Patologia cellulare e fisiopatologia

Patologia cellulare e fisiopatologia

Meccanismi di danno e di adattamento cellulare

• Il danno cellulare;
• Lo stress ossidativo e le risposte cellulari allo stress;
• Adattamenti cellulari della crescita e del differenziamento: atrofia, ipertrofia, iperplasia, metaplasia, displasia;
• La morte cellulare: classificazione (m. accidentale, regolata, programmata) e modalità (necrosi, apoptosi, altre);
• Accumuli intracellulari ed extracellulari;
• Esempi di lesione cellulare: il danno ischemico-ipossico e la risposta cellulare; danno da ischemia-riperfusione; danno tossico;
• Metodi di studio del danno e della morte cellulare;

Risposta tissutale al danno

• Infiammazione acuta: fenomeni, cellule, mediatori;
• Esiti dell'infiammazione acuta: risoluzione e cronicizzazione;
• I segni sistemici della risposta infiammatoria;
• Infiammazione cronica, granulomi; fibrosi;
• Disordini della risposta infiammatoria;
• Tecniche di laboratorio nello studio dell'infiammazione;
• I meccanismi emostatici: fase piastrinica e fase plasmatica;
• Malattie emorragiche e CID;
• Trombosi, Embolia, Infarto;
• Tecniche di laboratorio per la valutazione di laboratorio dell'emostasi;
• L'aterosclerosi;
• La riparazione tessutale e le sue alterazioni;

Immunologia e immunopatologia

• Caratteristiche e cellule dell’immunità innata e specifica;
• Anatomia e funzioni dei tessuti linfoidi. Ricircolazione e “homing” dei linfociti;
• Antigene ed anticorpo. Struttura e funzioni delle classi anticorpali;
• Maturazione dei linfociti e generazione del repertorio dei recettori per l’Ag (BCR e TCR);
• Il complesso maggiore di istocompatibilità (MHC). Cellule APC e processazione dell’antigene;
• Dei linfociti T e dei linfociti B. Meccanismi effettori dell’immunità umorale e cellulo-mediata:
• Attivazione classi di linfociti T, risposta anticorpale primaria e secondaria;
• Tolleranza immunologica;
• Difese immunitarie verso i microbi. Infezione da SARS-CoV-2 e COVID-19. Meccanismi di evasione dei microbi alla risposta immunitaria. Vaccinazione;
• Risposta immunitaria verso i tumori;
• Risposta immunitaria verso i trapianti;
• Immunodeficienze;
• Ipersensibilità;
• Tolleranza immunologica e patogenesi delle malattie autoimmuni;
• Tecniche di laboratorio nelle patologie immunitarie;

Argomenti di fisiopatologia

• Fisiopatologia del diabete mellito;
• Fisiopatologia dell'omeostasi del Ca e del P;
• Fisiopatologia endocrina;
• Fisiopatologia epatica.

Patologia

Letteralmente: “Studio (logos) della sofferenza (pathos)”.

Studia i meccanismi di base attraverso i quali cellule e tessuti rispondono agli stimoli anomali che sono alla base delle malattie.

Patologia generale.

Studia le conseguenze a livello di organo dei meccanismi di base attraverso i quali cellule e tessuti rispondono agli stimoli anomali.

Patologia sistemica.

Concetto di omeostasi

Stato fisiologico dell’organismo, inteso come la risultante di un fine equilibrio omeostatico.

Omeostasi: di tutta una serie di processi il cui mantenimento è controllato da molteplici meccanismi.

Stato di salute: insieme di equilibri omeostatici, la cui integrazione e valore complessivo assicurano quella condizione di equilibrio più idoneo alla sopravvivenza.

Controllo dell’omeostasi: rappresenta la capacità dell’organismo nel suo insieme o di sue componenti di conservare costanti, o variabili entro certi limiti, i parametri biochimici e/o funzionali in modo che questi concorrano al buon funzionamento dell’organismo nel suo insieme.

“Qualsiasi malattia origina da una alterazione della cellula” Rudolf Virchow (1821-1902), considerato il padre della moderna patologia.

Malattia: ogni deviazione comunque rilevabile della condizione omeostatica.

Fattori patogeni o cause di malattia: stimoli esogeni e difetti endogeni in grado di alterare la condizione omeostatica.

Eziologia: disciplina che studia le cause di malattia.

Patogenesi: meccanismo d’azione con cui le cause agiscono.

La patologia generale è la disciplina che studia il perché (eziologia) e il come (patogenesi) viene alterato lo stato di salute e hanno origine le malattie.

La malattia può essere studiata a diversi livelli: di popolazione (epidemiologia) di individuo (medicina clinica) di organo o sistema (fisiopatologia) di tessuto (istopatologia) di cellule (citopatologia) di organelli (biochimica) di geni (biologia molecolare) di molecole (biofisica).

Eziologia: le cause

I fattori eziologici possono essere:

• Intrinseci, o genetici;
• Acquisiti, da cause:
• Fisiche;
• Chimiche;
• Alimentari;
• Biologiche.

Il danno cellulare

Cause di danno cellulare

• Agenti fisici (traumi meccanici, radiazioni, variazioni di temperatura);
• Agenti chimici (metalli pesanti, veleni, inquinanti ambientali, insetticidi, prodotti industriali, farmaci);
• Agenti infettivi (virus, batteri, parassiti, funghi);
• Alterazioni nutrizionali (carenze nutrizionali come Fe e vitamine, eccessi alimentari);
• Radicali liberi;
• Alterazioni genetiche (geniche e cromosomiche);
• Reazioni immunologiche (ipersensibilità, reazioni autoimmuni);
• Ipossia e ischemia.

Tutti questi fattori di stress sono in grado di alterare, direttamente od indirettamente, la conformazione tridimensionale e la funzione delle macromolecole.

Le strutture cellulari sensibili agli agenti di danno sono le membrane e gli organuli (mitocondri, RE, lisosomi).

• La condizione di stress causa di danno cellulare, può variare in intensità e durata.
• Una alterazione cellulare permanente può causare la morte della cellula.
• Al contrario stimoli sub-letali continui, determinano una risposta che porta ad un adattamento delle cellule all’ambiente ostile. I cambiamenti che ne conseguono sono, per la massima parte, reversibili dopo la cessazione dello stimolo.
• I limiti tra cambiamento fisiologico e situazione patologica non sono rigidi.
• Durata del danno.
• Natura del danno.
• Numero di cellule colpite.

Gli effetti di un danno cellulare dipendono da: tipo di cellule colpite; capacità rigenerativa delle cellule.

Esempi: danno ipossico; esposizione a CCl4; ipertensione arteriosa miocardica.

L’ipertrofia come esempio di adattamento in seguito a condizione di stress (aumento della pressione sanguigna in un soggetto iperteso). Lo sforzo meccanico più intenso da parte delle cellule miocardiche determina un ispessimento delle pareti del ventricolo sinistro.

L’ischemia come esempio di morte cellulare in seguito a condizione di stress severa e prolungata.

Risposta heat shock e heat shock proteins (HSPs)

Le proteine da shock termico sono molecole che si accumulano in cellule esposte a condizioni di stress, come un incremento di alcuni gradi della temperatura, da cui il nome. La loro funzione è di proteggere le cellule da possibili danni proteggendo le proteine dalla denaturazione.

Le HSPs in condizione fisiologiche partecipano al normale ripiegamento delle proteine neosintetizzate nella corretta struttura terziaria.

In condizioni di stress cellulare la sintesi delle HSPs aumenta enormemente, indotta da specifici fattori trascrizionali inducibili detti Heat Shock Factors (HSF), che legano sequenze a livello dei promotori dei geni heat shock.

Le HSPs, di cui esistono vari tipi classificati sulla base del peso molecolare: HSP90, HSP70, HSP60, HSP27, hanno la funzione di riconoscere le proteine danneggiate, unfolded o glicosilate, e ripararle. Se il danno è troppo esteso, le proteine danneggiate vengono legate all'ubiquitina che le marca e le prepara alla degradazione nel proteasoma.

Modalità di risposta cellulare al danno

Normale omeostasi cellulare: la cellula svolge le sue funzioni seguendo un programma genetico modulato dagli stimoli che la circondano. Quando una condizione di stress arriva a perturbare questo equilibrio, la cellula può rispondere in diversi modi:

• Danno reversibile se lo stimolo non è troppo intenso o di durata troppo lunga;
• Adattamento cellulare (atrofia, ipertrofia, iperplasia, metaplasia);
• Danno irreversibile morte cellulare (apoptosi, necrosi, ecc.);
• Depositi.

Meccanismi di danno cellulare

Indipendentemente dall’agente scatenante le principali alterazioni biochimiche si verificano in alcuni distretti principali della cellula.

Le alterazioni biochimiche precedono le modificazioni morfologiche del danno cellulare.

1. Deplezione di ATP

Cause: danno ipossico, danno chimico (esposizione a sostanze tossiche, es. cianuro), deficit di nutrienti.

Conseguenze: riduzione dell’attività delle pompe ATP-dipendenti di Na+/K+ e Ca+, con accumulo di Na+ e Ca+ nel citoplasma; rigonfiamento cellulare per osmosi. Riduzione del pH intracellulare e riduzione delle attività enzimatiche; riduzione della sintesi proteica; accumulo di proteine denaturate a livello del RE.

2. Danno mitocondriale

Cause: danno ipossico, aumento di Ca+, esposizione a ROS.

Conseguenze: formazione del poro di transizione della permeabilità mitocondriale, con crollo del potenziale di membrana e blocco della fosforilazione ossidativa; aumento della produzione di ROS; induzione di apoptosi mediante la via intrinseca.

3. Stress ossidativo: accumulo di ROS

Cause: danno chimico, da radiazione, da ischemia-riperfusione, invecchiamento cellulare, fagocitosi.

Conseguenze: perossidazione lipidica; ossidazione delle proteine cellulari; danni al DNA.

I radicali liberi sono atomi o molecole che possiedono un elettrone spaiato nell’orbitale più esterno.

Sono instabili.

Sono molto reattivi: gli elettroni spaiati sono intensamente reattivi e modificano sostanze chimiche organiche o inorganiche (proteine, lipidi, carboidrati, acidi nucleici); tendono ad avviare reazioni a catena: le molecole che reagiscono con i radicali liberi sono esse stesse trasformate in radicali liberi e propagano il danno a catena.

Le specie reattive dell’ossigeno (ROS) sono radicali liberi che si originano dall’ossigeno, generalmente durante la respirazione mitocondriale.

Le cellule possiedono sistemi di detossificazione per l’eliminazione dei ROS. L’accumulo di queste molecole in seguito a stimoli dannosi induce la condizione di stress ossidativo.

Generazione di radicali liberi

A) Assorbimento di energia radiante (es. raggi UV, raggi X).

B) Reazioni di ossido-riduzione che avvengono durante i normali processi metabolici (es. riduzione di O2 nella respirazione).

Il radicale idrossile OH• è la specie molecolare più reattiva che può essere prodotta nelle cellule e l’agente biologico ossidante più potente. A causa della sua instabilità può causare danno a numerose strutture cellulari.

C) I metalli di transizione (es. Fe, Cu, Zn), che possono cambiare valenza, partecipano ai trasferimenti di elettroni come accettori o donatori.

D) Metabolismo enzimatico di sostanze chimiche esogene e farmaci.

E) L’NO (ossido di azoto o ossido nitrico), un importante mediatore chimico generato da cellule endoteliali, macrofagi, neuroni e altri tipi cellulari, è un forte ossidante e può essere trasformato in ONOO- (anione perossinitrito). Può inoltre originare radicali reattivi (RNS), come: NO2• e NO3- •.

Nell’azione dei radicali liberi si possono distinguere tre fasi:

A) Innesco: consiste nella formazione di RL con uno dei meccanismi descritti precedentemente.

B) Propagazione: reazione di trasferimento del radicale su altri atomi o gruppi.

N.B. Il numero dei RL prima e dopo la reazione rimane invariato.

C) Arresto: la catena di reazioni termina quando i radicali che si propagano vengono rimossi per ricombinazione casuale con altri radicali di altre catene.

Stress ossidativo: accumulo di ROS

I ROS sono generati normalmente nel corso delle reazioni metaboliche cellulari:

• Durante la respirazione mitocondriale e la produzione di energia. In questo caso non sono causa di danno in quanto vengono immediatamente rimossi dai sistemi detossificazione cellulari. Durante la fosforilazione ossidativa circa il 4% dell’O2 non viene ridotto a H2O ma forma prodotti intermedi reattivi;
• Durante l’infiammazione all’interno dei fagociti attivati;
• In seguito all’azione di numerosi enzimi cellulari: NADPH ossidasi, Lipossigenasi, Mieloperossidasi, NADPH deidrogenasi, Citocromi, Prostaglandina H sintasi, ecc.

La produzione di ROS aumenta a livelli patologici:

• A seguito dell’assorbimento di energia radiante (radiazioni ionizzanti e UV). La radiazione ionizzante può idrolizzare l'acqua in radicali liberi OH• e idrogeno.
• Nei leucociti durante le reazioni infiammatorie.
• Nel danno ischemico da riperfusione, indotta mediante ripristino del flusso sanguigno nel tessuto ischemico.
• A seguito dell’esposizione a sostanze chimiche (fumo, metalli, inquinanti). Meccanismo di danno nei radicali liberi.

Meccanismi di detossificazione dei radicali liberi

Esistono due principali linee di difesa:

• Enzimi antiossidanti: eliminano i due reagenti principali, il radicale superossido e il perossido di idrogeno, bloccando la reazione di Haber-Weiss e la produzione del radicale OH• estremamente reattivo.
• Sostanze antiossidanti: possono bloccare le reazioni di formazione (innesco) dei radicali liberi oppure inattivare (scavengers) i radicali conducendo a reazioni di arresto.

a) Idrosolubili: ac. ascorbico (vit. C); glutatione.

b) Liposolubili: vitamina E (alfa-tocoferolo); beta-carotene (precursore della vitamina A); polifenoli e flavonoidi antociani ed antoxantine (frutta e verdura).

Lo stress ossidativo è implicato in un'ampia gamma di processi patologici, come: neoplasie; invecchiamento; alcune malattie degenerative come l'Alzheimer.

Mutazioni/alterazioni di SOD sono state implicate: invecchiamento; Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA).

Patologia neurodegenerativa fatale. SLA: graduale perdita di neuroni motori e paralisi progressiva. 4-6 persone su 100000. Circa 1/5: forma genetica familiare e il 20% presenta mutazioni in SOD1.

Carenza di G6PD

I globuli rossi carenti di G6PD non sono in grado di rispondere adeguatamente allo stress ossidativo rigenerando i livelli normali di NADPH e GSH. Di conseguenza il processo di denaturazione ossidativa è amplificato rispetto alle cellule normali e, specialmente in presenza di ossidanti esogeni, si verifica la lisi precoce degli eritrociti in circolo talvolta in proporzioni massicce. → Anemia.

4. Perdita dell’omeostasi del calcio

Cause: ischemia, esposizione a sostanze tossiche.

Conseguenze: apertura del poro di transizione della permeabilità mitocondriale, con deplezione di ATP; attivazione di enzimi Ca-dipendenti, come fosfolipasi (con conseguente danno alle membrane), endonucleasi, ATPasi (caduta dell’ATP); apoptosi, tramite meccanismo intrinseco ed attivazione diretta di alcune caspasi.

5. Danno di membrana

Cause: esposizione ai ROS; ridotta sintesi di fosfolipidi (es. in condizioni ipossiche); aumentata degradazione dei fosfolipidi (es. in seguito all’attivazione delle fosfolipasi in condizioni di aumento di Ca2+ citoplasmatico).

Conseguenze: il danno delle membrane mitocondriali causa l’apertura del poro di transizione della permeabilità mitocondriale, con deplezione di ATP; il danno della membrana plasmatica causa rigonfiamento cellulare per osmosi; rilascio di enzimi litici per rottura delle membrane lisosomiali.

6. Danni a DNA e proteine

Cause: sostanze chimiche, radiazioni, ROS.

Conseguenze: danno irreparabile al DNA e induzione di apoptosi. Risposta Heat Shock e sintesi di HSPs. Stress del RE.

Stress del reticolo endoplasmatico

Il corretto ripiegamento delle proteine cellulari è aiutato dalle chaperonine (HSPS). La sintesi delle chaperonine aumenta in condizioni di stress cellulare.

Le alterazioni biochimiche descritte precedono le modificazioni morfologiche del danno cellulare.

Sono stati individuati 4 bersagli particolarmente vulnerabili che sono causa di danno e morte cellulare:

• Membrana plasmatica;
• Mitocondri;
• Lisosomi;
• Citoscheletro.

Danno cellulare reversibile e irreversibile

Il "punto di non ritorno" superato il quale il danno diviene irreversibile resta ancora in gran parte indefinito.

L'irreversibilità è caratterizzata da 2 fenomeni:

1. Impossibilità di recuperare la disfunzione mitocondriale anche dopo che la lesione originaria sia stata risolta;
2. Profonde alterazioni nei meccanismi di permeabilità della membrana.

Danno reversibile: modificazioni adattative

• Stress acuto: rigonfiamento cellulare, degenerazione vacuolare, danno da ipossia (stadi precoci);
• Stress cronico: porta a forme di adattamento cellulare, iperplasia, ipertrofia, atrofia, metaplasia, displasia, accumuli intra/extra-cellulari.

Danno cellulare reversibile

Aumento del volume = edema cellulare, noto come rigonfiamento idropico (citoplasma chiaro e nucleo in posizione normale).

È causato dall’aumento del contenuto di acqua all’interno della cellula, dovuto all’ingresso di Na all’interno della cellula. La cellula risponde aumentando il volume di acqua per mantenere le concentrazioni isoosmotiche all’interno. È causato da un danno acuto e reversibile. Il liquido si accumula nel ER.

Morfologia del danno cellulare reversibile

• Rigonfiamento idropico;
• Formazione di vescicole (blebs) dalla membrana plasmatica che possono essere rilasciate;
• RE: si rigonfia, i ribosomi si dissociano dalla superficie;
• Rigonfiamento dei mitocondri;
• Modificazioni della cromatina.

Alterazioni reversibili: rigonfiamento idropico (es. avvelenamento epatico).

Danno epatico, alterazioni subcellulari: distacco dei ribosomi dal RE/rigonfiamento mitocondriale nel danno ischemico acuto.

Adattamenti cellulari della cresc