Žírné buňky – nový pohled na staré známé

Žírné buňky jsou v obecném povědomí spojovány především s uvolňováním histaminu během alergických reakcí, mají však velmi významnou roli v řadě dalších fyziologických i patologických reakcí organismu. K méně známým patří jejich úloha při ukončení těhotenství a zahájení porodu, kdy jsou považovány za zprostředkovatele vlivu endokrinních signálů na místní reakce v děloze. Řada látek produkovaných žírnými buňkami má angiogenní účinky, známé především u nádorového bujení, ovlivňují ale i embryonální a postnatální růst či proces hojení ran. Podílejí se též na řadě kompenzačních reakcí, jimiž tkáň reaguje na mechanickou zátěž, hypoxii či zánět (remodelace dýchacích cest u astmatu, plicních cév při chronické hypoxii, hypertrofie myokardu, jaterní cirhóza, chronická pankreatitida). Tento přehled je věnován novým poznatkům o jejich úloze během porodu, nenádorové angiogenezi a v remodelaci plicních cév při chronické hypoxii.

Klíčová slova:
žírné buňky, mediátory, porod, angiogeneze, remodelace, plicní cévy, hypoxie.

Žírné buňky byly poprvé popsány Paulem Ehrlichem v jeho doktorské práci v roce 1878 (1). Od té doby jim byla věnována značná pozornost, především díky jejich roli v imunitních reakcích, zejména alergických (2). Tyto buňky ale hrají významnou roli v řadě dalších fyziologických i patologických reakcí organismu.

Pro náš přehled jsme si vybrali tři z nich: spouštění porodu, angiogenezi a remodelaci cévní stěny, o nichž informace v posledních letech rychle přibývají.

Typy žírných buněk

Žírné buňky se vyskytují prakticky ve všech savčích tkáních s výjimkou kompakty kostí, chrupavky a rohovky. Jejich počty jsou vyšší ve tkáních, které se stýkají se zevní prostředím – kůži, sliznicích. Žírné buňky jsou odvozeny od pluripotentní hematopoetické kmenové buňky kostní dřeně. Dřeň opouštějí jako progenitorové buňky a jejich maturace probíhá až v cílové tkáni, vlivem řady růstových faktorů a cytokinů (3). Proto se mohou žírné buňky v různých tkáních morfologicky i funkčně lišit.

Velikost žírných buněk je do značné míry závislá od stavu, v jakém se buňky nacházejí, tedy jaké obsahují množství sekrečních granul (4). Proto se údaje o rozměrech v literatuře značně liší. Obvykle se popisují jako buňky o rozměru mezi 10–15 μm s centrálně umístěným sférickým jádrem, cytoplazma je vyplněna sekrečními granuly s proteoglykanovou matrix o rozměrech 300–800 nm (5).

Buňky v aktivním stavu a naplněné sekrečními granuly, mohou dosahovat rozměrů i přes 20 μm, naopak buňky degranulované mohou být velmi malé kolem 8 μm (4). Při barvení toluidinovou modří vykazují tzv. metachromasii – purpurové zbarvení granul obsahujících kyselý heparin.

Lidské žírné buňky jsou klasifikovány nejčastěji histochemicky, podle obsahu proteáz v sekrečních granulech a rozlišují se dva subtypy (6, 7): MC_T – obsahují tryptázu, která hraje klíčovou roli v zánětu a imunitní odpovědi, vyskytují se v místech často vystavených patogenům v blízkosti T-lymfocytů (proto jsou někdy označovány jako „imunitní“). Převládají ve střevní mukóze, v plicích ve stěně alveolů i bronších, v epiteliální vrstvě nosní sliznice a spojivky. V kůži je prakticky nenalezneme. MC_TC – obsahují též tryptázu, ale navíc ještě chymázu, karboxypeptidázu a cathepsin G. Na rozdíl od prvního typu se hojně vyskytují v kůži a podkoží, dále ve střevní submukóze, v subepiteliální vrstvě nosní sliznice a spojivky. Nacházejí se též v srdci a účastní se remodelace tkáně a angiogeneze (8).

U jiných živočišných druhů jsou dělení žírných buněk odlišná. U hlodavců, nejčastěji používaných experimentálních zvířat, se podle lokalizace v organismu rozlišují dva základní subtypy: MMC (mucosal mast cells) nacházející se převážně ve sliznicích trávicího a respiračního traktu a CTMC (connective tissue mast cells) vyskytující se v pojivové tkáni různých orgánů (kůže, plíce, srdce, cévy, placenta).

Tyto subtypy se liší v mnoha parametrech (rozdílná velikost, délka života, závislost na T-lymfocytech, produkce mediátorů) (9). Rozdíly jsou i v možnostech farmakologického ovlivnění různých typů žírných buněk (10).

Žírné buňky produkují celou řadu mediátorů. Tyto mediátory plní typicky více než jednu funkci a ve svých funkcích se částečně překrývají. Zpravidla se dělí do tří skupin (11). První skupinu tvoří preformované mediátory uložené v sekrečních granulech – jako histamin, serotonin, proteoglykany, proteázy (chymáza, tryptáza, karboxypeptidáza A), preformovaný TNF-α (tumor necrosis factor α), jehož zásoby v žírných buňkách jsou větší než v neaktivovaných makrofázích a lymfocytech (12). Po aktivaci buněk jsou uvolňovány do okolního prostředí během vteřin či minut. Druhou skupinou jsou de novo syntetizované mediátory, odvozené od kyseliny arachidonové, jako PGD₂ a PGE₂ (prostaglandin D₂ a E₂).

Tyto mediátory jsou klíčové pro rozvoj zánětu. Jejich syntéza a uvolňování začíná po stimulaci během minut díky aktivaci fosfolipázy A₂ a cyklooxygenáz 1 a 2. Do třetí skupiny se řadí nově tvořené cytokiny, chemokiny a růstové faktory, secernované později. Sem patří prozánětlivé faktory jako TNF-α (v tomto případě nově syntetizovaný) či interleukiny IL-3, IL-5, IL-6, IL-10, IL-8, a GM-CSF (granulocyte-macrophage colony-stimulating factor) i protizánětlivé působky – jako IL-4, IL-13, růstové faktory (NGF – nerve growth factor, VEGF – vascular endothelial growth factor, bFGF – basic fibroblast growth factor, TGF-ß – transforming growth factor ß) a nově i leptin (13). Mediátory produkované žírnými buňkami tedy mohou hrát roli ve všech významných fyziologických i patologických procesech ve tkáních. Na druhé straně jsou tyto mediátory produkovány i jinými buňkami a zjištění, že určitý mediátor má v dané reakci rozhodující úlohu, neprokazuje účast žírných buněk.

Žírné buňky a porod

Dnes je zřejmé, že se aktivita žírných buněk uplatňuje při ukončení těhotenství a zahájení porodu. Nedávno publikovaná teorie (14) považuje žírné buňky za zprostředkovatele vlivu endokrinních signálů na místní reakce v děloze vyvolávající porod. Tato teorie se opírá na jedné straně o nálezy zvýšené produkce působků uvolňovaných ze žírných buněk během porodu a na druhé straně o úvahy o aktivaci žírných buněk endokrinními změnami na počátku a během porodu.

Žírné buňky dělohy

Žírné buňky jsou v endometriu a děložním krčku (obr. 1) lokalizovány především v okolí krevních i mízních cév a nervů (15), mají ovšem úzký vztah i k buňkám hladkého svalu myometria. V experimentu na laboratorních potkanech Varayoud et al. (16) prokázali signifikantně vyšší množství žírných buněk v děložním krčku v první polovině březosti. Tyto buňky vykazovaly i vyšší degranulaci. Zastoupení imunitních (MC_T) i neimunitních (MC_TC) je stejné. Řada mediátorů uvolňovaných žírnými buňkami vyvolává kontrakci děložního svalstva. O tom není pochyb u histaminu, serotoninu, mediátorů odvozených od lipidů – jako PGD₂, leukotrienů a PAF (platelet activating factor) (17). Navíc se účinky některých z nich, např. histaminu, serotoninu a PGF_2α při současném výskytu potencují.

Yokoi et al. (18) sledovali průběh březosti na experimentálním modelu myší postrádajících žírné buňky (tzv. mi/mi genotyp charakterizovaný mikroftalmií, deficitem žírných buněk a osteopetrózou). Tyto myši na rozdíl od jiného typu mutace (tzv. op/op mající defekt pro M-CSF – macrophage colony-stimulating factor a vykazující infertilitu) zabřezly, ale četnost vrhu a hmotnosti plodů byly významně menší než u kontrol. Zajímavé je, že u těchto mi/mi deficitních myší došlo v 86 % k závažné komplikaci – poporodní inverzi dělohy.

Děložní žírné buňky uvolňují i cytokiny, růstové faktory a chemokiny spojené s aktivací zánětu, zodpovědné za „zánětlivé změny“ (inflammatory-state) v děloze během porodu, které opět vedou ke zvýšené citlivosti děložního svalstva ke kontraktilním podnětům. Z tohoto hlediska je nejvýznamnější TNF-α. Ten stimuluje expresi adhezivních molekul (E selektinu) endoteliemi cév myometria, pozorovanou během porodu (19), a tím akumulaci leukocytů (20). Makrofágy uvolňují reaktivní sloučeniny dusíku (RNS) a spolu s žírnými buňkami produkují reaktivní sloučeniny kyslíku (ROS) (21). Vztah ROS, RNS a jejich vliv na sekreční odpověď žírných buněk je podrobně zpracován v přehledu Swindle and Metcalfe (22). Oxid dusnatý (NO) stimuluje žírné buňky k produkci látek zvyšujících tonus děložního svalstva a svalové buňky k syntéze PGE₂. RNS a ROS spolu vzájemně reagují, vzniká peroxynitrit, velmi silný aktivátor žírných buněk (23). Aktivované žírné buňky konečně uvolňují i tryptázu a tkáňové metaloproteinázy (24), které svou kolagenolytickou aktivitou přispívají ke zrání děložního hrdla a narušení plodových obalů.

Hormonální změny v těhotenství a žírné buňky

Z hormonů ovlivňujících průběh těhotenství a porodu mají prokázané účinky na žírné buňky estrogen, oxytocin a CRH (corticotropin releasing hormone). Zatímco estrogeny potencují degranulaci žírných buněk a uvolnění histaminu, progesteron sekreci inhibuje (25). Skutečnost, že převaha plazmatické hladiny estrogenu nad hladinou progesteronu rozhoduje o spuštění porodu a že histamin je jednou z látek vyvolávajících děložní kontrakce, svědčí pro významnou roli žírných buněk během porodu.

V regulaci děložních kontrakcí hraje důležitou roli i serotonin (jeho syntetický analog ergometrin se k vyvolání děložních kontrakcí klinicky používá), který navíc u potkanů zvyšuje tvorbu tkáňové metaloproteinázy MMP-13, a tím přispívá ke zrání děložního hrdla (26). Oxytocin zvyšuje extracelulární koncentraci serotoninu ve svalu dělohy inhibicí jeho vstupu do žírných buněk (27).

Posledním hormonem, jehož hladina se ke konci těhotenství výrazně mění a jehož účinky se dávají do vztahu k žírným buňkám, je CRH. Žírné buňky mohou nejen exprimovat receptory pro CRH, ale být i jeho zdrojem (28). CRH, pravděpodobně podobně jako další peptid se vztahem ke stresu – urocortin, zvyšuje děložní kontrakce vazbou na CRH receptor R₂.

Žírné buňky a angiogeneze

Angiogeneze je komplikovaný proces, který je v příslušné tkáni kontrolovaný rovnováhou mezi pro- a antiangiogenními faktory. Jak popisuje ve svém review Norrby (29) jde o sled dějů zahájený aktivací endoteliálních buněk. Dochází ke změnám složení extracelulární matrix, proteolytické enzymy naruší bazální membránu. Mezi endoteliálními buňkami, na něž působí angiogenní stimuly, se vytváří lumen budoucí cévy. Novotvořené cévy se následně větví a vytvářejí síť. Tento přesně regulovaný proces má velký význam pro embryonální i postnatální růst, hojení ran i patologické procesy – jako nádorový růst (30).

Žírné buňky jsou zdrojem řady angiogenních faktorů: VEGF, bFGF , TGF-ß, TNF-α a IL-8. Navíc aktivace žírných buněk a uvolnění histaminu, prostaglandinů a leukotrienů (PGD₂, LTB₄, LTC₄), VEGF a PAF vede ke zvýšení permeability kapilár, která má proangiogenní vliv (30).

Norrby et al. (31) byli pravděpodobně první, kteří schopnost žírných buněk vyvolat angiogenezi experimentálně prokázali. Jimi nově vyvinutou technikou pozorovali v krysím mezenteriu výraznou angiogenní odpověď po degranulaci žírných buněk vyvolané látkou 48/80 (vede k uvolnění vazoaktivních látek z granul žírných buněk). Stejnou odpověď pak nalezli i u myší (29). U morčat, jejichž žírné buňky na aplikaci 48/80 nereagovaly, se angiogeneze neobjevila. Látka 48/80 tedy sama o sobě angiogenní není. Následující studie o vlivu žírných buněk na novotvoření cév se rozdělily do dvou směrů: novotvorbu v tkáních postižených nádorovým bujením a v tkáních bez nádoru. Přes intenzivní výzkum v obou směrech, podíl žírných buněk na angiogenezi plně objasněn není, nicméně existuje věrohodná představa o mechanismech, jimiž se na ní podílejí (29). Podle ní:

1. Histamin, uvolněný krátce po stimulaci žírných buněk, se naváže na H₁ a H₂ receptory endotelií a dalších buněk a aktivuje je.
2. Stejně rychle uvolněné chemokiny přitahují makrofágy, leukocyty a lymfocyty, produkující cytokiny, které stimulují žírné buňky a ovlivňují angiogenezi.
3. Proteázy žírných buněk odbourávají mimobuněčné struktury, a tím usnadňují migraci endoteliálních buněk a uvolňují na heparin vázané růstové faktory (VEGF, bFGF, TGF-ß).
4. Proangiogenní faktory žírných buněk (výše zmíněné růstové faktory a TNF-α a IL-8) stimulují endotelie k sekreci proteáz, migraci k angiogennímu stimulu a proliferaci.
5. Cytokiny uvolněné žírnými buňkami vyvolávají tvorbu proangiogenních faktorů fibroblasty a buňkami hladkého svalu a možná i protiangiogenních faktorů.
6. Histamin, VEGF, prostaglandiny a leukotrieny zvyšují cévní permeabilitu, což má proangiogenní účinek.
7. PAF ze žírných buněk působí agregaci a aktivaci destiček, z nichž se uvolňují proangiogenní faktory (VEGF, PDGF, LTC₄ a bFGF), které převládnou nad antiangiogenním destičkovým faktorem 4.
8. tromboxan A₂ uvolněný žírnými buňkami působí antiangiogenně.
9. Pokud jsou v tkáni nádorové buňky, tvoří VEGF a další faktory, které zvyšují počty žírných buněk, a stimulují je. Tím udržují v běhu angiogenezi nutnou pro růst nádoru a jeho případné maligní zvrhnutí. Pravděpodobným stimulem pro produkci VEGF je i hypoxie vznikající v rostoucím nádoru.

Žírné buňky a remodelace cévní stěny

Pojem remodelace zahrnuje všechny procesy, jež vedou ke strukturálním změnám tkáně počínaje růstem, přes diferenciaci až k jejímu zániku. Tyto děje jsou fyziologické (např. těhotenství, hojení ran), ale jsou i součástí řady patologických procesů včetně kompenzačních reakcí, jimiž tkáň reaguje na mechanickou zátěž, hypoxii či zánět (remodelace dýchacích cest u bronchiálního astmatu, plicních cév při chronické hypoxii, hypertrofie myokardu, jaterní cirhóza, chronická pankreatitida). Pro náš přehled jsme si vybrali změny týkající se primárně hypertrofie cévní medie.

Podstatou změn struktury tkáně jsou děje probíhající v extracelulární matrix (ECM) (32). ECM je komplikovanou strukturou složenou z kolagenu, elastinu, proteoglykanů a glykoproteinů. Vytváří jednak nosnou síť a mechanicky udržuje tkáň pohromadě, ale současně je prostředím, v němž probíhá mezibuněčná signalizace nezbytná ve všech fázích života buňky. Jednotlivé komponenty ECM jsou geneticky kódované, jejich produkce a degradace je udržována v rovnováze a právě žírné buňky mohou tuto rovnováhu narušit. Složení ECM napovídá, že je velice dobrým substrátem pro proteolytické enzymy – tkáňové metaloproteinázy (MMPs), především intersticiální kolegenázu a želatinázy (MMP-2 a MMP-9) produkované ve formě proenzymů žírnými buňkami typu CTMC. Tyto buňky současně uvolňují α-chymázu, jež pro-metaloproteinázy extracelulárně aktivuje (33). Již malé změny ve složení ECM mohou spustit reakce vedoucí k remodelaci dané tkáně. Poměrně dobře popsaným příkladem je průběh remodelace periferních plicních cév u zvířat vystavených chronické hypoxii, jejímž výsledkem je ztluštění medie plicních cév, zvýšení jejich odporu a vznik hypoxické plicní hypertenze (schéma 1) (34). Jakým mechanismem hypoxie ovlivňuje syntézu, degranulaci a migraci buněk, není známo. Předpokládá se vliv reaktivních sloučenin dusíku a kyslíku. V první fázi provázejí proliferaci fibroblastů a buněk hladkého svalu změny v pojivové matrix, na nichž se podílí enzymatická degradace kolagenu. Při tomto štěpení kolagenu se objevují specifické nízkomolekulární štěpy kolagenu typu I odpovídající působení intersticiální kolagenázy (35). Při pokračování hypoxie nastupuje druhá fáze, kdy tyto štěpy z tkáně vymizí a další rozšiřování medie ustává (36). Po ukončení expozice hypoxii nastupuje třetí fáze, kdy se cévní stěna opět přestavuje do své původní podoby a tlak v plicnici klesá. I v této fázi je metabolický obrat kolagenu zvýšený. Zdá se, že intersticiální kolagenáza se v podmínkách reoxygenace či hyperoxie chová odlišně než za hypoxie, kdy nízkomolekulární štěpy nevznikají (37).

Předpokládá se, že se plicní žírné buňky (obr. 2) podílejí na obou přestavbách. O spoluúčasti žírných buněk na první fázi svědčí:

1. zvýšené množství žírných buněk v plicní tkáni,
2. změna jejich distribuce, při níž ze subpleurálních oblastí migrují do okolí periferních plicních cév (38),
3. zvýšené množství „rodent-like“ intersticiální kolagenázy MMP-13 pozitivních granul v žírných buňkách izolovaných z plic laboratorního potkana a vystavených in vitro hypoxii (39),
4. skutečnost, že antioxidant N-acetylcystein snižuje množství MMP-13 pozitivních granul v žírných buňkách vystavených in vitro hypoxii (40) a podaný in vivo zabrání vzniku hypoxické plicní hypertenze (41),
5. zablokování degranulace žírných buněk kromoglykátem na počátku expozice chronické hypoxii oslabí rozvoj hypoxické plicní hypertenze (42).

Ve fázi přestavby cév po ukončení hypoxie převládá naopak degradace ECM – proteolýza a apoptóza. Tato fáze je prostudována podstatně méně, podíl žírných buněk potvrzuje:

1. akumulace žírných buněk s vysokým obsahem MMP-13 v plicních cévách,
2. mnohonásobně zvýšená proteolytická aktivita v plicní tkáni (43),
3. zablokování degranulace žírných buněk kromoglykátem na počátku zotavení zpomalí pokles tlaku v plicnici (44).

Řada prací potvrzuje, že se žírné buňky modulací aktivity metaloproteináz podílejí i na remodelaci jiných orgánů, např. srdeční svaloviny vedoucí k selhání srdce (45) či pankreatu u lidí s chronickou pankreatitidou (46). Na druhé straně pokusy na myších a potkanech s výrazným deficitem v počtu žírných buněk ukázaly, že žírné buňky omezují remodelaci myokardu vyvolanou podáváním homocysteinu (47) či rozvoji intersticiální fibrózy v ledvinách po podání puromycinu (48).

Důkazů, že žírné buňky hrají roli jak ve spouštění porodu, tak angiogenezi a remodelaci cévní médie, je tedy dostatek. Ovlivnění jejich aktivity během těchto procesů by mohlo mít rozsáhlé terapeutické využití. Nejznámějším blokátorem degranulace žírných buněk je kromoglykát sodný. Pro své špatné farmakodynamické vlastnosti je ale používán převážně pro lokální aplikaci, perorálně se podává ve vysokých dávkách (vstřebá se asi 1 %) pouze u systémové mastocytózy (49). Další látkou je tranilast (derivát kyseliny anthranilové), u kterého proběhla rozsáhlá klinická studie zabývající se snížením výskytu restenózy po PTCA (perkutánní transluminární koronární angioplastika) (50). Podávání této látky bylo jednak spojeno se závažnými nežádoucími účinky (hyperurikémie, změny jaterních testů) a zároveň se ukázalo, že podání tranilastu u lidí po výkonu nemá patřičný efekt na rozdíl od preventivního podání zvířatům v experimentu (51). I když jsou známy látky, které uvolnění působků z žírných buněk brání, i látky, které žírné buňky aktivují, jejich širší klinické využití pro regulaci procesů, o nichž jsme v přehledu referovali, zatím možné není.

Zkratky

• bFGF – basic fibroblast growth factor
• CRH – corticotropin releasing hormone
• CTMC – connective tissue mast cells
• ECM – extracellular matrix
• GM-CSF – granulocyte-macrophage colony-stimulating factor
• IL – interleukin
• LTB₄ – leukotrien B₄
• LTC₄ – leukotrien C₄
• M-CSF – macrophage colony-stimulating factor
• MCT – žírné buňky obsahující tryptázu
• MCTC – žírné buňky obsahující tryptázu a chymázu
• MMC – mucosal mast cells
• MMPs – tkáňové metaloproteinázy
• MMP-2 – matrix metalloproteinase-2
• MMP-9 – matrix metalloproteinase-9
• MMP-13 – matrix metalloproteinase-13
• NGF – nerve growth factor
• NO – oxid dusnatý
• PAF – platelet activating factor
• PDGF – platelet derived growth factor
• PGD₂ – prostaglandin D₂
• PGE₂ – prostaglandin E₂
• PGF₂ – prostaglandin F₂
• PTCA – perkutánní transluminární koronární angioplastika
• RNS – reaktivní sloučeniny dusíku
• ROS – reaktivní sloučeniny kyslíku
• TGF-ß – transforming growth factor ß
• TNF-α – tumor necrosis factor .
• VEGF – vascular endothelial growth factor

Práce byla podpořena grantem GA ČR 305/08/0108 a Centrem výzkumu chorob srdce a cév MŠMT 1M0510.

Reprodukovaný materiál pochází z práce: Bosquiazzo et al. Reproduction 2007; 133: 1045–1055. © Society for Reproduction and Fertility (2010). Reproduced by permission.

Adresa pro korespondenci:

MUDr. Hana Maxová Ph.D.
Ústav patologické fyziologie 2. UK LF
Plzeňská 221/130, 150 00 Praha 5
fax: +420 257 210 995, e-mail: hana.maxova@lfmotol.cuni.cz