Block 5 W18

Hepatische Regeneration =

- Regeneration von Hepatozyten

- Regeneration der Portalfeldern (Cholangiozyten, Endothelzellen, BG)

- Regeneration von Kupfer-Zellen und Sternzellen

Regeneratorisches Potential der Hepatozyten findet sich in mehreren Bereichen:

- Hepatozyten (sog. G0-Reservoir = Hepatozyten können durch Initiierung und Terminierung zwischen G0-Phase und Zellzyklus wechseln)

- Stammzellen, sog. oval cells (Zellen am Rand des Portalfeldes mit Eigenschaften von Hepatozyten und Gallengangepithel)

Die (physiologische) Regeneration des Leberläppchens erfordert einen Abbau des defekten, alten Gewebes und eine dynamische Umstrukturierung des Lebergewebes mit biologischen Folgen (sog. Remodeling)

Initiation = Übergang von G0 zu G1 Phase (sog. Priming, ca. 24h)

Aufhebung der Sinusoide (Desinusoidalisierung)

- Nur möglich, solange keine bzw. wenig Matrix, also ein normaler Disse Raum vorhanden ist!

Proliferation der Hepatozyten in autonomen Proliferationseinheiten (sog. Hepatozyten-Cluster von 10 - 12 Zellen)

- Transitorischer Trabekelverlust

---> hohe Mitoserate

- Termination

Die verschiedenen Zellen zeigen unterschiedliche Proliferationszeiten, so dass es zu zeitlich gestaffelten Peaks der Proliferation kommt (alle 24h andere Zellart). Der zeitliche Ablauf wird durch verschiedene (noch weitgehend unbekannte) Mechanismen gesteuert, welche insgesamt als Master-Clock bezeichnet werden.

Resinusoidalisierung (Insinuation) durch Angiogenese (Auswachsen von Endothelzellen)

Wiederherstellung des Disse-Raumes

- Itozell-Regeneration

Wiederherstellung der Trabekelstruktur durch Aufbau von Zell-Zell-Verbindungen (Junctions)

Läppchen-Overshoot

- Normalerweise immer etwas zu starke Proliferation der Läppchen

- Im Anschluss erfolgt ein Remodeling der zu grossen Läppchen, bei dem durch (weitgehend unbekannte Mechanismen) die Grösse angepasst wird (insgesamt als Size Sensor bezeichnet)

Chronische, mit Fibrosierung einhergehende Hepatopathie, bei der die Leberläppchen durch Regenerationsknoten ersetzt werden (abnormales Remoddeling der Leber)

Charakteristika:

- Knotenbildung (fehlende Zentralvene)

- Fibrosierung (keine klare Grenze des Portalfeldes vorhanden)

Wichtigstes diagnostisches Merkmal ist das Fehlen einer Zentralvene innerhalb der Regeneratknoten!

Die eigentliche Ursache der Zirrhose ist eine abnorme Regeneration durch Nekrose und Fibrose (völlig unabhängig vom eigentlich auslösenden Faktor).

Fibrose und Nekrose verhindern den normalen Prozess des hepatischen Remodelings und es kommt zur Bildung von sog. Regeneratknoten (= abnormale Regeneration). Charakteristika dieser Regeneratknoten:

- Kapillarisiertes Gefässsystem

- Fibrosierte Disse-Räume (Typ 1 und 3 Kollagen)

- Abberante Gefässversorgung (keine Zentralvene, arteriovenöse Shunts)

Charakteristika

Ca. 56% der Regeneratknoten sind monoklonal

Ca. 50% der Knoten haben chromosomale Aberrationen und zeigen Frühmutationen (Chromosom 4q, 8p, Xp), gelten aber nicht als Adenom, da diese Mutationen sich von denen des Hepatozellulären Karzinoms klar unterscheiden.

Die Leberzirrhose zeigt allerdings eine progressive genetische Instabilität und ist deshalb ein wichtiger Risikofaktor für Entstehung eines Hepatozellulären Karzinoms

(1) Leberzelldysplasie

- Grosszellige Dysplasie

- Kleinzellige Dysplasie (führt häufiger zum HCC)

(2) Dysplastischer Fokus (= Ansammlung von Zellen)

(3) Dysplastischer Knoten

- Normal breite Trabekel (1 - 2 Zellreihen) (DD)

(4) Hepatozelluläres Karzinom

- Trabekel sind abnormal breit (> 1-2 Zellreihen)

- Trabekelverbreiterung ist Zeichen einer starken Proliferationsstörung und ist mit infiltrativem Wachstum assoziiert

In erstem Schritt kommt es zur lokalen "Zementierung" des Disse-Raums, die reversibel ist (Remodeling ist noch in der Lage die Strukturen im ersten Schritt abzubauen). Diese lokale Schädigung ist noch reversibel. Durch Ausbreitung der Fibrose kommt es allerdings zur Störung des Blutaustausches und zur Schädigung des Leberparenchyms und zu irreversiblen Veränderungen (Remodeling mit initialem Abbau der Strukturen ist nicht mehr möglich)

Sowohl hepatische sinusoidale Endothelzellen, wie auch Kupffer-Makrophagen besitzen eine Vielzahl von Rezeptoren und Molekülen, die eine Filtration verschiedenster Stoffe aus dem Blut erlauben.

Es handelt sich grundsätzlich um PRR:

- Soluble PRR (durch Hepatozyten synthetisiert) = Komplement-Rezeptoren, Pentraxine, LPS-BP

- Membrangebundene PRR = Scavenger R, TLR

- Intrezelluläre PRR = NOD-like-R, RIG-L-R

Insbesondere TLR4 sind in Leber von Bedeutung, da Erkennung von LPS, welches an der Entstehung der Leberfibrose beteiligt sein kann!

Hepatozytäre Apoptose ist ein Phänomen, welches bei allen Lebererkrankungen vorkommt und deshalb von zentraler Bedeutung ist! Die hepatozytäre Apoptose ist wiederum eng mit der hepatischen Fibrinogenese verknpüft (Stimulus für Aktivierung von Stern-Zellen)

Mitochondrielle Apoptose-Pathways von zentraler Bedeutung, insbesondere CHOP-Protein scheint wichtig für Auslösung von Apoptose (Ausschaltung führt zum Ausbleiben der Apoptose)

Cytokeratin-18 ist ein wichtiges Protein innerhalb der Hepatozyten (hohe Konzentrationen) und wird bei der Apoptose durch Caspasen (insbesondere Caspase 3) fragmentiert. Cytokeratin18-Fragmente können im Serum detektiert werden.

Weil jede Lebererkrankung zu unterschiedlich starker Apoptose von Hepatozyten führt, werden je nach Erkrankung unterschiedliche Mengen Cytokeratin 18 Fragment freigesetzt. D.h. je nach Konzentration kann auf Art der hepatischen Erkrankung geschlossen werden!

Apoptose Sternzellen = Anti-Zirrhotische-Wirkung

Apoptose Hepatozyten = Pro-Zirrhotische- Wirkung

Mittels verschiedener Substanzen (bsp. HGF) kann Apoptose in Sternzellen induziert werden. Die Tatsache, dass sich durch Apoptose der Sternzellen, die Fibrose (und damit im Endeffekt das Risiko für eine Zirrhose) verringert wird, könnte evtl. klinisch angewendet werden um eine Zirrhose im Voraus zu verhindern!

Vielzahl von Serummarkern können zur Detektion einer Fibrose gemessen werden:

- AST/ALT-Verhältnis

- Hyaluronsäure

(...)

Transiente Elastographie (sog. Fibroscan) ist eine wichtige, nicht-invasive Methode um eine Leberfibrose klinisch zu erkennen. Dabei wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Impulses gemessen, welche durch Bindegewebe gesteigert wird (BG hat höhere Dichte als Lebergewebe)

Hämodynamische Veränderungen

- Je mehr Bindegewebe innerhalb der Leber, desto grösser der Widerstand

- Hyperdanymischer Darm

Leberfunktion

Veränderung der Lebensumstände:

- Physikalisch-chemische Parameter (pH, Temperatur etc.)

- Nährstoffe, Noxen

- Enzyme in Umgebung

- Oberflächen

- Extra- und Intrazelluläre Habitate

- Mikroorganismen

- Immunabwehr

Bakterienchromosom (ringförmig, Doppelstrang DNS

- Hauptinformationsspeicher

Plasmide (meist ringförmig, Doppelstrang DNS, autonom)

- Virulenz-Plasmide

- Resistenz-Plasmide

- Metabolismus-Plasmide

- Teils entbehrlich, teils Überlebensvorteile

Bakterienphagen (virale DNS/RNS und Proteine, teils Hülle)

- Gentransport-Vehikel

- Häufig Informationsträger von Toxinen

Springende Gene (Jumping-Genes)

- Insertionssequenzen (IS-Elemente) = dsDNS-Segment mit Gen für Transposase, beteiligt an Mutation, Inaktivierung, Regulationsstörungen von Genen

- Transposons (Tn-Elemente) = dsDNS-Segmente bestehend aus einem Gen flankiert von 2 Transposase-Genen, beteiligt an Mutation, Inaktivierung, Regulationsstörungen von Genen

Punktmuation (= Nukleotidaustausch)

- Nonsense Codon (Stopp-Codon)

- Missens Codon (AS-Wechsel)

- Stille Mutation (kein AS-Wechsel)

Deletion (Nukleotidverlust)

- Frame shift

- Nonsense Codon

- Verstümmelung Peptid

Insertion (Nukleotideinlagerung)

- Frame Shiift

- Nonsens Codon

- Verstümmelung Peptid

Inversion (Sequenzumdrehung)

- Viele Effekte

Amplifikation (Sequenzvervielfachung)

- Erhöhte Genexpression (meist)

Wichtigstes Ereignis für Adaptation

Spontan sehr selten (Mutationsrate 10^-6 - 10^-9), durch verschiedene Mechanismen induzierbar (Mutationsrate 10^-3 bis 10^-6)

Unterscheidung zwischen kumulativer Punktumation (bakterielle Makroevolution) und Punktmutation als Einzelereignis (strukturelle oder funktionelle Modifikation im Sinn einer Mikroevolution)

Promotor eines Gens enthält invertierbares Segment, das "Gen" transkribiert für ein bestimmtes Genprodukt und einen Repressor, der das Genprodukt eines anderen Gens unterdrückt.

Wird Selektionsdruck (bsp. durch Wirts-Ak) zu gross, kann es zur Inversion des invertierbaren Segments kommen (strukturelle DNS Veränderung). Das Genprodukt und der Repressor werden nicht mehr produziert, was die Inhibition auf das zuvor unterdrückte Gen aufhebt und dessen Transkription steigert

Bsp. Flgellin-Phasenvariation der Salmonellen

Gewisse Genprodukte sind nur in bestimmten Situationen nützlich, in anderen störend, weshalb es für Bakterien nützlich ist, gezielt Gene zu exprimieren oder nicht zu exprimieren.

Durch ungleiche homologe Rekombination können Bakterien die Expression von Genen regulieren. Dadurch, dass die Gene von springenden Genen flankiert sind, kann bei der Replikation eine gesamte Gensequenz auf die Tochterzelle übertragen werden oder eben nicht übertragen werden.

Je nachdem ob eine Amplifikation eines Gens (Transposon auf Tocherzelle übertragen), eine partielle Deletion (teilweise Übertragung von Transposon von Tocherzelle auf Mutterzelle) oder eine komplette Deletion (komplette Übertragong von Transposons von Tocherzelle auf Mutterzelle) vorliegt wird die Expression gesteigert, vermindert, komplett inhibiert

Bsp. Polysaccharidkapsel des Haemophilus influenza Typ b

Transformation (= Aufnahme und Rekombination von freien DNS-Fragmenten)

- Von lysierten Bakterien

- Durch DNS-Bindungsproteine (zur Aufnahme)

Transduktion (= Aufnahme und Übertragung von DNS durch Bakteriophagen)

Konjugation (= Austausch und Rekombination von Plasmid-DNS)

Wichtig: Unterschiedliche Bakterien besitzen unterschiedliche Mechanismen zur Aufnahme von DNS. Die Rekombination ist aber in jedem Fall davon abhängig, ob entsprechende Enzyme vorhanden sind (RecA-Enzyme)

Grampositive Bakterien (bsp. Gen für Kapselsynthese bei Pneumokokken)

(1) Bindung durch DNS-Bindungsproteine

(2) Spaltung durch peripheres Nuclease Enzym

(3) Einschleusung der DNS-Fragmente als Einzelstrang DNS

Gramnegative Bakterien

(1) Spezielle DNS-Bindungsproteine an Zellperipherie

(2) Aufnahme kurzer homologer doppelstrang DNS-Fragmente

(3) Intrazellulärer nucleolytischer Abbau eines Stranges und Inkorporation des anderen Stranges

Durch Transformation können Mosaikgene entstehen (Kombination aus Fremd und Eigen DNS)!

Virulente bzw. lytische Phagen verursachen eine lytische Infektion, d.h. nach Injektion kommt es direkt zur viralen Replikation und zur Fragmentierung. Während der Replikation werden so rein zufällig Fragmente der bakteriellen DNS aufgenommen, wobei sog. transduzierende Viren entstehen, die (wegen fremd DNS) keine Replikation mehr ausführen können. Da transduzierende Viren immer noch an bakterielle Rezeptoren binden und DNS injizieren können kommt es zu einer völlig zufälligen (generalisierten) Transduktion

Temperente Phagen verursachen eine lysogene Infektion, d.h. nach Injektion bauen sie ihr Genom ins bakterielle Genom ein und können dort als sog. Prophagen verweilen. Durch eine Reaktivierung kann es zu einer unpräzisen Phagen-Exzision kommen, d.h. das aus dem bakt. Genom entfernte virale Genom ist von bakterieller DNS flankiert. Durch Phagen-Replikation entstehen replikationsfähige transduzierende Virione (Unterschied zu lytischen Phagen, welche nicht reproduktionsfähig sind).

Durch Neuinfektion von Bakterien kommt es zu spezialisierten oder restriktiven Transduktion, d.h. insgesamt werde nur wenige Gene transduziert, dafür mit einer hohen Effizienz

Plasmid-DNS-Transfer: Plasmid kann als ringförmige, autonome DNS vorliegen und über Konjugations-Pili als Einzelstrang übertragen werden.

- Bsp. F-Plus-Zellen (Fertility, d.h. Bakterien mit Konjugations-Plasmiden)

Plasmid-DNS und Chromosomen-DNS Transfer: Liegt das Plasmid nicht als isolierte DNS, sondern integriert im Genom vor, so kann es zu einem Transfer von Plasmid- und Chromosomen-Einzelstrang kommen

- Bsp. Hfr-Zellen (high frequency recombination)

Wichtig ist, dass in jedem Fall nur Einzelstrang DNS übertragen wird und der komplementäre Strang in der Akzeptor-Zelle gebildet wird!

Pai sind 30 - 200 kb grosse Block aus integrierten DNS Regionen fremdne Ursprungs mit vielen Virulenzgenen, also ein Cluster von chromosomalen Virulenzgenen. Charakteristika:

- Insertionsstellen mit tRNA-Loci assoziiert (hochkonserviert)

- Meist mit direct repeats DR flankiert

- Viele mobile genetische Elemente (springende Gene, Transposons, Phagen-Integrations- und Replikationssequenzen etc.)

Die Übertragung von Pai (bei E. Coli charakteristische Pai 1 und 2) kann ein apathogener Keim zu einem pathogenen Keim machen (bsp. E. coli zu uropatogener E. coli), weil sich auf den Pai sehr viele Viruelnzfaktoren befinden, welche mit einer einzigen Genomerweiterung aufgenommen werden und das Bakterium weiterentwickeln

Ansammlung von Vielzahl sog. Fitnessgene fremden Ursprungs in einem spezifischen Zentrum des bakteriellen Chromosoms. Charakteristika:

- Enthalten Gene für metabolische Leistungen

- Enthalten Gene für Sekretionssysteme

- Enthalten Gene für Symbiosefaktoren

Entstehung durch Vereinigung mobiler DNS-Module zu komplexen Informationsträgern!