Fisiopatologia cellulare

Fisiopatologia cellulare

Patologia generale

La Patologia generale è una Scienza che studia:

• L’eziologia, cioè le cause responsabili della comparsa delle malattie, rappresentate da una serie di agenti esogeni di natura chimica, fisica o biologica, presenti nell’ambiente, e da un’altra serie di agenti endogeni, in grado di alterare l’integrità dell’organismo determinando in esso la comparsa di manifestazioni patologiche.
• La patogenesi, cioè i meccanismi con cui ciascuno degli agenti eziologici suddetti, direttamente o anche indirettamente, altera lo stato di salute.
• La reattività dell’organismo, cioè l’insieme dei meccanismi con cui questo reagisce a qualsiasi insulto che abbia turbato la sua integrità anatomica e funzionale.

2 Capitolo 1. Patologia generale

Eziologia

È possibile identificare il termine causa come: agente eziologico, fattore causale o “noxa”. Più praticamente corrisponde ad un fattore capace di indurre un effetto patologico quantificabile e rapportabile ad un “danno” morfo-funzionale di cellule, tessuti e/o organi.

L’Eziologia è la scienza che studia l’origine della causa unica o delle cause multiple responsabili di una manifestazione patologica. Le cause possono essere suddivise in prima istanza in cause esogene e in cause endogene:

• Cause intrinseche: malattie ereditarie.
• Cause estrinseche: fisiche: basse temperature, radiazioni, cause meccaniche, . . .
• Chimiche: acidi o basi, veleni, farmaci, . . .
• Biologiche: virus, batteri, miceti, parassiti, . . .
• Nutrizionali.

Per quanto riguarda gli effetti da esse indotti nell’organismo, le cause possono essere:

• Determinanti, quando da sole sono in grado di produrre una netta relazione con gli effetti.
• Coadiuvanti, quando facilitano l’azione di altre cause, pur essendo isolatamente incapaci di provocare l’effetto patologico.
• Insufficiente quando da sola non è in grado di provocare la malattia, ma necessita di altri fattori o concause per determinarla;

1.2. Eziologia e patogenesi 3

Figura 1.1: Cause dell’eziologia

Patogenesi

Sotto il termine di patogenesi si indicano i meccanismi responsabili della comparsa delle malattie, che vengono innescati dagli agenti eziologici e che sono direttamente responsabili della comparsa e della persistenza delle manifestazioni patologiche. La conoscenza dei meccanismi patogenetici innescati da un determinato agente eziologico è molto importante, in quanto, se ci si trova nell’impossibilità di intervenire direttamente sull’agente eziologico, rimane la possibilità di interferire sui meccanismi patogenetici.

4 Capitolo 1. Patologia generale

Manifestazioni morbose

Differenziazione delle manifestazioni morbose in relazione al loro grado di complessità biologica.

• Fenomeno morboso: processo elementare, come un’abrasione o un’escoriazione; in pochi giorni si ritorna allo stato di “restitutio ad integrum”.
• Processo morboso: qualcosa di più complesso perché vi operano una serie di meccanismi ed attori diversi, un esempio è l’infiammazione; situazione in rapido divenire.
• Stato morboso: situazione cristallizzata (stazionaria), ad esempio l’amputazione di un arto. Le attuali capacità della medicina rigenerativa aprono delle prospettive ma biologicamente denota una situazione statica, o permanente.
• Malattia: influenza, cimurro, . . . Sono il risultato della coesistenza di tanti processi patologici. È una condizione dinamica/evolutiva in cui vi è l’alterazione anatomo – funzionale di uno o più organi che turba l’omeostasi ed induce uno stato di reattività dell’intero organismo.

Patologia ambientale

Con patologia ambientale ci riferiamo all’effetto delle condizioni ambientali sugli organismi.

Col termine enviromental patology oggi giorno si intende lo studio degli effetti dei contaminanti ambientali degli organismi.

Variazione della pressione

L’aria atmosferica contiene principalmente: 78% azoto (gas inerte in forma biomolecolare molto stabile), 21% ossigeno. Si deve però ragionare in termini di gas: quest’ultimo si discioglie in un liquido in rapporto alla sua pressione parziale. Se io vado in quota l’ossigeno è sempre presente al 21%, cambierà però la sua pressione parziale e quindi si andrà in affanno. I problemi di respirazione arrivano quando la saturazione è all’incirca al 50%, cioè sui 4000 m slm. La saturazione (massima concentrazione possibile di soluto in una soluzione) è uno strumento indiretto per comprendere la capacità polmonare in condizioni normale, ecco perché gli scalatori, non potendo disporre di una camera iperbarica per ripristinare la giusta pressione, respirano ossigeno puro che avrà una pressione parziale uguale a quella presente a 1 atm. Al contrario una mancanza di ossigeno puro provoca ipossia ipossica e può portare a disfunzione di organi.

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6 Capitolo 2. Patologia ambientale

Tabella 2.1: Tutti i valori sono espressi in mmHg

Malattie da decompressione

Fa riferimento alle malattie da decompressione che accadono soprattutto per gli operatori subacquei. L’ossigeno si discioglie nel sangue, però la gran parte viaggia nel circolo legata all’emoglobina. L’azoto invece (liposolubile), essendo un gas inerte, quindi non reagente con varie molecole, si discioglie nel sangue o nei tessuti e raggiunge la sua pressione parziale.

Se un individuo da una maggiore pressione atm torna in modo rapido ad una pressione atmosferica basale, l’azoto non ha tempo di disperdersi nei polmoni e crea delle bolle. Quindi in un individuo avverrà la stessa cosa dello champagne, cioè un embolismo iperacuto con danni a livello cerebrale e polmonare. Per esempio quando si riaccendono i termosifoni dopo molto tempo bisogna spurgare l’aria, perché sennò forma bolle, ed una bolla all’interno di un tubo blocca la progressione del liquido, e così avverrà allo stesso modo del nostro circolo sanguigno, questa bolla è definita embolo gassoso. Questa è l’evenienza più drastica e pericolosa, poi c’è anche un’evenienza detta subacuta cronica in cui non si muore nel giro di pochi secondi poiché compaiono microbolle non sufficientemente grandi a bloccare il circolo, che colpiscono le articolazioni ma possono agire anche a livello cerebrale e sviluppano nell’individuo patologie come quella del “pugile anziano”.

È come se ci fossero microischemie a livello cerebrale. Tutto ciò avviene anche a livello cellulare oltre che a livello di organismo: il gas disciolto nella cellula forma bolle che fanno esplodere la cellula e formano quindi un embolismo.

Questo processo viene sfruttato nella sonicazione, in cui lo shake del preparato induce la cavitazione cellulare, quindi promuove la rigassificazione dei gas che sono disciolti in essa, ed ha un effetto esplosivo. Questa metodica viene usata in lab per lisare la cellula. Nella forma subacuta cronica subentra il danno dei radicali liberi che accomunano tantissime patologie.

Variazione della pressione 7

Narcosi da azoto

Per i sub al di là del problema di decompressione esiste un problema per cui l’azoto causa la cosiddetta narcosi o “euforia del subacqueo”. L’azoto può solubilizzarsi nel doppio strato fosfolipidico e ne altera la fluidità che porta a variazioni funzionali della membrana stessa, e quindi porta il sub ad uno stato di euforia temporanea, richiamando l’effetto del gas esilarante e di molti anestetici.

Tossicità da ossigeno

Un altro effetto delle immersioni a grandi profondità è la cosiddetta tossicità da ossigeno. La discriminante è la pressione parziale perché, per evitare la narcosi di azoto e la tossicità da ossigeno, si usano nelle miscele nelle immersioni (elio che sostituisce azoto); l’ossigeno è tossico a partire da 1.4 atm di pressione parziale, la soglia è di 60 m sott’acqua nella specie umana. Quindi a mano a mano che vado in profondità adeguo la miscela per far sì che la pressione parziale dell’ossigeno non superi 1.4, quindi più si scende più si toglie ossigeno. La tossicità di ossigeno si divide in 2 categorie: una è cerebrale (effetto Paul Bert), l’altra è polmonare (subacuta, si manifesta qualche ora dopo la risalita). In tutti e due i casi la patogenesi a livello cellulare è legata a specie reattive dell’ossigeno.

Ipobaropatie

L’ipobaropatia è anche un problema di chi compie viaggi ad alta quota, quindi spaziali, quindi con un pressione minore. Anche in questo caso la patogenesi non è molto chiara, hanno compiuto moltissimi esperimenti ed è trapelato che a determinate pressioni si creano danni al citoscheletro, da cui deriva la degenerazione dei neuroni. Questo è un danno strutturale che porta ovviamente alla morte della cellula, inoltre si è visto il coinvolgimento di neurotrasmettitori.

8 Capitolo 2. Patologia ambientale

Variazione accelerazione gravitazionale

Ci sono delle problematiche a carico del cito-scheletro e la cellula perderà la propria organizzazione. È stato indagato tutto questo per vedere l’effetto sulle cellule tumorali, ma per ora gli studi sono stati fatti in vitro. Questi studi avvengono in stazioni spaziali o con voli parabolici.

Variazione della temperatura

Le variazioni negative di temperature di per sé non sono un problema, le cellule possono essere conservate anche per anni a temperature basse, il loro metabolismo si ferma e permette una loro maggiore sopravvivenza. Il problema è quando arriviamo al punto di congelamento.

Il problema è che via via che la temperatura scende, dato che nella cellula ci sono più soluti rispetto all’ambiente extracellulare, si forma prima il ghiaccio all’esterno che all’interno della cellula.

Ghiacciandosi l’esterno la cellula si disidrata perché l’acqua uscirà per osmosi (essendosi ghiacciato tutto all’esterno, richiama acqua), così da alterare le fisiologiche funzioni cellulari. La strategia per evitare ciò sarà abbassare la temperatura in modo rapido, cosicché la cellula non avrà tempo di disidratarsi e avverrà il processo di vitrificazione: l’acqua non cristallizza e rimane in uno stato amorfo come il vetro. In questo modo scongelando la cellula con determinate precauzioni può tornare in vita.

Per quanto riguarda l’aumento della temperatura sopra una soglia gli effetti saranno solo dannosi, è incompatibile con la vita (tranne per i batteri termofili).

Tutte le strutture proteiche si denatureranno, se non si arriverà alla morte cellulare si comunque avrà un danno da denaturazione proteica.

Per descrivere ciò si definisce missfolding proteico che è causa spesso di patogenesi di alcune malattie.

Applicando shock termici si è scoperta l’azione di proteine cosiddette accompagnatrici (chaperone). Ci sono chaperonine e chaperoni, le chaperonine sono state scoperte nei batteri ma sono presenti anche in quegli organelli eucariotici che provengono dai procarioti, come mitocondri e cloroplasti. Una proteina mal ripiegata entra all’interno del complesso proteico delle chaperonine e attraverso interazioni idrofobiche si rimodella nel modo giusto.

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La funzione delle chaperonine è universale per ogni proteina. Negli eucarioti invece ci sono i chaperoni che possono agire sulle proteine native, avvolgendole e permettendo il suo corretto ripiegamento.

Nel caso ciò non fosse possibile le proteine vengono ubiquinate, cioè marcate e destinate alla degradazione proteosomica.

Figura 2.1: Il ruolo delle chaperonine nelle proteine native e denaturate

10 Capitolo 2. Patologia ambientale

Agenti fisici

Lesioni

Ci sono 2 modalità attraverso le quali le cellule ripristinano il loro continuum, che non si escludono a vicenda e possono essere concomitanti: una prevede la contrazione centripeta di filamenti di actina e miosina, l’altra è la riparazione per apporto di nuova membrana attraverso l’internalizzazione della membrana da sostituire o attraverso la veicolazione dei granuli.

Altre ipotesi affermano che avviene un processo per sostituire le membrane simile a quello che avviene nell’organismo per riparare delle ferite, quindi anche cellularmente si potrebbero formare delle croste temporanee. Quando c’è una ferita cellulare, il calcio tende ad entrare nella cellula. Il calcio è uno ione che si ritrova maggiormente all’esterno, quel poco calcio che è intracellulare è sequestrato nel reticolo endoplasmatico liscio e nei mitocondri. Nel citoplasma il calcio è un veleno, quando quest’ultimo entra nella cellula, essa muore perché blocca il flusso ionico.

12 Capitolo 3. Agenti fisici

In un contesto multicellulare quando ci sono ferite in singole cellule, la caderina (che normalmente si trova all’esterno della cellula) si miscela insieme al complesso actino-miosinico nel tentativo di ripristinare la integrità della membrana cellulare.

Figura 3.1: Il ruolo delle caderine nel ripristinare l’integrità di membrana

3.2. Radiazioni 13

Radiazioni

Una radiazione è trasporto di energia nella materia, può avere natura corpuscolare o ondulatoria. Quando parliamo di onde sono fondamentali dei valori che sono velocità di propagazione (data dal prodotto di lunghezza d’onda e frequenza) e della legge di Plank (l’energia trasmessa da una radiazione è data dal prodotto tra la costante di plank e la frequenza dell’onda). Da questi valori si possono trarre conclusioni quali:

• Onde lunghe bassa frequenza poca energia (ex. Onde radio) → →
• Onde brevi alta frequenza molta energia (ex. Raggi gamma) → →

c = λν

Figura 3.2: Dove ”c” sta per la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto, ”λ” per lunghezza d’onda e ”ν” per la sua frequenza.

E = eν

Figura 3.3: Dove ”E” sta per Energia della radiazioni, ”e” per la costante di Plank e ”ν” per la frequenza.

Effetti biologici delle radiazioni

Ad interagire con la materia vivente sono le radiazioni eccitanti. Particelle alfa e beta non riescono a penetrare la pelle, ma hanno grande energia. Possono provocare problemi quando riescono ad entrare nel corpo come, ad esempio, quando vengono inalate (ad essere inalata è la particella alfa/beta emettitrice).

Le radiazioni ultraviolette sono tossiche e si dividono in 3 tipi uvA, uvB, uvC, queste ultime sono le più nocive, ma sono filtrate da uno strato di ozono (esso stesso nato dall’interazione che i raggi uV hanno con l’ossigeno).

• UvA passano, il nostro corpo si difende con l’abbronzatura →
• UvB sono assottigliate →
• UvC sono completamente bloccate dall’ozono →

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14 Capitolo 3. Agenti fisici

Ad assorbire queste radiazioni sono i gruppi cromofori, che si dividono in:

• Endogeni – Epidermici: basi puriniche, pirimidiniche, melanina, amminoacidi aromatici, lipidi. . .
• Dermici: emoglobina, carotene, bilirubina, lipidi. . .
• Esogeni – Coloranti (tatuaggi), blu di metilene, farmaci, tossici, profumi, antibiotici, sulfamidici. . .

Ma cosa accade a questi gruppo cromofori nel momento in cui vengono eccitati? Ci sono diverse possibilità:

• Azione fotochimica diretta: si eccita il solo cromoforo (che al massimo emette calore verso le cellule circostanti).
• Fotosensibilizzazione: il cromoforo trasferisce energia alle cellule circostanti (non solamente calore).

In entrambi i casi però possiamo avere reazioni fototossiche quali:

• Reazioni fotodinamiche: con la presenza di O e formazione di ROS2.
• Reazioni non fotodinamiche: non mediato da ROS, ma per assorbimento di onde con λ maggiori o calore con conseguente formazione fotoaddotti DNA2.

Bisogna tener conto però anche di un altro tipo di problema che le radiazioni possono provocare quando entrano in contatto con un materiale biologico: le reazioni fotoallergiche (mediate da ipersensibilità di tipo IV). Il contatto della radiazione col tessuto lo rende immunogeno e viene attaccato dal sistema immunitario.

Tipologie di radiazioni

Le radiazioni possono derivare da varie fonti:

• Cosmiche.

Un addotto al DNA è un frammento del DNA covalentemente legato ad una sostanza chimica che potrebbe dare inizio al processo di cancerogenesi.

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3.2. Radiazioni 15

• Terrestri (decadimento di isotopi).
• Di origine antropica (armi nucleari, energia nucleare, diagnostica medica).

Le radiazioni agiscono sugli atomi. A contatto con gli atomi, infatti possono portare a eccitazione (l’elettrone cambia orbitale, torna a posto e emette energia) e decadimento (che può essere alfa, beta o gamma). L’emissione di energia porta a:

• Azioni ionizzanti dirette: si dividono in primarie (l’elettrone emesso danneggia il dna) e secondarie (l’elettrone o particella provoca la ionizzazione di molecole le quali danneggiano il dna).
• Azioni ionizzanti indirette: radiolisi dell’acqua che forma radicali ossigenati (ROS).

Queste azioni portano a danni o a lipidi e proteine o direttamente al codice genetico tramite un DSB, questo può portare a delezione di geni (che possono portare a inattivazione/perdita di funzione del prodotto proteico) o a mutazioni potenzialmente cancerogene.

Figura 3.4: Gli effetti delle radiazioni ionizzanti nel DNA

16 Capitolo 3. Agenti fisici

Corrente elettrica

La corrente elettrica indica lo spostamento complessivo delle cariche elettriche. Cioè un qualsiasi moto ordinato definito operativamente come la quantità di