Blut und Blutgerinnung DI Dr. Viktoria Weber

Blut
und
Blutgerinnung
1
DI Dr. Viktoria Weber
Zentrum für Biomedizinische Technologie
Department für Klinische Medizin und
Biotechnologie
Donau-Universität Krems
Dr. Karl Dorrekstraße 30
A-3500 Krems
Tel. 02732 893 2632
[email protected]
2
Vorlesungsunterlagen
Slides
Papers (Review-Artikel)
Bücher
Internet
3
Information im Internet
• www.laborlexikon.de
• www.wikipedia.de
• www.pbs.org/wnet.redgold/
(Red gold – the epic story of blood)
4
Literatur
• Physiologische Chemie
Löffler, Petrides, Springer Verlag
• Physiologie des Menschen
Schmidt, Thews (Hrsg), Springer Verlag
• Biochemie
Stryer, Spektrum Verlag
• Immunology – A Short Course
Benjamini, Coico, Sunshine; Wiley-Liss
• Das Gerinnungskompendium (recht „klinisch“)
Barthels, Depka, Thieme Verlag
• Hemostasis and Thrombosis (für Ehrgeizige)
Colman et al. (Hrsg) Lippincot, Williams&Wilkins
5
Prüfung
• mündlich
• Termine nach Vereinbarung
• Vorstellung von Reviews (alternativ)
6
Bitte
Evaluierungsbögen
ausfüllen!!!
7
INHALT
(I)
Bestandteile und Funktionen des Blutes
(II)
Blutgerinnung und Fibrinolyse
(III) Regulation der Blutgerinnung
(IV)
Wechselwirkung von Gerinnung und Entzündung
(V)
Antikoagulation und Methoden der Blutreinigung
8
I
Bestandteile und Funktionen
des Blutes
9
70-80 mL Blut/kg Körpergewicht
5-6 L Blut
10
Begriffe
Plasma:
flüssige (nicht-zelluläre)
Blutbestandteile
Serum:
Plasma ohne
Gerinnungsfaktoren
11
Flüssigkeitsräume des Körpers
12
Funktionen des Blutes
•Milieu
•Schutz
• Transport
-Homöostase
-Blutverlust
– Atemgase
-Immunabwehr
– Nährstoffe
– Metaboliten
– Wirkstoffe
– Wärme
13
Zusammensetzung
ca.44% Zellen
rote Blutkörperchen
weiße Blutkörperchen
Plättchen
Erythrocyten
Leukocyten
Thrombocyten
ca.56% Plasma
14
Hämatokrit
Erythrozytenanteil des Blutes
Männer
Frauen
40-54 %
37-47 %
15
Zelluläre
Blutbestandteile
16
Blutbild
Zählung der zellulären Blutbestandteile
17
Blutausstrich
Neutrophiler
Granulozyt
Lymphozyt
Plättchen
Erythrozyt
Eosinophiler
Granulozyt
18
Zellen des menschlichen Blutes
Bezeichnung
Anzahl je µl Blut
Erythrozyten
4,5 bis 5,5 Mio.
Leukozyten
4.000–11.000
Granulozyten
Neutrophile
2.500–7.500
Eosinophile
40–400
Basophile
10–100
Lymphozyten
1.500–3.500
Monozyten
200–800
Thrombozyten
300.000
19
Kleines Blutbild
Abkürzung
Leukos
Parameter
Leukozyten
Hb
Hämoglobinkonzentration
Hk
Hämatokrit
Ery
Erythrozyten
MCH
mittleres corpuskuläres Hämoglobin
MCV
mittleres corpuskuläres Volumen
MCHC
Thrombos
MPV
mittlere corpuskuläre HbKonzentration
Thrombozyten
mittleres Thrombozyten-Volumen
Frauen
Männer
4.000-10.000 /µl
12-16 g/dl
14-18 g/dl
37-47%
40-54%
4,3-5,2 Mio/µl
4,8-5,9 Mio/µl
28-34 pg
78-94 fl
30-36 g/dl
150.000-400.000 /µl
7-12 fl
20
Großes Blutbild
relativ in [%]
der Leukozytenzahl
absolut in [1/µl]
Neutrophile
Granulozyten,
stabkernig
3-5
150-400
Neutrophile
Granulozyten,
segmentkernig
50-70
3000-5800
Eosinophile
Granulozyten
1-4
50-250
Basophile
Granulozyten
0-1
15-50
Monozyten
3-7
285-500
25-45
1500-3000
Lymphozyten
21
Erythrozyten
scheibenförmig
verformbar
2µm dick (Mitte 1 µm)
7.5 µm Durchmesser
kein Zellkern – keine Zellen im eigentlichen Sinn
Gesamtoberfläche ca. 4000 m²
22
23
Erythropoese
•
•
•
•
•
im Knochenmark
Stimulation durch Erythropoetin
7d
Bildungsdauer
100-120 d Zirkulation im Blut
Phagozytose im Knochenmark
• Störungen -> Anämie
24
Erythropoese
mesenchymale Stammzelle (pluripotent)
erythropoetin responsive cell (unipotent)
Proerythroblast
Erythroblast
Normoblast (noch Zellkern)
Reticulozyt (kein Zellkern mehr, noch Reste von Organellen)
Erythrozyt
25
Neubildung
1.6 x 108
2.3 x 1011
pro min
pro Tag
26
Regulation:
Erythropoetin (EPO)
• Hormon, stimuliert die Erythropoese
• Glykoprotein (40% Glykananteil)
• Synthese: 85-90% Nieren, 10-15% Leber
27
Gehalt an Sialinsäuren (N-AcetylNeuraminsäuren) beeinflusst HWZ
28
EPO und Erythropoese
29
EPO als Therapeutikum
Renale Anämie
Tumoranämie
Chemotherapie
30
EPO-Präparate
rekombinant hergestelltes Erythropoetin
• Amgen 1989
Epogen, Epoetin α
• Expression in CHO- bzw BHK-Zellen
unterschiedliches Glykosylierungsmuster
31
Weiterentwicklungen
• Amgen 2001
Aranesp (Darbepoetin)
•Gentechnisch verändertes Erythropoetin
•höher glykosyliert
•Längere Serumhalbwertszeit
• Hoffmann-La Roche
CERA
•EPO-Molekül verknüpft mit Polyethylenglykol
•Weitere Erhöhung der HWZ
32
EPO und Doping
• Steigerung der Leistungsfähigkeit
• den Zellen steht mehr Sauerstoff zur
Verfügung
• Schätzungen: ca. 500.000 Fälle pro Jahr
• jährlich produzierte Menge übersteigt
den therapeutischen Bedarf um das 56fache
33
EPO und Doping
Nachweis an Hand des
Glykosylierungsmusters
unterschiedlicher
Acetylierungsgrad der
terminalen NAcetylneuraminsäuren
unterschiedlicher
isoelektrischer Punkt
34
EPO und Doping
Problem: rekombinantes EPO wird innerhalb
weniger Tage abgebaut, Wirkung dauert aber
länger
Nachweisverfahren mittels Verlaufskontrolle
verschiedener Blutparameter
(Hämatokrit, Reticulozyten, Makrophagen)
35
Stoffwechsel der Erythrozyten
Energiegewinnung aus Glukose
Glukose-6-P
• ca. 5-10% Pentosephosphatweg (NADPH)
• ca. 90-95 % Glykolyse (ATP)
Nebenweg zur Bildung von 2,3-Biphospoglycerat
2,3-BPG dient als Signalmetabolit und
beeinflusst die Sauerstoff-Affinität
36
ATP
• Aktiver Ionentransport
(Na-Elimination, K-Akkumulation)
• Biosynthese von Glutathion
(dient der Entgiftung von Peroxiden)
37
Funktion der Erythrozyten ?
38
Aerob lässt sich aus Glukose 18mal mehr
Energie gewinnen als anaerob
Vertebraten:
Kreislauf
Sauerstoff-transportierende Moleküle
Hämoglobin
Myoglobin
39
Hämoglobin
• 90% des Trockengewichtes der Erythrozyten
• ca. 800 g im „Durchschnittserwachsenen“
• 4 Untereinheiten, 4 Hämgruppen mit je 1 Fe2+
• jede Hämgruppe bindet 1 O2
40
Hämoglobin
41
Max Perutz
1914-2002
1962 Nobelpreis Chemie
mit John Kendrew
Strukturanalyse von Hämoglobin
Laboratory of Molecular
Biology, Cambridge
42
43
Hämoglobin
Prototyp eines regulierten Proteins
44
Häm
prosthetische Gruppe
Protoporphyrin IX
Fe2+
koordinativ an 4 Stickstoff-Atome
(Häm-Ebene)
zusätzlich Bindung an
einen Histidinrest und an 02
(„proximales Histidin“
normal auf Häm-Ebene)
Mr Hämoglobin 64500
45
Proteinanteil
4 Polypeptidketten
α2β2
Hämoglobin A (adult)
α2δ2
Hämoglobin A2
ζ2ε2
α2γ2
fetales Hämoglobin
46
Oxigenation – Oxidation
• Hb + 4 O2
• Fe2+
Hb(O2)4
Fe3+
Oxigenation
Oxidation
Hämiglobin, Methämoglobin
47
Sauerstoff-Bindung
1 mol Hb
64500 g Hb
1 g Hb
4 mol O2
4 x 22.4 Liter O2
1.39 mL O2
1.34 mL O2 (gemesssen)
Hüfner-Zahl
48
Rolle des Proteinanteils im Hämoglobin?
49
Picket Fence
Photo und Scan
Literatur
James Collman
50
• Fe2+ wird durch O2 rasch zu Fe3+ oxidiert
• Ferrohäm zu Ferrihäm
• Ferrihäm kann keinen Sauerstoff
transportieren
• Ferrihämoglobin (Methämoglobin)
Zwischenschritt:
Sandwich mit O2 zwischen 2 Hämgruppen
Bildung der Zwischenstufe durch
„picket fence“ verhindert
51
Methämoglobin
• bindet O2, kann ihn aber nicht mehr abgeben
• Vergiftungen durch Nitrite, Anilin,
Nitrobenzen
• Glutathion im Erythrozyten schützt vor
Oxidation
52
CO-Bindung
• CO bindet Ferrohämoglobin
• hemmt Sauerstofftransport
• isoliertes Häm bindet CO
25.000mal stärker als O2
• Häm in Hämoglobin bindet CO
200 mal stärker als O2
53
distales Histidin verhindert lineare
Anlagerung von CO
CO entsteht auch endogen
ca. 1% der Bindungsstellen
bei Rauchern: bis zu 20% !!!
54
Allosterie
α− und β-Untereinheiten – gleicher „Bauplan“
wie Myoglobin
• durch Tetramer-Bildung neue Eigenschaften
• Hämoglobin transportiert O2, H+ und CO2
55
• Bindung von O2 begünstigt Bindung von
weiterem O2: Kooperativität
• Affinität von Hämoglobin zu O2 ist pHabhängig
• Affinität des Hämoglobins zu O2 wird auch
von CO2 und 2,3-Diphosphoglycerat reguliert
56
O2-Bindungskurve
pO2 in den Muskeln
57
pO2 in der Lunge
58
98.5%
des Sauerstoffes im Blut sind an
Hämoglobin gebunden
Sauerstoff-Sättigung:
Oxygeniertes Blut:
Desoxygeniertes Blut:
96-97%
75%
59
Sauerstoff-Affinität
hängt ab von
•
•
•
•
Temperatur
pH-Wert
CO2
2,3 BPG
60
Bohr-Effekt
saures Milieu und höhere CO2-Konzentration
begünstigen die Sauerstoff-Abgabe von
Hämoglobin
Gewebe mit intensivem Stoffwechsel
(kontrahierender Muskel)
61
2,3-Biphosphoglycerat
entsteht über Nebenweg der Glykolyse
senkt die Sauerstoff-Affinität von Desoxyhämoglobin
und
fördert Sauerstoff-Freisetzung
damit kann O2 in den Kapillaren abgegeben werden
62
Fetales Hämoglobin
α2β2
α2γ2
Hämoglobin A
fetales Hämoglobin
fetales Hämoglobin bindet O2 stärker als Hämoglobin A
Grund: geringere Affinität für 2,3-BPG
63
Rolle von Hämoglobin beim CO2-Transport
CO2 20x besser löslich als O2
dies reicht für diffusiven Abtransport von
CO2 jedoch nicht aus
CO2 + H2O
H2CO3
HCO3-+ H+
Hydratisierung durch Carboanhydratase
Hämoglobin nimmt bei Sauerstoffabgabe die beim CO2-Transport
entstehenden Protonen im Gewebe auf und gibt sie in der Lunge wieder ab
64
• durch Wirkung der Carboanhydratase steigt
[HCO3-] in den Erythrozyten
• es entsteht ein Konzentrationsgefälle ins
Plasma
• HCO3- strömt aus, Cl- dafür ein
• „Chloridverschiebung“
65
66
Hämoglobinabbau
in Milz und Leber
Hauptprodukt des Häm-Abbaus: Bilirubin
unkonjugiertes Bilirubin
wasserunlöslich, aber gut fettlöslich
Transportmolekül Albumin
konjugiertes Bilirubin UDP-Glucuronyltransferase
wasserlöslich, Ausscheidung über Galle und
Darm
67
Anämie
griech. αναιµοσ, „blutlos“
Verminderte Sauerstoff-Transportkapazität
– Verminderung von Hämoglobin
– Verminderung des Hämatokrits
– Verminderung der Erythrozyten
Gründe:
Störung der Erythrozytenbildung oder
verstärkter Abbau
68
Symptome
allgemein:
•Leistungsabfall, schnelle Ermüdbarkeit
•Blässe
•Kopfschmerzen, Schlaflosigkeit,
•beschleunigte Atmung, erhöhte Herzfrequenz
Anämie ist ein Symptom einer Grunderkrankung oder
Fehlernährung!
69
Diagnose
wichtigstes Hilfsmittel:
Blutbild
70
Anzahl je µl Blut
Bezeichnung
Erythrozyten
Frauen
Männer
4,3 bis 5,2 Mio.
4,8 bis 5,9 Mio.
MCH
28–34 pg
mean corpuscular hemoglobin
MCHC
30–36 g/dl
mean corpuscular hemoglobin
concentration
MCV
78–94 fl
mean corpuscular volume
Retikulozyten
Hämatokrit
Ferritin
1 % der Erythrozyten
37–47 %
40–54 %
22–112 µg/l
34–310 µg/l
Transferrin
212–360 mg/dl
Vitamin B12
>300 ng/l
Folsäure
>2,5 ng/ml
71
Einteilung
• Anämien durch Bildungsstörungen
hyporegenerative Anämien
• Anämien durch erhöhten Abbau
regenerative Anämien
72
Hyporegenerative Anämien (I)
• normochrom, normozytär
– Zellen morphologisch normal
renale Anämie (Erythropoietinsynthese
vermindert)
aplastische Anämie (sehr selten, Verlust der
Stammzellen)
73
Hyporegenerative Anämien (II)
• hyperchrom, makrozytär
– Megaloblastäre Anämien Vitamin B12- oder
Folsäuremangel; erforderlich für die DNASynthese, bei Mangel vergrößerte Zellen auf Grund
fehlender Zellteilung
74
Zahl
Price-Jones Kurve
Größe (µm)
75
Hyporegenerative Anämien (III)
• hypochrom, mikrozytär
Eisenmangel oder schlechte Eisennutzung
Chronischer Blutverlust
bei weitem häufigste Form der Anämie (80%)
76
Regenerative Anämien (I)
• durch akute oder chronische Blutungen
– Blutungsanämien
• durch hohe Zerstörung
– Hämolytische Anämien
77
Regenerative Anämien (II)
Blutungsanämien
3 Phasen
i)
hämodynamische Kompensation
Mobilisation von Erythrozyten aus der Milz
ii)
plasmatische Kompensation
Einstrom von Gewebsflüssigkeit
Verdünnung des Blutes
iii)
zelluläre Kompensation
Ausschüttung von Erythropoietin
Bildung neuer Erythrozyten
78
Regenerative Anämien (III)
Hämolytische Anämien
Ursache innerhalb oder außerhalb des
Erythrozyten
Innerhalb: Defekt der Zellmembran, Defekte in der
Hämoglobinsynthese (Hämoglobinopathien)
Außerhalb: mechanische Zerstörung der Zellen
(Herzklappen); Plasmodien (Malaria), Schlangen- und
Spinnengifte
79
Hämoglobinopathien
Sichelzellanämie
Thalassämie
80
Sichelzellanämie
• Austausch einer einzigen Aminosäure
• (β-Kette: Glu ->Val)
• Sichelzellhämoglobin in deoxygenierter Form
schlecht löslich
• Verformung der Erythrozyten durch
Präzipitatbildung
• besonders häufig in der schwarzen
Bevölkerung (heterozygote Form: Schutz
gegen Malaria)
81
Thalassämie
• Biosynthese der Hämoglobinketten
verlangsamt
α- und β-Thalassämie
82
Leukozyten
7 µm (Lymphozyten) – 20 µm (Monozyten)
Zellkern
Lebensdauer: wenige Tage bis Monate
amöboid beweglich
können aus Blut in Gewebe einwandern
83
Zellen des menschlichen Blutes
Bezeichnung
Anzahl je µl Blut
Erythrozyten
4,5 bis 5,5 Mio.
Leukozyten
4.000–11.000
Granulozyten
Neutrophile
2.500–7.500
Eosinophile
40–400
Basophile
10–100
Lymphozyten
1.500–3.500
Monozyten
200–800
Thrombozyten
300.000
84
Begriffe
Leukozytose
>10000/µl
Leukopenie
<4000/µl
Leukozytose:
bei entzündlichen
Erkrankungen, Leukämie
85
Aufgabe
Infektionsbekämpfung
86
• Granulozyten
– Neutrophile (Phagozytose von Bakterien, Viren, Pilzen)
– Eosinophile ( Parasitenabwehr)
– Basophile (beteiligt an allergischen Reaktionen)
• Lymphozyten
– T- und B-Lymphozyten (Plasmazellen produzieren Antikörper)
– NK-Zellen (natural killer cells)
• Monozyten
– wandern ins Gewebe und werden zu Makrophagen (große Fresser)
Fresszellen für Bakterien und alte Körperzellen
87
Einteilung der Lymphozyten
B-Lymphozyten
Vorläufer der Plasmazellen im Blut
Plasmazellen
Spezialisierung auf Antikörperproduktion
B-Gedächtniszellen
langlebige B-Zellen mit einem Gedächtnis
für spezielle Antigene
T-Helferzellen
aktivieren Plasmazellen und Killerzellen
erkennen Antigene auf den Antigen
präsentierenden Zellen
T-Regulatorzellen
bremsen die Immunantwort, hemmen die
Funktion der B-Zellen und anderen TZellen
T-Gedächtniszellen
langlebige T-Zellen mit einem Gedächtnis
für spezielle Antigene
T-Killerzellen (zytotoxische
T-Zellen)
erkennen und zerstören von Viren befallene
Körperzellen und Tumorzellen indem sie
auf bestimmte Antigene der befallenen
Zellen reagieren
natürliche Killerzellen (NK)
greifen unspezifisch Zellen an, die von Viren
oder Tumoren befallen sind
88
Monozyten
• Zirkulation im Blut 1-3 d
wandern bei Infektionen ins Gewebe ein
differenzieren sich zu Makrophagen
aktivierte Monozyten besitzen Rezeptoren:
CD14, CD86, CD16;TLR-2, TLR-4
Vermittlung von Entzündungsreaktionen
89
Monozyten
über Rezeptoren:
Erkennung von bakteriellen Zellwandkomponenten, Lipoprotein,
Lipopolysaccharid
„Pathogen-associated molecular patterns“
-> Signalweiterleitung
-> Sekretion von Zytokinen, Phagozytose
90
91
Leukämie
griech. Λευχηαιµια, „weißes Blut“
„Blutkrebs“, „Leukose“
Stark vermehrte Bildung von Leukozyten(vorstufen)
Leukämiezellen breiten sich im Knochenmark aus
Treten auch stark vermehrt im peripheren Blut auf
Infiltration von Leber, Milz, Lymphknoten
Mangel an Erythrozyten, Thrombozyten &
funktionsfähigen Leukozyten
92
1845 Rudolf Virchow
93
Leukämie
akute und chronische Form
myeloische Leukämien: AML, CML
ausgehend von Vorläuferzellen der Granulozyten,
Erythrozyten, Thrombozyten
lymphatische Leukämien: ALL, CLL
ausgehend von Vorläuferzellen der Lymphozyten
typische Altersverteilung (ALL bei Kindern am häufigsten)
Ursachen noch nicht geklärt
94
95
Thrombozyten
(Blutplättchen)
Abschnürung von Megakaryozyten im
Knochenmark (Thrombopoietin)
1.5-3 µm (kleinste Blut“zellen“)
linsenförmig, im aktivierten Zustand
Pseudopodien
Lebensdauer 8 – 12 d
96
Thrombozyten
wichtige Rolle in der Blutgerinnung
während der Gerinnung:
Aktivierung durch ADP, Kollagen, Prothrombin
-> Ausstülpung von Pseudopodien
(Oberflächenvergrößerung)
->
Plättchenaggregation, Thrombusbildung
97
Plättchen im Blut
Adhäsion &
Aktivierung
Aggregation
98
99
Thrombozyten
• Plasmamembran enthält Thromboplastin (tissue
factor)
• tissue-factor haltige Mikropartikel schnüren
sich ab und zirkulieren im Blut
100
Blutplasma
Serum: Plasma ohne Gerinnungsfaktoren
101
Blutplasma
• klare, strohgelbe Flüssigkeit
• 90% Wasser
• Proteine
60-80 g/l
Albumin, Enzyme, Gerinnungsfaktoren, Immunglobuline,...
•
•
•
•
Lipide
Glucose
Elektrolyte
Organische Säuren
4,5-8,5 g/l
4,5-5,5 mmol/l
4-6 mmol/l
Lactat, Pyruvat, Citrat
102
Elektrolyte
Ion
Konzentration
Na+
136 bis 146 mmol/l
K+
3,8 bis 5,2 mmol/l
Ca2+
2,3 bis 2,7 mmol/l
Mg2+
0,8 bis 1,2 mmol/l
Cl−
96 bis 106 mmol/l
HCO3−
24 bis 28 mmol/l
PO43-
1,0 bis 1,4 mmol
103
pH
•
•
•
•
pH-Wert 7.4
<7.37 Azidose
>7.43 Alkalose
Blutpuffersysteme:
Kohlensäure-Hydrogencarbonatpuffer
Hämoglobinpuffer
Phosphatpuffer
Proteinatpuffer
104
Plasmaproteine
Albumin
Globuline
Trennung durch Elektrophorese
bei pH 8.6:
Plasmaproteine negativ geladen
wandern zur Anode
105
Plasmaproteine
Aufgaben
Plasmavolumen
Albumin
Transport
Albumin
Blutgerinnung
Fibrinogen, Prothrombin
Fibrinolyse
Plasminogen
Infektionsabwehr
γ-Globuline, Lysozym,
C-reaktives Protein, Komplementfaktoren
106
Albumin
wichtigstes Transportprotein
nicht veresterte Fettsäuren
Tryptophan
verschiedene Medikamente
Stoffwechselprodukte (zB Bilirubin)
Kationen (Ca2+, Mg2+)
107
Die Blutgruppen
108
Die Blutgruppen
verschiedene Systeme
am wichtigsten: AB0-System
Rhesus-System
Karl Landsteiner 1901
Nobelpreis für Medizin 1930
109
Agglutination
• Vermischung inkompatibler Blutgruppen führt
zur Agglutination
• Glykolipide auf Erythrozyten:
Hämagglutinogene
• Antikörper im Blut
Hämagglutinine
110
Häufigkeit der Blutgruppen
Häufigkeit
weltweit
Blutgruppe
Rhesusfaktor
Rh +
Rh -
A
34 %
6%
0
38 %
7%
B
9%
2%
AB 3 %
1%
111
AB0-System
• 4 Blutgruppenantigene (A, B,
AB und 0/H) auf
Erythrozyten
• Antikörper gegen
Blutgruppensubstanzen
werden im 1. Lj. Gebildet
A
B
AB
0
antiB
antiA
keine
antiB, antiA
112
Blutgruppe
Antikörper im Serum
Antigen auf Erythrozyten
A+
anti-B
Antigen A und das RH Antigen
A-
anti-B
Antigen A
B+
anti-A
Antigen B und das Rh Antigen
B-
anti-A
Antigen B
AB+
keine Antikörper
Antigen A, Antigen B und das Rh Antigen
AB-
keine Antiköper
Antigen A und Antigen B
O+
anti-A, anti-B
Rh Antigen
O-
anti-A,anti-B
keine Antigene
113
114
Rhesusfaktor
• Rhesus-Antigen
• etwa 17% der Europäer sind Rh-
115