Patologia totale

Il danno cellulare e l’adattamento cellulare

La patologia è la disciplina che studia le anomalie strutturali e funzionali in una struttura vivente; la patologia generale in particolare studia:

• Eziologia: causa della malattia: una malformazione nel DNA, un’infezione virale, una sostanza tossica.
• Patogenesi: meccanismo con cui le cause agiscono. Come il blocco di un canale ionico, alterazione di un meccanismo di feedback ormonale.

Ad esempio l’anemia falciforme: l’eziopatologia è genetica mentre la patogenesi è il fatto che l’emoglobina mutata forma delle aggregazioni che danno deformazione dei globuli rossi causandone la morte prematura.

Le principali fonti di danno cellulare sono l’ipossia e la formazione di radicali liberi: il primo porta all’interruzione di produzione di ATP mentre il secondo porta a formazione di danni alla membrana. Si ha la formazione di danni prima reversibili e poi irreversibili che portano alla morte o necrosi cellulare.

Un processo diverso dalla necrosi cellulare è l’apoptosi:

• Necrosi: processo che coinvolge gruppi di cellule contigue causando la morte a catena e un processo di infiammazione associato ad esse.
• Apoptosi: morte programmata di una singola cellula che non porta a nessun tipo di infiammazione.

I processi di necrosi e apoptosi possono essere innescati da processi fisiologici oppure essere causati da stimoli lesivi che possono portare a modificazioni adattative della cellula che cerca di sopravvivere, normalmente reversibili; se questo stimolo però è cronico, le modificazioni diventano irreversibili portando a differenziazione di elementi cellulari del numero di cellule stesse nel tessuto (metaplasia, iperplasia).

Oltre a questi stimoli possono verificarsi in alcune patologie episodi di accumulo intra o extracellulare di vario tipo, di sostanze organiche o inorganiche che possono di per sé produrre danno cellulare.

• Necrosi cellulare.
• Apoptosi.
• Accumulo intracellulare.
• Accumulo extracellulare.
• Alterazioni della crescita cellulare.

Necrosi cellulare

La necrosi cellulare può essere innescata da ipossia o da presenza di radicali liberi:

Necrosi da ipossia

L’ipossia può essere causata da:

• Ischemia: è la causa più frequente e normalmente è dovuta a cause aterosclerotiche, quindi il tessuto non viene correttamente irrorato e quindi non viene raggiunto nemmeno dall’ossigeno.
• Ipossiemia: riduzione della quantità di ossigeno nel sangue magari scatenata dal blocco della ventilazione.
• Alterazioni dell’emoglobina: ad esempio nell’avvelenamento da CO l’emoglobina lega meno ossigeno.
• Fosforilazione ossidativa alterata o disaccoppiamento come nell’avvelenamento da cianuro.
• Deviazione dello shunt artero-venoso in cui il sangue non raggiunge una zona capillare.

In tutti questi casi quindi la cellula si trova ad avere a disposizione meno ossigeno e quindi andrà a produrre meno ATP perché la maggior parte di ATP viene prodotta dalla fosforilazione ossidativa che converte i NADH provenienti dalla glicolisi in ATP grazie al vettore ossigeno; per questo la conseguenza principale dell’ipossia è la mancata produzione di ATP che andrà a causare scompensi, prima reversibili e poi irreversibili nella cellula fino ad arrivare alla morte: 1

Carenza di produzione di ATP

Alte concentrazioni di calcio nel citoplasma vengono interpretate come uno stimolo e quindi ho attivazione di moltissimi gruppi enzimatici che vanno a colpire in modo incontrollato molte parti della cellula.

Importante ricordare che a questo livello, gli elevati livelli di calcio andranno anche ad attivare gli enzimi NOS preposti alla sintesi di NO che produce uno stress da radicali liberi (vedi dopo).

Sistemi di difesa

A questo punto la cellula attiva dei sistemi di difesa:

Infatti pochi minuti dopo la comparsa del fenomeno di stress ho la sintesi di HHSP, e cioè proteine dello shock termico (chiamate così perché scoperte prima di tutto in questo campo ma prodotte anche per altre situazioni di stress). Queste proteine proteggono la cellula agendo sulle proteine danneggiate:

Punto di non ritorno

La cellula raggiunge il “punto di non ritorno”: se lo stress continua i danni saranno irreversibili.

Si verifica la picnosi nucleare e cioè il nucleo si deforma, frammenta fino a disgregarsi completamente.

I lisosomi si frammentano e liberano tutto il loro contenuto: proteine danneggiate e soprattutto enzimi lisosomiali, molecole di degrado, radicali liberi che vanno a degradare tutti i componenti cellulari.

Completa rottura della cellula e riversamento del contenuto nel torrente circolatorio (ricerca di enzimi specifici per fare una diagnosi e vedere quanto un tessuto è danneggiato) che porta anche morte delle cellule circostanti.

Danni da radicali liberi

I radicali liberi sono molecole che posseggono un singolo elettrone spaiato nell’orbitale esterno e quindi dotate di grande reattività: i più presenti sono i radicali liberi dell’ossigeno e dell’azoto che vanno a danneggiare membrana, mitocondri e nucleo.

Radicali liberi dell’ossigeno

Prodotti fisiologicamente nella catena respiratoria, sono prodotti anche a causa di esposizione a radiazioni, metabolismo di farmaci, presenza di ferro reattivo.

Le forme dell’ossigeno sono: l’azione superossido, lo ione idrossilico e l’anione superossido. Forme interscambiabili tra loro tramite reazioni spontanee come la reazione di Fenton o reazione catalizzata da enzimi di protezione come la catalasi e la glutatione perossidasi.

È infatti importante ricordare i sistemi di difesa della cellula che hanno una capacità di tampone sulla formazione dei radicali liberi infatti riescono a opporsi alla normale produzione fisiologica dei radicali liberi: i sistemi di difesa sono molecole antiossidanti come la vitamina E e C, oppure sistemi enzimatici come catalasi (nei perossisomi) e la glutatione perossidasi.

Quando però i livelli di produzione di radicali liberi superano questa capacità tampone si verificano i danni cellulari: le situazioni che scatenano un eccesso di produzione di radicali liberi sono l’infiammazione, radiazioni, ossigeno-terapia, danno da riperfusione, invecchiamento, metabolismo di alcuni prodotti chimici 2

Il radicale libero più lesivo è lo ione idrossilico perché:

Lo ione idrossilico che origina dalla reazione di Fenton attacca diversi organi della cellula:

Radicali liberi dell’azoto

NO viene prodotto fisiologicamente da sistemi enzimatici detti NOS-NO sintetasi e vengono prodotti dal sistema nervoso nNOS, dal sistema vasale eNOS e dal sistema immunitario come NOS inducibili iNOS.

Normalmente un eccesso di produzione di NO è causato da una iperstimolazione di iNOS a causa di un’infiammazione, oppure una iperproduzione di NO da parte di eNOS e nNOS dovuta a un eccesso di calcio intracellulare scatenato da ipossia come visto prima.

• NO agisce direttamente su alcuni sistemi enzimatici, ad esempio legandosi a EME (causando attivazione di un enzima che produce vasodilatazione) producendo composti ferro-nitrosati attivi e attivando diversi sistemi enzimatici contenenti EME.
• NO si lega ai sostituenti sulfidrilici delle proteine formando S-nitrosotioli, variando l’attività della proteina stessa come proteine G, fattori di trascrizione.
• NO inibisce gli enzimi della catena respiratoria.
• NO causa la rottura del DNA con attivazione di p53.
• Formazione del radicale libero ONOO- ione perossinitrito, dovuto alla formazione simultanea di NO e ione superossido. Il radicale va poi a danneggiare proteine, lipidi e DNA.

Morfologia dei tessuti affetti da necrosi cellulare

Un tessuto sottoposto a stress e in cui si verifica morte cellulare per necrosi può sviluppare differenti aspetti e progressione di questo deterioramento del tessuto; a seconda dei casi, dei tempi della morte e dei tessuti colpiti posso distinguere:

Necrosi coagulativa

Tipica della necrosi per ischemia, prevede la morte cellulare senza autolisi perché si ha inattivazione degli enzimi lisosomiali a causa dell’acidosi e delle forti concentrazioni di calcio al momento della rottura dei lisosomi. Per questo il tessuto conserva i contorni cellulari.

I danni alla membrana però permettono la fuoriuscita di materiale cellulare che causa un’infiammazione acuta del tessuto che richiama molte cellule del sistema immunitario, come i macrofagi che libereranno i loro enzimi litici per digerire e distruggere le cellule morte, per poi fagocitarne i frammenti.

Un esempio di questo tipo di necrosi, oltre all’infarto del miocardio, è la gangrena secca in cui appunto il tessuto assume un’apparenza mummificata visto che non si ha autolisi del tessuto, quando però poi intervengono le infezioni in questo tessuto si passa a gangrena umida in cui l’aspetto è di una necrosi colliquativa.

Necrosi colliquativa

Tipica questa volta dell’ischemia al cervello perché le cellule cerebrali sono ricche in lisosomi contenenti enzimi litici che quindi non vengono completamente inattivati e vanno a degradare la cellula i cui frammenti si spargono nel tessuto promuovendo l’infiammazione e facendo accorrere cellule bianche che liberano ulteriori enzimi litici.

Necrosi adiposa

Morte cellulare che interessa anche la demolizione dei trigliceridi con rilascio di acidi grassi liberi che vanno a coniugarsi con le grandi quantità di c.

Questo tipo di necrosi può avvenire per 2 cause differenti:

• Necrosi adiposa di tipo enzimatico: liberazione di enzimi pancreatici nel tessuto adiposo dovuta a pancreatite acuta.
• Adiponecrosi di tipo traumatico: la morte cellulare è causata da un forte trauma al tessuto adiposo con conseguente calcificazione.

Necrosi caseosa

Combinazione di necrosi coagulativa e necrosi colliquativa caratterizzata dalla formazione di granulomi da parte delle cellule T helper del sistema immunitario. Sono lesioni ben circoscritte caratterizzate da macrofagi attivati. È tipica di infezioni batteriche e 3 l’aspetto caseoso è dovuto alla distruzione dei patogeni che liberano molti lipidi dalle loro pareti.

Necrosi fibrinoide

Caratterizzata dalla presenza di materiale eosinofilo simile a fibrina. Si presenta a causa di disturbi della circolazione come vasculite, deposito di immunocomplessi, depositi nell’ipertensione maligna.

Il tipico aspetto è dovuto all’aumento di permeabilità del tessuto danneggiato che causa accumulo proteico plasmatico.

Necrosi gommosa

È una variante della necrosi caseosa tipica della sifilide in cui appunto le lesioni sono circoscritte ma assumono un aspetto gommoso.

Necrosi postmortem

Necrosi dovuta all’autolisi di tutti i tessuti dovuta al rilascio di enzimi intracellulari senza però risposta infiammatoria 4

Apoptosi

L’apoptosi è un processo fisiologico di morte programmata della cellula ed è molto differente dalla necrosi perché è un processo controllato, regolato, che interessa una singola cellula e non causa infiammazione. Può essere attivato da processi puramente fisiologici come la genesi del lume degli organi cavi nell’embriogenesi, oppure essere stimolata da fattori esterni di disturbo come radicali liberi (bassa intensità), radiazioni, dai meccanismi di protezione come il fatto che l’apoptosi viene attivata nel momento in cui viene riscontrato un danno nel DNA irreparabile oppure quando la cellula si stacca dal tessuto basale (pericolo di metastatizzazione).

È un processo che richiede energia attivamente alla cellula che spesso deve produrre e attivare delle proteine volte al corretto processo di morte programmata; macroscopicamente l’apoptosi prevede:

• La cellula diminuisce poi di dimensioni.
• Si ha frammentazione del nucleo.
• Si perdono strutture complesse specializzate della superficie (come i microvilli).
• Perdita delle giunzioni intracellulari.
• Formazione di estroflessioni nella membrana esterna fino alla formazione di vescicole.
• Completa frammentazione in corpi apoptotici che vedono al loro interno organelli intatti e frammenti di DNA.
• Sulla membrana cellulare vengono espressi dei segnali eat-me che legano i macrofagi preposti alla loro demolizione.
• Nessun frammento proteico viene rilasciato all’esterno della cellula e quindi non si innesca processo infiammatorio.

Questo processo può essere innescato da diversi stimoli e prevede una serie eventi che portano all’apoptosi; inoltre la cellula possiede sistemi importanti di regolazione dell’apoptosi sia stimolatori che inibitori in modo da compensare processi di protezione da danno cellulare a sopravvivenza: cause che innescano l’apoptosi:

• Stimoli esterni positivi: fattori di regolazione che si legano selettivamente a dei recettori di membrana. Ad esempio conosciamo TNF (tumor necrosis factor) e fas-ligando.
• Stimoli intracellulari: glucocorticoidi.
• Danno del DNA: tramite attivazione del sistema p53 ho attivazione del segnale di morte inviato al mitocondrio.
• Mancanza di segnali extracellulari come la mancanza di fattori di crescita o di particolari ormoni (no androgeni, diminuzione prostata).
• Distacco della cellula dall’ancoraggio alla matrice extracellulare.
• Eccesso di NO (non quanto nella necrosi).

L’apoptosi vera e propria a questo punto viene innescata e portata avanti tramite attivazione di un meccanismo enzimatico:

Le caspasi sono gli enzimi caratteristici della morte programmata cellulare e agiscono attivando diversi processi:

• Attivazione di altre caspasi in modo proteolitico.
• Inattivazione di proteine necessarie per la sopravvivenza cellulare come proteine preposte alla riparazione del DNA.
• Attivazione di proteine necessarie alla morte cellulare come le endonucleasi che tagliuzzano il DNA.

Finora abbiamo visto l’attivazione diretta dei sistemi di apoptosi ma indirettamente svolge un ruolo molto importante il mitocondrio che infatti riceve segnali intra e extracellulari e modula l’attivazione a sua volta delle caspasi:

I mitocondri infatti sono soggetti al controllo da parte di fattori Bcl e bax, ma anche dalle concentrazioni di ceramide: il fattore bax e le ceramidi sono in grado di aprire i canali ionici della membrana mitocondriale interna, facendo perdere così il potenziale di membrana necessario alla respirazione cellulare.

A seguito della perdita di potenziale di membrana si ha liberazione del citocromo c della catena respiratoria che nel citoplasma va ad attivare le caspasi.

Il fattore Bcl invece agisce in modo opposto bloccando l’apoptosi tenendo i pori della membrana interna chiusi.

Accumulo intracellulare

Le cellule possono essere soggette ad accumulo intracellulare di sostanze organiche o inorganiche a causa di: eccesso di assunzione, disturbi nel metabolismo di sintesi e degradazione. Questi accumuli causano danni cellulari.