background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

Objectives 

 

state the types of bone marrow  

 

Identify the major sites of hematopoiesis in the fetus and normal 
adult. 

 

outline the compartments of red bone marrow  

 

describe the  types and distinctive characteristic of stem cells 

 

know the differences between stem cells, progenitor cells, blast cells 
and mature cells 

 

Review the stem cell theory of hematopoiesis. 

 

Discuss growth factors involved in the stimulation and regulation of 
hematopoietic activity. 

 

Review maturation stages of each cell lineage, including changes that 
occur as cells mature. 

Bone marrow : Is a soft connective tissue occupies the medullary cavity of 
long bones and all the spaces between the trabeculae of spongy bone. It 
accounts for approximately 5% of the body weight in humans  

Two varieties of marrow are recognized  

 

Red marrow     

 

Yellow marrow 

Red marrow

  

is the 

only site

 for genesis of blood cells in adults  and it Is the 

only type

 found in fetal and young  bones but in adult it is restricted to the 

vertebrae , sternum , ribs , cranial bones and epiphysis of long bones 

  Childhood- red marrow is 

100%

 of bone marrow and present in 

virtually every bone.  

  Adults- red marrow is 

50%

 of bone marrow presenting  in sternum, 

ribs, pelvis and skull.   

  70 years- red marrow reduced to 

30%

 of the bone marrow.   

Consists in main of fat cells which have gradually replaced the other 
marrow  elements. 
With an adequate stimulus, yellow marrow may resume the character of 
red marrow and play an active role  in the process of blood development . 


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

has   

  A vascular compartment   and   
  An extravascular compartment  

Vascular compartment  

Is supplied by a nutrient artery which branches into central longitudinal 
arteries which send out radial branches that eventually open into sinuses. 
These sinuses converge into a central vein that carries the blood out of the 
bone marrow into the general circulation 
 The marrow does not have lymphatic drainage  

Extravascular compartment  

Is composed of :  

1.  Stroma of reticular connective tissue 

   reticular tissue (  reticular cells, .Reticular fibers ) 
  macrophages and adipose cells 
  Matrix 

2.  hematopoietic cords 
3.  sinusoidal capillaries  

Reticular cells  

Stellate in shape and are in contact with each other along extended cellular 
processes.  
Function of reticular cells: 

 

Act as a meshwork to support and protect the haemopoietic cells  

 

Formation of reticular fibers  

 

Phagocytosis  

 

They transfer to adipocytes by accumalating lipid in their contents 

Matrix Contain: 

  collagen type I , III 
  laminin , 
  fibronectin and  
  proteoglycan  

Laminin, fibronectin, and another cell-binding substance, hemonectin, 
interact with cell receptors to bind cells to the stroma. 
 
The sinusoids are formed by a discontinuous layer of endothelial cells. 


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

Sinusoidal capillaries  

An external discontinuous layer of reticular cells and a loose net of reticular 
fibers reinforce the sinusoidal capillaries. 

Bone marrow barrier:

 The blood vessels of the bone marrow constitute a 

barrier, inhibiting immature blood cells from leaving the marrow. Only 
mature blood cells contain the membrane proteins required to attach to 
and pass the blood vessel endothelium. Hematopoietic stem cells may also 
cross the bone marrow barrier, and may thus be harvested from blood. 

are pluripotential cells capable of self-renewal.  Some of their daughter 
cells form specific, irreversibly differentiated cell types, and other daughter 
cells remain stem cells.  
They  

 

retain the ability to renew themselves through mitotic cell division  

 

can differentiate into a diverse range of specialized cell types.  

 

 found in all multi-cellular organism . 

Two broad types of mammalian stem cells  

1. Embryonic stem cells that are found in blastocysts  
2. Adult stem cells that are found in adult tissues   

Embryonic Stem Cells  

are derived from the inner cell mass of the embryo.   Because these cells 
are pluripotent and can virtually form  any cell or tissue type, they have the 
potential for curing a variety of diseases, including diabetes, Alzheimer and 
Parkinson diseases, anemias, spinal cord injuries, and many others.  
ES cells may be obtained 

1.  reproductive cloning.  

ES cells may be obtained from embryos after in vitro fertilization.  
This approach has the disadvantage that  

  the cells may cause immune rejection, since they would not be 

genetically identical to their hosts.  

  Another issue with this approach is based on ethical considerations, 

since the cells are derived from fertilized viable embryos. 

2.  therapeutic cloning 

 (somatic nuclear transfer) 

take nuclei from adult cells (e.g., skin) and introduce them into enucleated 
oocytes.  


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

Oocytes are stimulated to differentiate into blastocysts, and ES cells are 
harvested. 
Since the cells are derived from the host, they are compatible genetically 
and since fertilization is not involved, the technique is less controversial 

Adult Stem Cells 

Adult tissues contain stem cells that also may prove valuable in treating 
diseases. 
 These cells are restricted in their ability to form different cell types and, 
therefore, are multipotent, not pluripotent.  
Adult stem cells isolated from rat brains have been used to cure Parkinson 
disease in rats, suggesting that the approach has promise.  

Disadvantages of the approach include  

  the slow rates of cell division characteristic of these cells and 
  their scarcity, which makes them difficult to isolate in sufficient 

numbers for experiments. 

Hematopoiesis 

takes place in the extravascular compartment  
The currently accepted theory on how this process works is called the 
monophyletic theory which simply means that a single type of stem cells 
gives rise to all mature blood cells in the body. 
 This stem cells is called the pluripotential stem cells. 
It is believed that all blood cells arise from a single type of stem cell in the 
bone marrow . It is called a pleuripotential stem cell because it can porduce 
all blood cell types . 
Pleuripotential stem cell proliferate and form 
 1. lymphoid multipotential cells:  one cell lineage that will become 
lymphocytes .  
2.  myeloid multipotential cells : another lineage  that will form the myeloid 
cells ( granulocytes, monocytes, erythrocytes and megakaryocytes)   
 
 
 
 
 
 


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

Site of hematopoiesis

 

 

yolk sac then liver

 

Embryo 

 

Spleen

 

3

rd

- 7

th

 months

 

marrow cavity - esp. granulocytes and platelets

 

4

th

& 5

th

 months

 

marrow cavity 

– erythrocytes

 

7

th

 month 

 

mostly bone marrow; spleen and liver when 
needed

 

Birth 

 

number of active sites in bone marrow 
decreases but retain ability for hematopoiesis

 

Birth to maturity 

 

bone marrow of skull, ribs, sternum, vertebral 
column, pelvis, proximal ends of femurs

 

Adullts

 

  Hematopoiesis depends on 

  favorable microenvironmental conditions and  
  the presence of growth factors.  

The microenvironmental conditions are furnished by cells of the stroma of 
hematopoietic organs, which produce an adequate extracellular matrix. 

  A general view of hematopoiesis shows that both the potential for 

differentiation and the self-renewing capacity of the initial cells gradually 
decrease.  

  the mitotic response to growth factors gradually increases, attaining its 

maximum in the middle of the process.  

  From that point on, mitotic activity decreases,  morphological 

characteristics and functional activity develop, and mature cells are 
formed 

stem cells: 

Progenitor cells : 

This cell  can produce all blood cell 
types 

Could be unipotential or bipotential 

Low mitotic activity 

High mitotic activity 

Self renewing 

Self renewing 

Scarce in the bone marrow 

Common in marrow and lymphoid 
organs 

Cannot be morphologically 
distinguished ( resemble large 
lymphocyte ) 

Cannot be morphologically 
distinguished ( resemble large 
lymphocyte )  
 

Age 

 


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

 
 

Precursor cells( blast ): 

Mature cells : 

Monopotential cells 

 

High mitotic activity 

No mitotic activity 

Not self renewing 

 

Common in marrow and lymphoid 
organs 

Abundant in  the blood and 
haematopoietic organs 

Beginning of morphologic 
differentiation 

Clear morphologic differentiation 

Hematopoiesis is a compartmentalized process within the hematopoietic tissue 

  erythropoiesis taking place in distinct anatomical units (erythroblastic 

islands);  

  granulopoiesis occurs in less distinct foci 
  megakaryopoiesis occurs adjacent to the sinus endothelium.  

Upon maturation, the hematopoietic cells, regulated by the reticular cells, 
traverse the wall of the venous sinuses to enter the bloodstream 

o  Leukocytes, after the action of releasing substances, cross the wall of the 

sinusoid by their own activity. 

o  Because erythrocytes (unlike leukocytes) do not have sufficient motility to 

cross the wall of the sinusoid, they are believed to enter the sinusoid by a 
pressure gradient that exists across its wall.  

o  Megakaryocytes form thin processes (proplatelet processes) that cross 

the wall of the sinusoid and fragment at their tips, liberating the platelets. 

 

MATURATION OF ERYTHROCYTES 

Mainly regulated by erythropoietin released by thekidneys;  
also influenced by androgens 

) : large cell , rounded nucleus coarse 

chromatin , visible nucleoli, intense basophilia of the cytoplasm    
Maturation of erythrocytes 

(basophilic normoblasts) : condensed nucleus , no visible nucleoli , strongly 
basophilic cytoplasm because of free ribosomes and polyribosomes.  


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

mixed color cytoplasm purplish blue to grey  

: the amount of haemoglobin is the 

same as that of erythrocyte . Nucleus with dense and compact chromatin -------
--pyknotic --------- extruded from the cell with a thin rim of cytoplasm and 
plasma membrane  
 

: youngest erythrocyte containing a delicate reticulum  

     the clumped ribosomes responsible for the distinctive staining of the 
reticulocytes are 
     degraded within 24 hours 
9. 

anucleated and biconcave in peripheral blood   

 

Several major changes take place during maturation of erythrocyte

 

1. cell volume decreases  
2. nucleoli diminish in size until they become invisible  
3. nuclear diameter decrease and chromatin increase until the nucleus become 
pyknotic and extruded from the cell  
4. gradual decrease in the number of polyribosomes ( basophilia )with a 
simultaneous increase in the amount of haemoglobin( acidophilic protein )  
.5mitochondria and other organelles gradually disappear 

GRANULOPIOSIS 

Regulated by GM-CSF 
1. pluripotential stem cells  
2. myeloid multipotential stem cells  
3. granulocyte colony forming cell  
4. Myeloblast
:  
ovoid nucleus with 2 or more nucleoli , basophilic cytoplasm (abundance of 
RER and ribosomes ) 
5. Promyelocyte:  
round or oval nucleus , occasionally indented , basophilic cytoplasm containing 
azurophilic granules ( lysosomal enzyme and myeloperoxidase )  
6. Myelocyte: appearance of specific granules and the developing myelocytes 
can be distinguished into 3 types :  

  Neutrophilicmyelocyte 
  Acidophilic myelocyte 
  Basophilic myelocyte 

 


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

7. Metamyelocyte : 
 nuclei irregular in shape known as band form , cytoplasm with increasing free 
ribosomes , mitochondria and RER .  

  Neutrophilicmetamyelocyte 
  Acidophilic metamyelocyte 
  Basophilic metamyelocyte 

 
8. Mature granulocyte :  

: horse 

–shoe or S- shaped nucleus  

Acidophil : nucleus with 2 lobes , common in connective tissue of certain 
organs ( intestine epithelium )  
B a s o p h i l  : nucleus is large , irregular  
 

AZUROPHILIC GRANULES 

SPECIFIC GRANULES 

1st appear in promyelocyte 

1

st

 appear in myelocyte 

Derived from the inner cisternae of 
Golgi complex 

Derived from an outer cisternae of 
Golgi complex 

Decrease in number with frequent 
division and maturation 

Increase in number with maturation 

They 

are lysosomes , it’s 

histochemical structure 
myeloperoxidase and acid 
phosphatase 

neutrophil contain alkaline 
phosphatase and antibacterial 
lysozyme  
Acidophil contain sulphatase , 
peroxidase and histaminase  
Basophil contain heparin and 
histamine   

 

MEDICAL APPLICATION

 

The appearance of large numbers of immature neutrophils (band cells) in the 
blood is called a shift to the left and is clinically significant, usually indicating 
bacterial infection. 
 

MONOPOIESIS 

Maturation of monocytes is regulated by GM-CSF 
Maturation of monocytes  


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

 

 large cell 18 micrometer in diameter , slightly indented nucleus with lacy 
chromatin and evident nucleoli , basophilic cytoplasm  
6. Monocyte :  
indented nucleus  
cytoplasm contain large amount of RER, extensive Golgi complex and granule 
condensation. These granules are primary lysosomes, which are observed as 
fine azurophilic granules in blood monocytes.  
Monocytes migrate into the circulation where they remain for about 8 hours 
before migrating into the connective tissue 
 in the connective tissue they increase in size, acquire multiple lysosomes and 
becomeactive in phagocytosis (macrophages) 
life span of macrophages in different tissues may be up to several months 
 
 

 
LYMPHOPOIESIS 
Maturation of lymphocyte  

1. Pluripotential cell  
2. Lymphoid multipotential cells : migrate to lymphoid organs  
3. Lymphocyte colony forming cell  
4. Lymphoblast 
:  

large cells , large nucleus with prominent nucleoli ,  
basophilic cytoplasm 
capable of incorporating [3H]thymidine and dividing two or three times to form 
prolymphocytes 

5. Prolymphocyte

:  

smaller with condensed chromatin ,nucleoli less obvious ,  
few azurophilic granules appear in the cytoplasm ,  
no cell surface receptor that mark them as T or B lymphocyte   

6. B and T lymphocytes :  

in the thymus or bone marrow , these cells synthesize cell surface receptors 
but  they are not recognized as distinct cell types using routine histological 
procedure . 
 They can be recognized by immunohistochemistry  

Embryo

 


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

10 

 

 
MEDICAL APPLICATION: 
Leukemias are malignant clones of leukocyte precursors. 
 They occur in  

  lymphoid tissue (lymphocytic leukemias)  

  bone marrow (myelogenous and monocyticleukemias).  

In these diseases, there is usually a release of large numbers of immature 
cells into the blood.  
The symptoms of leukemias are a consequence of this shift in cell proliferation, 
with a lack of some cell types and excessive production of others (which are 
often abnormal in function). The patient is usually anemic and prone to 
infection. 

THROMBOPOIESIS 

Maturation of platelets is regulated by thrombopoietin   (TPO).  Mainly 
produced by the liver 

:  

large cell ( 15-50 micrometer ) , large ovoid or kidney shaped nucleus with 
numerous nucleoli ( DNA 30X as much as a normal cell ) , cytoplasm is 
homogenous and basophilic  

giant cell ( 35-150 micrometer), irregular lobulated nucleus , coarse chromatin , 
no visible nucleoli ,  
Cytoplasm contain numerous mitochondria RER, extensive Golgi complex , 
conspicuous granules contain biologically active substances such as platelet 
derived growth factor , fibroblast growth factor  
The demarkation membranes arise from numerous invaginations of the plasma 
membrane through out the cytoplasm   
Electron micrographs indicate that megakaryocytic cytoplasm can fragment  
through the formation of tiny channels arising from rows of vesicle.  
The vesicles fuse with their neighbors and establish continuity with the cell 
membrane, producing an extensive system of tubular platelet demarcation 
channels that subdivide the cytoplasm into  hundreds of platelets each with its 
covering 

Medical application

:  In certain forms of thrombocytopenic purpura, a disease 


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

11 

 

in which the number of blood platelets is reduced, the platelets appear to be 
bound to the cytoplasm of the megakaryocytes, indicating a defect in the 
liberation mechanism of these corpuscles. The life span of platelets is 
approximately 10 days

 

CLINICAL EVALUATION

  

Tests of bone marrow function  

  Bone marrow aspiration-   cytology and maturation  
  Bone marrow biopsy-       cellularity and architecture   

Bone marrow transplantion  (or hematopoietic stem cell transplantation)  
is a very complicated and risky process, and therefore applied only to patients 
with life-threatening diseases (who are resistant to chemotherapy).  
Mostly patients with congenital neutropenia, aplastic anemia, sickle-cell 
disease, neuroblastoma, lymphoma and many other diseases are treated by 
stem cell / bone marrow transplantation. 

  Autologous hematopoietic stem cell transplant  

 

Autologous HSCT requires the extraction of haematopoietic stem cells (HSC) 
from the patient and storage of the harvested cells in a freezer.  
The patient is then treated with high-dose chemotherapy with or without 
radiotherapy with the intention of eradicating the patient's malignant cell 
population at the cost of partial or complete bone marrow ablation (destruction 
of patient's bone marrow function to grow new blood cells).  
The patient's own stored stem cells are then returned to his/her body, where 
they replace destroyed tissue and resume the patient's normal blood cell 
production 
 

 

Allogeneic hematopoietic stem cell transplan

t  

Allogeneic HSCT involves two people: the (healthy) donor and the (patient) 
recipient. Allogeneic HSC donors must have a tissue HLA 

– human leukocyte 

antigene - type that matches the recipient. 
Sources of hematopoietic stem cells 

 

: in the case of a bone marrow transplant, the HSC are 

removed from a large bone of the donor, typically the pelvis, through a 
large needle that reaches the center of the bone. The technique is 
performed under general anesthesia. 

 

 are 

now the most common source of 

stem cells for allogeneic HSCT. They are collected from the blood 


background image

BONE MARROW                                                                               
PROF. DR. MALAK A. AL-YAWER

 

2012 

 

12 

 

through a process known as apheresis. The donor's blood is 
withdrawn through a sterile needle in one arm and passed through a 
machine that removes white blood cells. The red blood cells are 
returned to the donor. The peripheral stem cell yield is boosted with 
daily subcutaneous injections of Granulocyte-colony stimulating factor, 
serving to mobilize stem cells from the donor's bone marrow into the 
peripheral circulation. 

 

: It is also possible to extract hematopoietic stem cells 

from amniotic fluid for both autologous or heterologous use at the time of 
childbirth. 

 

: Umbilical cord blood is obtained when a mother 

donates her infant's Umbilical Cord and Placenta after birth. Cord blood 
has a higher concentration of HSC than is normally found in adult blood.    

 
 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 130 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل