College of Health Sciences, Korea University Lecture 1 OVERVIEW; CELLULAR COMPONENTS; Hematopoiesis Chapters 1, 6 March 8, 2019 Elaine M. Keohane, PhD, MLS(ASCP)SH keohanem@shrp.rutgers.edu Rutgers-The State University of New Jersey School of Health Related Professions and Kyung Jin Cho, PhD, Professor Emeritus chokj@korea.ac.kr Dept. of Medical Laboratory Science College of Health Sciences, Korea University

(Rodak’s Hematology 5th Ed, Elsevier, 2016) Hematology – Spring 2018 (Rodak’s Hematology 5th Ed, Elsevier, 2016) Date Lecture Topics Chapter Assignment 3/ 7 Overview of Hematology; Cellular Components and Function Ch 1,6 3/14 Hematopoiesis; Erythrocyte Production & Destruction Ch 7, 8 3/21 RBC Metabolism; Membrane Physiology; Hemoglobin Metabolism; Ch 9, 10 3/27 Iron Kinetics; Leukopoiesis Ch 11, 12 4/ 4 Platelet Production, Structure, Activation; Ch 13 4/11 Laboratory Safety Ch 2 4/18 Specimen Collection Ch 3 4/25 Midterm Exam 2

현충일 Hematology - Spring 2017 – Cont’d Date Lecture Topics Chapter Assignment 5/ 2 Hemocytometry; White Blood Count (manual), Red Blood Count; Platelet Count Ch 14 5/ 9 Hb, Hct, RBC index 5/16 ESR, Retics, Blood Film 5/23 Wright Stain, Differential Count Ch 16 5/30 Automated Cell Counting Ch 15 6/ 6 현충일 6/13 Normal Hemostasis and Coagulation Ch 37 6/20 Final Exam 3

OVERVIEW OF CLINICAL LABORATORY HEMATOLOGY Chapter 1 Chapter Author: George A. Fritsma

Composition of Normal Blood 혈액은 혈장 중에 여러 종류의 혈구들이 부유되어 있는 복합적인 조직 성인의 평균 혈액량: ~ 5 liters 남자 (5-6 liters), 여자 (4-5 liters)  √ 항응고처리 혈액검체의 원침 후 상태

- 폐로 부터 조직으로 O2 운반; - 조직에서 CO2 를 폐로 운반하여 제거; - 당, 단백, 지방 등의 영양물질 운반; √ 혈액은 - 폐로 부터 조직으로 O2 운반; - 조직에서 CO2 를 폐로 운반하여 제거; - 당, 단백, 지방 등의 영양물질 운반; - 노폐물을 간 또는 신장으로 이동; - 체온 유지; - 산, 염기 평형 유지

혈액의 액체성분을 혈장(plasma)라고 하는데, 이 혈장은 출혈을 저지하는 응고인자 (coagulation factor)들을 포함 혈장은 고형성분인 혈구를 운반하고 혈구에 영양을 공급 - Red Blood Cells - White Blood Cells: neutrophils, eosinophils, basophils, lymphocytes, monocytes - Platelets

임상병리사는 혈구를 염색하고, 계수하고, 분석하며, 혈구 형태, 표현형, 유전자형 등을 확인함으로써 여러 질병 들을 예측하고,검출하며, 진단하는데 결정적인 역할을 함 의사들은 임상병리사가 산출하는 혈액검사 결과를 기반으로 - 질병을 확인하고 - 치료법을 선택하고 - 치료효과를 모니터링 함 진료를 받기 위해 병원을 외래 방문하거나 입원하는 거의 모든 사람 들은 기본적으로 CBC (complete blood count) 검사를 받게 됨

History of Hematology 1657, Kircher A, 혈액 내 “벌레”가 있다고 기술 1674, Leeuwenhoek AV, 적혈구에 대해 기술 Late 1800s, Bizzozero G, 작은조각판(혈소판) 기술 1902, Wright JH, Wright Stain 개발 함으로써 현미경 이용한 혈구관찰 가능 √ Romanowsky염색(다염색): 혈구동정의 기반 9

1900년 이전부터 의사와 MLS*는 일정 량의 혈액 내 RBC를 계수하여 빈혈을 진단 History of Hematology – Cont’d 1900년 이전부터 의사와 MLS*는 일정 량의 혈액 내 RBC를 계수하여 빈혈을 진단 1953, Wallace/Joseph Coulter형제는 미립자계수기 개발 1958, automated cell counters를 임상검사실 활용 21stcentury: 자동혈구계산, Flow cytometry, Cytogenetics, Molecular analysis 분야 등이 크게 발전 *: medical laboratory scientists

Clinical Laboratory Hematology 혈액학 (Hematology): 혈구(blood cells)와 혈구를 생성하는 조혈기관(hematopoietic organs)을 연구하는 학문분야 (지혈 및 응고 포함) 혈액검사학에서 다루는 주요 내용 - 혈구 수: Cell Counting - 혈구형태 (morphologies): 세포: 크기와 형태 세포질: 염색성과 봉입체(inclusions) 핵: 크기, 형태, 염색성 - 혈구 기능(function) 고급혈액학 (Advanced hematologic disease)에서는 유전자수준과 분자수준에서 혈액질환에 대한 검토

Complete Blood Count (CBC) WBC 계수 (WBC 종류별혈구수 포함) RBC 계수 Hemoglobin 농도 Hematocrit Platelet 계수 RBC 지수 – 적혈구의 크기 및 형태에 대한 정보 제공 Mean Cell Volume (MCV) Mean Cell Hemoglobin (MCH) Mean Cell Hemoglobin Concentration (MCHC) 혈구형태학적 검경

혈액세포의 기능 Red blood cells (RBCs): 조직과 폐 사이에서 산소와 탄산가스의 운반 (가스 교환). RBCs는 산소를 결합하여 운반하는 철을 함유하고 있는 색소단백(hemoglobin)을 갖고 있어 중요한 역할 White blood cells (WBCs): 외부로부터 침입하는 병원체(이종단백)로부터 신체 보호 Platelets (PLTs): 지혈이라 불리는 신체기전에 참여하여 출혈을 저지 함  

Cells Normally Found in Circulation Peripheral blood, Wright stain Fig 1-1 Rodak BF, Fritsma GA, Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2012, p 2. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. A: RBC B: Segmented neutrophil C: Band D: Eosinophil E: Basophil F: Lymphocyte G: Monocyte H: Platelet

Hemostasis (지혈) 정의: “stop bleeding” 혈액응고검사실에서 MLS들이 수행하는 검사 대상: 혈소판  1차 지혈마개 형성 응고인자  2차 지혈: 섬유소(응고)형성 통상검사 PT : prothrombin time APTT: activated partial thromboplastin time 섬유소용해 지혈마개가 더 이상 의미 없게 되면 용해 시킴 15

고급 혈액검사항목 골수검사 골수흡인(Aspirates) 골수생검 (Biopsies) 세포화학 염색 Myeloperoxidase stain (MPO) Sudan Black B stain (SBB) Esterase tests Acid and alkaline phosphatase (LAP) 16

Piazza RG, et al. Leukemia (2005) 19, 1986 고급검사항목 - 계속 유세포분석 양적 분석: cell count 질적 분석: 표지자이용한 세포계열분류 분자검사 Polymerase chain reaction(PCR) Reverse Transcriptase(RT)-PCR FISH(fluorescent in situ hybridization) Fig 33-9 A,B Rodak BF, Fritsma GA, Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2012, p 498. Copyright © 2012, 2007, 2002, 1995 by Saunders, an imprint of Elsevier Inc. Piazza RG, et al. Leukemia (2005) 19, 1986 17

CELLULAR STRUCTURE AND FUNCTION Chapter 6 Chapter Author: Elaine M. Keohane 18

세포의 전자현미경적 미세구조 그림 6-1. Rodak혈액학 조경진 외, 2019 범문에듀케이션 p68

Plasma Membrane (원형질막) 세포막의 특성 탄력성 (Elastic) 변형가능성 (deformability) √ 이중지질막 -인지질(극성)머리: Hydrophilic -지방산 꼬리: Hydrophobic Fig 13-10 Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications.  √ Functions: 외부환경과의 물질교환 조절 많은 수용체분자를 갖고 있어 세포-세포 간의 인식 표면 표지자(당단백질)을 통해 세포정체성을 나타냄 https://commons.wikimedia.org/wiki/User_talk:Superscience71421 극성: (화학결합에서 전자)분포가 어느 한쪽 (원자)에 기울어 있는 상태 20

Nucleus (핵) √ Nucleus – 세포의 통제센터 - 주로 DNA로 구성 세가지 기본 요소 - 염색질 - 핵막 - 핵소체 Fig 12-7,B. Keohane EM. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p 154. 21

[Nuclear chromatin (염색질)] - 음전하 띤 DNA 골격 - 양전하 띤 핵단백질 (Histone과 non-histones) √ 염색질 종류 - Euchromatin: 넓게 퍼져있고, 농축되지 않은 상태로 유전적으로 활성상태(전사 진행)의 영역 - Heterochromatin: 농축되고, 뭉친, 보다 어둡게 염색 되는 유전적으로 불활성 상태의 영역  √ 핵은 핵산으로 인해 파랗게(호염기성) 염색 22

[Nuclear Membrane (핵막)] Fig 6-2 Keohane EM et al. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p 66. 내막과 외막 - 외막은 연속적이며, 내형질세망과 연결 됨  √ Nuclear pores(핵공): - 핵과 세포질 사이에서 커뮤니케이션 통로 - 세포성숙에 따라 핵공 수 감소 23

√ 핵소체 [Nucleolus (핵소체, 인)] - rRNA를 합성하고, 리보좀 소단위를 조립하는 장소 √ 핵소체의 수  √ 핵소체 - rRNA를 합성하고, 리보좀 소단위를 조립하는 장소 - 많은 량의 rRNA, DNA 함유   √ 핵소체의 수 - 하나 이상 몇 개 - 세포내 단백질합성 양에 따라 비례 Ribosome: large subunit (5.8S, 5S, 28S + ribosome protein) small subunit (18S + ribosome protein) 24

√ Golgi Complex (골지체) Composition - 세포내막계에 해당되며, cisternae이라 불리는 여러 겹으로 겹쳐친 납작한 주머니 형태 Function - 다른 소기관에 대분자량 물질의 분비/전달을 위해 가공/포장 함 - Directs traffic in cell 핵 근처에 위치 무색으로 환하게 염색 Fig 8-4. Keohane EM et al. Hematology- Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p 100 http://biology.tutorpace.com/ golgi-complex 25

√ Endoplasmic Reticulum (내형질세망, ER) 납작한 판, 주머니, 관의 형태로 나타나는 세포내막계(endomembrane system) 내형질세망(ER)의 종류 - Rough ER: 단백질합성, ribosomes보유 - Smooth ER: 새로생성된 단백질의 저장 장소 Fig 6-3. Endoplasmic retitulum. Keohane EM et al. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p 69 26

√ Ribosomes Composition - 단백질 과 rRNA Location - 세포질 내 유리형 - 세포질그물(ER)표면에 결합형 Function – 단백질 합성장소: 유전정보 보유한 mRNA의 코돈에 상보적인 anticodon을 가진 tRNA 가 특정amino acid를 ribosome 으로 옮겨와 peptide사슬 연장 (유전정보에 따른 AA서열로 단백질합성) Fig 6-3. Endoplasmic retitulum .Keohane EM et al. Hematology-Clinical Principles and Applications, . Elsevier, 2016, p 69 http://www.dna-sequencing-service.com/wp-content/uploads/2010/07/translation-dna.gif 27

√ Mitochondria Function 미토콘드리아 효소는 산화적 인산화를 통해 ATP생성 함 자기복제 능력 있으며, 별도의 mitochondrial DNA 존재 Wright stain으로 염색되지 않음 이중 막을 가짐 (inner and outer membrane) Fig 6-4. Mitochondria. Keohane EM et al. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p 69 Oxidative phosphorylation is the metabolic pathway in which cells use enzymes to oxidize nutrients, thereby releasing energy which is used to produce ATP. 28

√ Lysosomes Composition – 세포내막계로 가수분해 효소 간직 Function: phagocytosis 과립으로 염색 됨 https://www.genome.gov/dmd/img.cfm?node=Photos/Graphics&id=85195 29

√ Microfilaments(미세섬유): 세포골격 필라멘트 구성 - 직경: 5 nm 수준 - actin과 myosin으로 구성 위치 - 핵막과 세포막 가까이에 기능 - 세포분열 지원 - 세포골격 지지 - 세포이동 지원 http://medsci.indiana.edu/histo/docs/struct2.htm 30

√ Microtubules (미세소관) 구성 - 가운데가 빈 형태로 직경: 25 nm 위치 - 세포표면 가까이에 기능 - Tubulin으로 구성 위치 - 세포표면 가까이에 기능 - 세포형태 유지 - 방추사 형성 - 세포소기관의 이동 https://en.wikipedia.org/wiki/Microtubule#/ media/File:Microtubule_structure.png 31

 √ 중심체 (중심소체) 구성 - 3개 씩의 미세소관들로 구성된 9개 다발로 이루어진 중심소체: 중심소체 두 개가 서로 직각형태로 만나 중심체형성 위치 - 세포질내 핵 가까운 곳에 기능 - 미세소관조직화 센터 (MTOC*) - 방추사 결합하여 유사분열 유도 - 세포주기 진행 조절 *: microtubule organizing center micro.magnet.fsu.edu/.../centriolesfigure1.jpg mi www.uic.edu/classes/bios/bios100/labs/mitosis.htm 32

√ Hematopoietic Microenvironment (조혈미세환경) BM에서 줄기세포의 자기복제, 증식, 분화, 세포자멸을 돕고, 발달 중인 전구세포들을 지원 함 이러한 미세환경은 특화된 섬유모세포, 그물세포, 내피세포, 지방세포, 림프구, 대식세포, 골모세포, 골파괴세포 등으로 이루어지는 기질(버팀질)세포 등에 의해 이루어 짐 즉, 기질세포 (fibroblast)들이 다양한 cytokine등을 분비하여 세포외기질(extracellular matrix, ECM)을 형성함으로써 조혈세포들의 증식과 분화를 위한 특수한 미세환경 이룸

Cell Cycle (세포주기) √ Cell cycle 의 4 단계: Cell cycle은 유사분열과정에서 DNA를 복제하여 동일한 두 개의 딸 세포를 만든다 √ Cell cycle 의 4 단계: G1(gap 1): 세포 성장 (Cell growth in mass), 복제를 위해 필요한 소기관들의 준비(합성) S(synthesis): DNA 합성 일어남 G2(gap 2): 유사분열에 앞서 적절한 DNA복제가 있었는지, DNA 손상은 없는지 점검 M(mitosis): 염색체와 세포질 분열이 일어 남 G0(quiescence): 세포분열 없는 휴지상태

Cell cycle and Check points  √ Fig 6-5. Stages of cell cycle. Keohane EM et al. Hematology-Clinical Principles and Applications, Elsevier, 2016, p71

비정상 세포 또는 돌연변이 세포들이 세포주기에 진입하지 못하도록 세포주기조절기전이 필요 함 Cell Cycle – Cont’d 비정상 세포 또는 돌연변이 세포들이 세포주기에 진입하지 못하도록 세포주기조절기전이 필요 함 세포주기 통제에서는 Cyclin/CDK* 복합체가 주요기질을 인산화 함: G1: cyclin D 1,2,3 / CDK 4, 6 S : cyclin E / CDK2 G2: cyclin A/CDK2 M : cyclin B/CDK1 *: CDK: cyclin-dependent kinases (cyclin: 세포주기진행 조절단백질) CDK: cyclin-dependent kinases

CDK1 CDK4/6 CDK2 https://www.boundless.com/biology/textbooks/boundless-biology-textboo

종양억제단백은 checkpoint의 정상적 기능에 꼭 필요 함 √ p53은 G1국면에서 DNA손상검출하여 세포자멸유도 역할 Cell Cycle – Cont’d 종양억제단백은 checkpoint의 정상적 기능에 꼭 필요 함 √ p53은 G1국면에서 DNA손상검출하여 세포자멸유도 역할 많은 종양억제유전자들이 밝혀지고 있음. 종양억제유전자들에 돌연변이가 나타나거나 결실이 나타나면, 비정상세포들이 세포주기에 진입하여 결함있는 세포들의 복제가 지속 됨

√ Apoptosis (세포자멸) Cell Death(세포사멸) Necrosis (세포괴사) 세포내부경로(internal pathways)활성화에 의한 세포사멸 세포 스트레스, 돌연변이, 비정상 성장조건에 의한 세포사멸 Necrosis (세포괴사) 세포 외적 손상(external damage)에 의한 세포파괴