταδιακή εξέλιξη των γεγονότων που αρχίζουν με μια πρώϊμη δυσλειτουργία των οργάνων, τα οποία αργότερα παρουσιάζουν καταστροφική ανεπάρκεια που οδηγεί θανατηφόρα περιστατικά, όπως π. χ. εγκεφαλικά και καρδιακά επεισόδια.  Αυτή η ανάλυση δεν υπάρχει ακόμα σε ολοκληρωμένη μορφή σήμερα.  Μια τέτοια ανάλυση θα βοηθούσε να μειώσουμε τους κινδύνους και τις επιπλοκές των ασθενειών, αλλά το κυριότερο, θα μας έδινε καινούργιες ιδέες πως να θεραπεύσουμε τις διάφορες ασθένειες.  Σήμερα η παρ ’ όλο ότι η περιγραφή των ασθενειών στην ιατρική βιβλιογραφία είναι πολύ πλούσια, λόγω της ανάπτυξης μοντέρνων τεχνικών απεικόνισης, γενετικής, κυτταρικού μεταβολισμού, κ. λ. π. δεν θα είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε ένα ιατρικό πρόβλημα στο σύνολό του αν δεν προχωρήσουμε σε μια ανάλυση που θα ρυθμίζει με λεπτομέρεια όλες τις παραμέτρους του προβλήματος, δηλαδή σε μια εμβιομηχανικού τύπου ανάλυση (bioengineering analysis).  Μπορούμε να επεξεργαστούμε μια ενοποιημένη ποσοτική θεωρία για να εξηγήσουμε και να προβλέψουμε την ανεπάρκεια των ζωντανών ιστών ; 2

3 2. Προβληματισμοί για τις δυνατότητες που ανοίγονται στον κλάδο της Βιοϊατρικής Μηχανικής  Μια τέτοια προσπάθεια θα απαιτήσει την ανάπτυξη μοντέλων που θα απαιτήσουν χρόνο για τη δοκιμή τους ώστε να αποδειχθεί η πληρότητά τους.  Για να γίνει αυτό, χρειαζόμαστε πειραματικές παρατηρήσεις και μετρήσεις ζωντανών κυττάρων και ιστών για να ξεκινήσουμε την ανάλυση.  Οι καρδιοαγγειακές παθήσεις, τα εγκεφαλικά επεισόδια και η σηψαιμία αντιστοιχούν σε περίπου 50% των ανθρώπινων θανάτων  Παρ ’ όλες τις επιφανειακές διαφορές τους, κοινό στοιχείο σε όλες τις παραπάνω διαταραχές είναι η μειωμένη ή και πλήρης ανεπάρκεια της μικροκυκλοφορίας (microcirculation).  Η μικροκυκλοφορία αντιπροσωπεύει το τμήμα εκείνο του κυκλοφορικού συστήματος που αποτελείται από δισεκατομμύρια τριχοειδή αγγεία που δουλειά τους είναι να εφοδιάζουν με θρεπτικά συστατικά τα κύτταρα των ιστών και να απομακρύνουν τα μεταβολικά προϊόντα των κυττάρων.  Στην σημερινή διάλεξη θα ασχοληθούμε με την αιματική ροή στα μικροσκοπικά αγγεία και θα αναζητήσουμε απαντήσεις στο ερώτημα, ποιοί μηχανισμοί είναι υπεύθυνοι για την ανεπάρκεια των οργάνων στις παραπάνω ασθένειες που αναφέραμε.  Π. χ. αν σ ’ ένα αιματικό αγγείο σταματά η ροή του αίματος, τότε πρέπει να αναζητήσουμε το γιατί συμβαίνει αυτό. 3

4 Περιγραφή της μικροκυκλοφορίας : Εμπλεκόμενοι τύποι κυττάρων  Όλα τα όργανα διαθέτουν μικροκυκλοφορικό σύστημα.  Διακοπή της αιματικής ροής σε μικροκυκλοφορικό επίπεδο, οδηγεί σε γρήγορο κυτταρικό θάνατο.  Ήδη έχουν προσδιοριστεί όλα τα κύρια είδη κυττάρων που εμπλέκονται στην μικροκυκλοφορία. Αυτά είναι τα :  Ερυθρά αιμοσφαίρια (red blood cells or erythrocytes)  Λευκά αιμοσφαίρια (white blood cells or leukocytes)  Αιμοπετάλια (platelets or thrombocytes)  Ενδοθηλιακά κύτταρα (endothelial cells)  Κύτταρα του λείου μυϊκού ιστού (smooth muscle cells)  Τα ερυθρά αιμοσφαίρια μεταφέρουν αιμογλομπίνη κάτι που χρησιμεύει στην μεταφορά οξυγόνου, νιτρικού οξέως και άλλων αερίων.  Τα αιμοπετάλια χρησιμεύουν για τη ρύθμιση της αιμοραγίας των αγγείων σε περίπτωση που το τοίχωμα του αγγείου έχει υποστεί βλάβη. 4 1 m1 m Ανθρώπινο ερυθρό αιμοσφαίριο Ανθρώπινο λευκό αιμοσφαίριο Φωτογραφία ενός ερυθρού και ενός λευκού αιμοσφαιρίου Τα παραπάνω κύτταρα εχουν φιξαριστεί και αφυδατωθεί για να φωτογραφηθούν με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Τα κύτταρα έχουν συρρικνωθεί σε όγκο κατά 30-40% αλλά έχουν διατηρήσει το σχήμα τους. Όπως φαίνεται από τη φωτογραφία τα λευκά αιμοσφαίρια διαθέτουν αρκετές πτυχές στην μεμβράνη τους ενώ τα ερυθρά όχι.

5 Τύποι λευκών αιμοσφαιρίων Φωτογραφία ανθρώπινων αιμοπεταλίων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Τα αιμοπετάλια είναι πολύ μικρότερα σε μέγεθος από τα ερυθρά και τα λευκά αιμοσφαίρια  Υπάρχουν 5 τύποι λευκών αιμοσφαιρίων τα οποία παράγονται στο νωτιαίο μυελό :  Τα Β και Τ λυμφοκύτταρα (lymphocytes) τα οποία παράγουν αντισώματα που σκοτώνουν κύτταρα τους όγκους  Τα ουδετερόφιλα (neutrophils)  Τα μονοκύτταρα (monocytes)  Τα εοσινόφιλα (eosinophils)  Τα βασόφιλα (basophils)  Τα παραπάνω κυκλοφορούντα κύτταρα είναι διαλυμένα στο πλάσμα το οποίο είναι ένα υδατικό διάλυμα αποτελούμενο από νερό, άλατα, πρωτεΐνες, λιπίδια και σάκχαρα, σε σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις. 5

6 Φωτογραφία ενδοθηλιακού κυττάρου γύρω από αιματικό αγγείο Endothelial cell surrounding blood vessel 6 Doug Bray, The University of Lethbridge, Canada Brian Oates and Cyprien Lomas, The University of British Columbia Το ενδοθήλιο καλύπτει την εξωτερική επιφάνεια του τοιχώματος των αγγείων. Το ενδοθήλιο αναφέρεται και σαν «container» του αίματος. Το ενδοθήλιο αποτελείται από κύτταρα που αποτρέπουν τη θρόμβωση του αίματος, συγκρατούν το πλάσμα και τα μόριά του μέσα στα αγγεία. Τα ενδοθηλιακά κύτταρα: • Επιτρέπουν κάποια μικρή διαρροή υγρού από τα αγγεία στον ιστό. • Επιτρέπουν σε κυκλοφορούντα κύτταρα να προσκολλούνται στην μεμβράνη τους. • Διευκολύνουν τα λευκά αιμοσφαίρια να σέρνονται πάνω και μέσα στον ιστό. • Αισθάνονται την τάση διάτμησης λόγω της ροής του αίματος και προσαρμόζονται σ’ αυτή. Junctions between endothelial cells Budding/fusing transcytotic vesicles Smooth muscle cell

7 Χαρακτηριστικά της κυτταρικής ενεργοποίησης στην μικροκυκλοφορία  Η ροή του αίματος στη μικροκυκλοφορία εξαρτάται από την πίεση που παράγεται από τη συστολή / διαστολή του καρδιακού ιστού.  Τα τριχοειδή αγγεία (capillaries) είναι στενότερα από τις διαστάσεις των ερυθρών και των λευκών αιμοσφαιρίων.  Το υποχρεωτικό πέρασμα των κυκλοφορούντων κυττάρων από τα τριχοειδή αγγεία τα υποχρεώνει να παραμορφώνονται για να περνούν μέσα από τα αγγεία.  Άρα η αντίσταση των αγγείων εξαρτάται από την παραμορφωσιμότητα των αιματικών κυτττάρων και του ενδοθηλίου.  Τα ερυθρά αιμοσφαίρια διαθέτουν κυτταρόπλασμα χαμηλού ιξώδους, είναι πολύ παραμορφώσιμα λόγω της ευέλικτης μεμβράνης τους, αλλά αντιστέκονται σε αύξηση της επιφάνειάς τους.  Τα λευκά και ενδοθηλιακά κύτταρα διαθέτουν πυρήνα και κυτταρόπλασμα που αποτελείται από ένα δίχτυ ινών ακτίνης.  Το κυτταρόπλασμα έχει ιξωδοελαστικές ιδιότητες.  Τα λευκά αιμοσφαίρια είναι πιο άκαμπτα και έχουν μεγαλύτερο όγκο από τα ερυθρά αιμοσφαίρια. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση που προκαλείται στα αγγεία από ένα λευκό αιμοσφαίριο είναι μεγαλύτερη από αυτή ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου. 7

8 Ενεργοποίηση λευκών αιμοσφαιρίων  Στο υγιές ενδοθήλιο η πλειοψηφία των ενδοθηλιακών και λευκών κυττάρων επιδεικνύουν χαμηλά επίπεδα ενεργοποίησης.  Η ενεργοποίηση μπορεί να αναγνωριστεί με τη δημιουργία ψευδοπόδιων ( βλ. φωτογραφία, πάνω δεξιά ) που είναι μια παραμόρφωση του κυτταροπλάσματος λόγω πολυμερισμού της ακτίνης.  Τα ψευδοπόδια είναι κινούμενες κυτταροπλασμικές περιοχές αλλά πιο άκαμπτες από τις υπόλοιπες περιοχές του κυτταροπλάματος. 8 Παθητικό λευκό αιμοσφαίριο Ενεργοποιημένο λευκό αιμοσφαίριο

9 Ενεργοποίηση ενδοθηλιακών κυττάρων μετά από τραύμα ή μόλυνση Endothelial Cells

10 Endothelial Injury or Infection (LPS) Ενεργοποίηση ενδοθηλιακών κυττάρων μετά από τραύμα ή μόλυνση

11 Endothelial Cells Endothelial Injury or Infection (LPS) Cell Adhesion Receptors VCAM, ICAM, E-Selectin Ενεργοποίηση ενδοθηλιακών κυττάρων μετά από τραύμα ή μόλυνση

12 Endothelial Cells Endothelial Injury or Infection (LPS) Cell Adhesion Receptors VCAM, ICAM, E-Selectin Leukocyte recruitment Ενεργοποίηση ενδοθηλιακών κυττάρων μετά από τραύμα ή μόλυνση

13 Endothelial Injury or Infection (LPS) Endothelial Cells Cell Adhesion Receptors VCAM, ICAM, E-Selectin Leukocyte recruitment Ενεργοποίηση ενδοθηλιακών κυττάρων μετά από τραύμα ή μόλυνση

14 Endothelial Cells Endothelial Injury or Infection (LPS) Cell Adhesion Receptors VCAM, ICAM, E-Selectin Leukocyte recruitment Ενεργοποίηση ενδοθηλιακών κυττάρων μετά από τραύμα ή μόλυνση

15 Endothelial Injury or Infection (LPS) Endothelial Cells Cell Adhesion Receptors VCAM, ICAM, E-Selectin Leukocyte recruitment Ενεργοποίηση ενδοθηλιακών κυττάρων μετά από τραύμα ή μόλυνση

16 19.2 Κυλιόμενα λευκά αιμοσφαίρια Leukocytes are white blood cells that help fight infection. At sites of injury, infection, or inflammation, cytokines are released and stimulate endothelial cells that line adjacent blood vessels. The endothelial cells then express surface proteins, called selectins. Selectins bind to carbohydrates displayed on the membrane of the leukocytes, causing them to stick to the walls of the blood vessels. This binding interaction is of sufficiently low affinity that the leukocytes can literally roll along the vessel walls in search for points to exit the vessel. There, they adhere tightly, and squeeze between endothelial cells—without disrupting the vessel walls—then crawl out of the blood vessel into the adjacent connective tissue. Here, leukocyte rolling is observed directly in an anaesthetized mouse. The up and down movement of the frame is due to the mouse’s breathing. Two blood vessels are shown: the upper one is an artery—with blood flowing from right to left. The lower one is a vein—with blood flowing from left to right. Leukocytes only adhere to the surface of veins; they do not crawl out of arteries. Some leukocytes are firmly attached and are in the process of crawling through the vessel walls, whereas others have already left the vessel and are seen in the surrounding connective tissue. When the blood flow is stopped temporarily by gently clamping the vessels, we can appreciate how densely both vessels are filled with red blood cells. Red blood cells do not interact with the vessel walls and move so fast under normal flow that we cannot see them. When the blood flow is restored, some of the leukocytes continue rolling, whereas all noninteracting cells are immediately washed away by the shear. Marko Salmi and Sami Tohka MediCity Research Laboratory, University of Turku, Finland. 16

17 Η διατμητική τάση του αίματος παίζει σημαντικό ρόλο στην στρατολόγηση, την κύλιση και την μετανάστευση λευκοκυττάρων στον φλεγμονώδη ιστό Fig. 1. Schematic representation of the steps by which leukocytes, such as neutrophils, are recruited from blood into inflammed tissue, and the local physicochemical environmental factors which condition the contribution of ECs to this process. Leukocytes become marginated by the central blood stream (1) and are captured and form unstable rolling attachments (2) using selectin receptors expressed on the surface of the ECs. Activating message(s) from agents such as chemokines presented on the ECs cause the leukocytes to become immobilised (3) through their activated integrin receptors, and then to spread on the surface (4) and migrate first over and then through the endothelial monolayer (5) via co- ordinated regulation of integrin adhesion and cytoskeletal rearrangements. Stromal cells such as tissue-resident monocyte/macrophages release inflammatory mediators and cytokines which induce the endothelial presentation of selectins and chemokines. Other cells such as smooth muscle cells or fibroblasts may add to the cytokine milieu and condition the responses of ECs. Shear stress applied to ECs by the flowing blood can modify their expression of genes and their responses to pro-inflammatory cytokines. 17 Nash et al., FEBS Letters, 2004

18 Ένα κατώφλι της διατμητικής τάσης ροής ευνοεί και ρυθμίζει την προσκόλληση των λευκοκυττάρων Προσκόλληση λευκοκυττάρων σε επιοφάνεια μολυσμένη με L-selectin 18 Αλλαγές στην κύλιση λευκοκυττάρων λόγω ροής Lawrence et al., J. Cell. Biol., 1997

19 15.2 Χεμόταξη ουδετερόφιλων κυττάρων These human neutrophils, taken from the blood of a graduate student, are mobile cells that will quickly migrate to sites of injury to help fight infection. They are attracted there by chemical signals that are released by other cells of the immune system or by invading microbes. In this experiment tiny amounts of chemoattractant are released from a micropipette. When neutrophils sense these compounds they polarize and move towards the source. When the source of the chemoattractant is moved, the neutrophil immediately sends out a new protrusion, and its cell body reorients towards the new location. Henry Bourne and John Sedat University of California at San Francisco Orion Weiner Harvard Medical School 19

20 15.3 Καταδίωξη ουδετερόφιλων κυττάρων Neutrophils are white blood cells that hunt and kill bacteria. In this spread a neutrophil is seen in the midst of red blood cells. A Staphylococcus aureus bacterium has been added. The bacterium releases a chemoattractant that is sensed by the neutrophil. The neutrophil becomes polarized, and starts chasing the bacterium which, powered by its flagella, swims in a random path, seemingly avoiding its predator. Eventually, the neutrophil catches up with the bacterium and engulfs it by phagocytosis. David Roger Vanderbilt University 20

21 22.1 Θεραπεία τραύματος Fibroblasts grown in vitro in a culture dish form a confluent monolayer of cells. Cells in a monolayer are relatively static; contacting each other inhibits their migration. Such cell layers can be wounded experimentally by scratching them with a needle. In such an experiment, we can observe that the fibroblasts at the edge of the wound become migratory and quickly move to repair the gap. Such cell migration is important for wound repair in an intact organism. Sheryl Denker and Diane Barber University of California at San Francisco 21

22 24.4 Homing λυμφοκυττάρων To visualize lymphocyte homing to a site of injury, a zebrafish larva was anaesthetized and its fin pierced with a needle to introduce a small wound. A vein is seen at the bottom of the frame. Because the fin is very thin and transparent, we can watch directly as lymphocytes crawl out of the blood vessel and migrate towards the wound. They are attracted there by chemicals released from damaged cells, invading bacteria, and other lymphocytes. In a zoomed out view we can appreciate that lymphocyte invasion is restricted to the wounded area. The static cells that are dispersed in the connective tissue are fibroblasts. In these movies, 60 minutes of real time are compressed into 15 seconds. Michael Redd and Paul Martin University College London 22

23 24.5 T- κύτταρα δολοφόνοι Cytotoxic lymphocytes, also called killer T-cells, bind tightly to their target cells and then release toxic compounds by exocytosis into the cleft between the two cells. Here, a killer T-cell has attached to a fibroblast and proceeds to attack it. The fibroblast quickly retracts and rounds up. The movie is too short to tell whether it has actually been killed or will recover. James Bear and Frank B. Gertler Massachusetts Institute of Technology 23

24 Μηχανισμοί κυτταρικής ενεργοποίησης : 4 συμπεράσματα  Μέσω της απ ’ ευθείας ενεργοποίησης των λευκών αιμοσφαιρίων με συγκεκριμένα μόρια π. χ. Ενδοτοξίνες.  Μέσω μεσολαβητών in vivo όπως οι γλυκοκορτικοειδείς υποδοχείς. Η ελάττωση αυτών των υποδοχέων οδηγεί σε κυτταρική ενεργοποίηση.  Μέσω μορίων προσκόλλησης όπως οι ιντεγκρίνες που δεν παίζουν ρόλο μόνο στην προκόλληση της κυτταρικής μεμβράνης, αλλά λειτουργούν και σαν μόρια μετάδοσης από την μεμβράνη στο κυτταρόπλασμα.  Μέσω της τάσης διάτμησης που ελέγχει το βαθμό ενεργοποίησης των καρδιοαγγειακών κυττάρων. Αυτό συνιστά ένα αναπάντεχο μηχανισμό κυτταρικής ενεργοποίησης. 24

25 Υπολογισμός της αγγειακής αντίστασης και του ιξώδους του αίματος στην μικροκυκλοφορία 25 Jain, Cancer Res., 1988

26 Επίδραση της ταχύτητας διάτμησης (shear rate) στη ρεολογική συμπεριφορά του αίματος στη μικροκυκλοφορία 26 Jain, Cancer Res., 1988

27 Χαμηλότερες τιμές ιξώδους του αίματος σε in vivo από in vitro μετρήσεις 27 Jain, Cancer Res., 1988

28 Τα φαινόμενα Fahraeus και Fahraeus-Lindqvist: Επίδραση της διαμέτρου του σωλήνα 28 Jain, Cancer Res., 1988

29 Τα φαινόμενα Fahraeus και Fahraeus-Lindqvist: Αιματική ροή σε μικρούς σωλήνες 29 Οσο η διάμετρος του σωλήνα μικραίνει (< μm) ο αιματοκρίτης και το ιξώδες έχουν χαμηλότερες τιμές από τις αντίστοιχες σε μεγάλους σωλήνες Jain, Cancer Res., 1988

30 Προφίλ ταχύτητας του αίματος σε μικρούς σωλήνες 30 Jain, Cancer Res., 1988


Κατέβασμα ppt "ΜΑΘΗΜΑ ΕΤΥ-494 «ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ» Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Κρήτης."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google