Oncologia - Cause e fattori

Gene, patologia genetica, mRNA, proteina, patogenesi

Gene Patologia genetica mRNA Proteina Patogenesi Danno cellulare Cellula Infiammazione, oncologia, risposte multicellulari Immunologia (Tessuti) Organi Fisiopatologia generale Malattia

Danno e morte cellulare

Adattamento (ipertrofia, atrofia) Cellula normale Cellula con danno reversibile Morte cellulare (necrosi, apoptosi)

Cause di danno cellulare

Danno cellulare: principi

• La risposta cellulare a stimoli dannosi dipende dal tipo di danno, dalla sua durata e dalla sua gravità.
• Le conseguenze del danno cellulare dipendono dal tipo, dallo stato e dall’adattabilità della cellula danneggiata.
• I meccanismi d’azione di molti stimoli si possono ricondurre a quattro sistemi intracellulari:
  • Mantenimento dell’integrità delle membrane cellulari
  • Respirazione aerobica
  • Sintesi proteica
  • Conservazione dell’integrità del genoma
• Indipendentemente dal preciso punto d’attacco, il danno in una sede porta ad un ampio spettro di effetti secondari

1) Deplezione di ATP

L’ATP è richiesto in:

• Sintesi proteica
• Trasporto di membrana
• Lipogenesi e ricambio di fosfolipidi

Fosforilazione ossidativa dell’ADP con riduzione di ossigeno molecolare ad acqua

Glicolisi

Tipica del danno ischemico e tossico

2) Ossigeno e radicali liberi dell’ossigeno

(ROS = reactive oxygen species)

Le specie reattive dell’ossigeno si formano in seguito a diversi stimoli

3) Perdita dell’omeostasi del calcio

mM++ ++Ca i: 0,1 Ca e: 1,3 mM

La maggior parte del calcio intracellulare è sequestrata all’interno dei mitocondri e del reticolo endoplasmico

Il gradiente del calcio è modulato da ATPasi di membrana dipendenti da ioni calcio e magnesio ed energia

4) Perdita di permeabilità di membrana

È un evento precoce nel processo di danno cellulare

• Danno diretto alla membrana plasmatica:
  • Tossine batteriche
  • Proteine virali
  • Componenti litiche del complemento
  • Prodotti dei linfociti (perforine)
  • Agenti fisici e chimici

Può essere dovuto ad eventi che portano a:

• Deplezione di ATP
• Attivazione di fosfolipasi modulate dal calcio

5) Danno mitocondriale

I mitocondri possono essere danneggiati:

• Direttamente da tossine e ipossia
• Indirettamente mediante
  • Aumento del Ca++ citosolico
  • Stress ossidativo
  • Degradazione di fosfolipidi
  • Prodotti derivati dalla degradazione di lipidi, acidi grassi liberi e ceramide

Il danno mitocondriale si esprime mediante la formazione di canali ad alta conducibilità (transizione di permeabilità mitocondriale) a livello della membrana mitocondriale interna con perdita del potenziale di membrana e rilascio di citocromo c nel citosol.

Genoma, transcriptoma e proteoma

Genoma: la completa sequenza genica. Le basi azotate che la compongono sono quattro (A, T, C, G). Il DNA umano è disposto su 23 coppie di cromosomi e contiene circa tre miliardi di basi. Sono circa 30.000 i geni strutturali, che cioè codificano per proteine.

Transcriptoma: il set completo di RNA trascritti dal genoma in una determinata cellula o in un determinato tessuto ad un dato momento.

Proteoma: il set completo di proteine codificate dal genoma in una determinata cellula o in un determinato tessuto ad un dato momento.

Genomica funzionale

Preparazione del campione cellulare

2D gel

Spettrometria di massa

Bioinformatica

Marker

Esempio: espressione genica indotta da fumo e H₂O₂ in cellule epiteliali bronchiali

Yoneda et al., J Am Soc Nephrol 2003

Fase immediata (entro 1 ora): induzione di geni antiapoptotici (bcl2 e mdm2) e di una fosfatasi che regola negativamente il pathway delle chinasi regolate da mitogeni.

Fase precoce (fino a 5 ore): induzione di proteine di stress cellulare (HSP40, HSP70, HSP90) e di ubiquitina.

Fase tardiva (fino a 10 ore): induzione di geni coinvolti nel metabolismo degli ossidanti e nel rimodellamento (MMP1).

Danno ischemico/ipossico

Nell’ipossia la via glicolitica non è compromessa

Nell’ischemia anche la via glicolitica è bloccata per mancato apporto di substrati metabolici e per accumulo di metaboliti

• L’ischemia porta a un danno tessutale più velocemente dell’ipossia

Danno ischemico/ipossico

Danno cellulare reversibile: modificazioni patologiche che sono in grado di ripristinare una situazione normale qualora i substrati per la sintesi di ATP si rendano nuovamente disponibili

Punto di non ritorno: danneggiamento irreparabile dell’apparato energetico della cellula; segnali: livelli ATP consumo O₂ pH

Danno cellulare irreversibile: modificazioni irreparabili del genoma e delle membrane cellulari

Danno ischemico/ipossico

Il momento fondamentale del danno è rappresentato dalla riduzione della fosforilazione ossidativa mitocondriale con passaggio alla glicolisi anaerobia

Il secondo momento fondamentale è rappresentato dal danno di membrana

Danno da ischemia/riperfusione (I/R)

• In seguito al ripristino di flusso ematico in un organo, e a seconda dell’intensità e della durata dell’insulto ischemico, un numero variabile di cellule andrà incontro a necrosi o apoptosi con infiltrazione di neutrofili del tessuto colpito.
• Il danno ischemico determina la produzione di citochine ed aumento dell’espressione di molecole di adesione
• La riossigenazione porta ad un aumento di ROS da parte delle cellule parenchimali, dell’endotelio e dei leucociti reclutati in situ.
• L’aumento dei ROS innesca la transizione di permeabilità mitocondriale e la perossidazione lipidica.

Danno da ischemia/riperfusione (I/R)

La produzione di ROS è dovuta a:

• Catena respiratoria nei mitocondri
• L’ipossia stimola la degradazione di gruppi fosfati ad alta energia ad AMP e ipoxantina.
• Durante la riperfusione, la xantina ossidasi catalizza la formazione di acido urico e di anione superossido

Nei neutrofili: acido ipoclorico (HOCl) si forma da H₂O₂ per mezzo della mieloperossidasi

Danno da radicali liberi dell’ossigeno

• I ROS sono specie chimiche che hanno un singolo elettrone spaiato in un orbitale esterno. Reagiscono con molecole di membrana e con acidi nucleici iniziando una reazione autocatalitica.
• La produzione di ROS può essere innescata da:
  • Energia radiante. .H O OH e H₂
  • Metabolismo di sostanze tossiche
  • Reazioni ossido-riduttive: fosforilazione ossidativa, burst ossidativo

Danno da radicali liberi dell’ossigeno: effetti sulla cellula

• Perossidazione dei lipidi di membrana
• Modificazioni ossidative delle proteine
  • Formazione di legami crociati tra proteine
  • Ossidazione delle catena proteica con frammentazione
• Lesioni del DNA
  • La reazione con la timina porta a rottura del filamento singolo

Danno da radicali liberi dell’ossigeno: meccanismi antiossidanti

• Antiossidanti scavanger
• Proteine che legano metalli di transizione
• Sistemi enzimatici
  • Catalasi
  • Superossido dismutasi
  • Glutatione perossidasi

Danno da radicali liberi dell’ossigeno

Danno da agenti chimici

Diretto: legandosi ad una componente cellulare critica o ad un organello cellulare

Es.: il cloruro di mercurio si lega ai guppi sulfidrilici di diverse proteine di membrana, causando inibizione del trasporto ATP-dipendente ed aumento della permeabilità di membrana

Indiretto: molti agenti chimici devono essere prima convertiti in metaboliti reattivi

La modificazione è di solito effettuata dal sistema P-450 a livello del reticolo endoplasmico liscio del fegato

Il meccanismo principale è la formazione di ROS

Es.: tetracloruro di carbonio (CCl₄)

Danno da tetracloruro di carbonio

Quadri morfologici del danno e della morte cellulare

Danno reversibile: al microscopio ottico è possibile osservare il rigonfiamento cellulare e la degenerazione grassa

Rigonfiamento cellulare: appare quando la cellula è incapace di mantenere l’omeostasi dei liquidi e dei sali

Degenerazione grassa: si manifesta con la comparsa di piccoli o grandi vacuoli di lipidi nel citoplasma in seguito a ipossia e danno tossico

Rigonfiamento cellulare

È la prima manifestazione in quasi tutte le forme di danno cellulare.

Piccoli vacuoli chiari all’interno del citoplasma che rappresentano segmenti del reticolo endoplasmico distesi ed estroflessi = rigonfiamento vacuolare o degenerazione idropica

Al microscopio elettronico:

1. Alterazioni della membrana plasmatica: estroflessione, distensione e distorsione dei microvilli, formazione di figure mieliniche e distacco delle giunzioni cellulari;
2. Modificazioni mitocondriali: rigonfiamento e comparsa di corpi densi, amorfi ricchi di fosfolipidi;
3. Reticolo endoplasmico: dilatazione e distacco dei polisomi;
4. Alterazioni nucleari: disaggregazione degli elementi fibrillari e granulari

Necrosi

La necrosi rappresenta il corrispettivo morfologico della morte cellulare irreversibile

La sua manifestazione più comune è la necrosi coagulativa con denaturazione delle proteine, rottura degli organelli e rigonfiamento cellulare

L’aspetto morfologico della necrosi è il risultato di due processi:

1. Digestione enzimatica della cellula,
   • Autolisi: enzimi dei lisosomi della cellula
   • Eterolisi: enzimi dei leucociti richiamati
2. Denaturazione delle proteine

Morfologia della necrosi

• Aumento della eosinofilia per perdita della normale basofilia legata all’RNA citoplasmatico ed aumento del legame dell’eosina alle proteine denaturate.

Nel caso di digestione enzimatica il citoplasma diviene vacuolato.

Al microscopio elettronico: evidenti discontinuità della membrana plasmatica e degli organelli, marcata dilatazione dei mitocondri con grandi corpi densi amorfi, figure mieliniche, resti osmiofili e aggregati di materiale soffice che rappresentano proteine denaturate.

Modificazioni nucleari: per rottura non specifica del DNA

1. Cariolisi: perdita della basofilia della cromatina;
2. Picnosi: riduzione delle dimensioni del nucleo e aumento della basofilia
3. Carioressi: il nucleo picnotico va incontro a frammentazione

Tipi di necrosi

Necrosi coagulativa

Implica la preservazione della struttura di base delle cellule coagulate per qualche giorno.

Il tessuto è asciutto e compatto e opaco. La necrosi è bene circoscritta.

È determinata da ipossia brusca che non consente il processo di adattamento che porta alla glicolisi anaerobia.

Necrosi coagulativa (II)

La diminuzione del pH denatura non solo le proteine strutturali ma anche quelle enzimatiche, bloccando la proteolisi della cellula.

La denaturazione comporta la perdita della struttura terziaria della molecola e la conseguente esposizione delle catene laterali.

Le proteine denaturate

• Diventano più reattive (eosinofilia)
• Tendono ad aggregarsi (flocculi)
• Emettono nel visibile se irradiati con luce ultravioletta (autofluorescenza)

Necrosi coagulativa (III)

Caratteristica della morte cellulare da ipossia di tutti i tessuti ad eccezione del cervello.

Es.: infarto del miocardio in cui le cellule coagulate, eosinofile e prive di nucleo persistono per settimane.

In seguito vengono rimosse per azione dei leucociti “spazzini”.

Necrosi caseosa

È una forma di necrosi coagulativa che si riscontra in foci di infezione tubercolare. È bianco-giallastra (ricorda il formaggio) a causa di un fenomeno postmortale, la lipofanerasi: dai fosfolipidi strutturali si separa la componente proteica e la componente lipidica viene smascherata.

Non è dovuta a ischemia in quanto il granuloma tubercolare è poco vascolarizzato, ma è dovuta ai linfociti T che producono danni tessutali (corrispettivo del fenomeno di Koch).

A differenza della necrosi coagulativa, l’architettura tessutale è irriconoscibile.

Necrosi colliquativa

Comporta la completa digestione enzimatica delle cellule morte.

Il tessuto è ridotto a una raccolta di materiale fluido e viscoso che ne ha distrutto la struttura.

• È caratteristica delle infezioni focali batteriche e talvolta di quelle dei funghi: sono un potente stimolo