Patologia generale

Patologia generale: danno cellulare e fenomeni di adattamento

La patologia è definita come lo studio dei processi che consentono alle cellule di sopravvivere.

Danno cellulare

Le cause di danno cellulare sono molteplici (esogene o endogene): ipossia, agenti chimici (inquinanti, CO, farmaci), agenti infettivi, fattori genetici (alterazioni genetiche a carico di un singolo gene), squilibri nutrizionali, agenti fisici (radiazioni, traumi meccanici) o reazioni immunologiche (reazioni allergiche).

Ipossia

I meccanismi che però producono più frequentemente il danno cellulare sono:

• Ipossia, cioè la carenza di ossigeno che causa il blocco della catena respiratoria con la diminuzione di ATP conseguente nell’organismo (l’unico altro modo per ottenere ATP è tramite glicolisi).
• Questo comporta la riduzione della pompa Na⁺/K⁺ ATP-dipendente, con il conseguente ingresso di Na⁺ e acqua nella cellula, causando un rigonfiamento idrotropico (uno dei primi eventi che dimostrano un danno cellulare).
• Non essendoci ossigeno, il piruvato non sarà convertito in acetilCoA e quindi la cellula attuerà la glicolisi anaerobica per smaltire il piruvato in eccesso, causando un aumento dell’acido lattico e una conseguente diminuzione del pH intracellulare.
• Viene ridotta anche la pompa Ca²⁺, comportando quindi un aumento del calcio intracellulare, molto pericoloso perché attiva una serie di enzimi: ATPasi (ulteriore degradazione di ATP), fosfolipasi (danneggiano i fosfolipidi di membrana), proteasi (alterazione di proteine di membrana), endonucleasi (danni al DNA).

Può essere dovuta a molteplici fattori, come lo scarso apporto di sangue ai tessuti (per la presenza di un trombo o placca aterosclerotica), l’insufficienza cardiorespiratoria, anemie o avvelenamento da CO.

Radicali liberi

Radicali liberi sono le specie reattive dell’ossigeno che, quando accumulate, danno stress ossidativo.

• Anione superossido (degradato a H₂O₂ dalla superossido dismutasi);
• Acqua ossigenata (degradata in H₂O + O₂ dalla catalasi; degradata in H₂O con la conseguente rigenerazione di GSH dalla glutatione perossidasi);
• Radicale idrossile (OH).

Quando i radicali liberi si trovano in elevate concentrazioni causano:

• Perossidazione lipidica delle membrane: OH reagisce con gli acidi grassi insaturi, formando radicali lipidici instabili, capaci di indurre reazioni autocatalitiche a catena.
• Modificazioni ossidative delle proteine, come la formazione di legami crociati con alterazioni della conformazione delle proteine e la conseguente degradazione dal proteasoma;
• Danni a livello del DNA, con la rottura del filamento e la formazione di legami crociati (generano mutazioni).

Adattamento cellulare

Se la cellula è sottoposta ad uno stimolo poco intenso o per poco tempo si verificherà un danno reversibile, la cellula sarà quindi in grado di riparare le proprie componenti quando lo stimolo cesserà, anche grazie alla produzione di HSP (Heat Shock Proteins) con funzione protettiva.

Danno irreversibile

Se la cellula è invece sottoposta ad uno stimolo prolungato avremo il verificarsi di un danno irreversibile: morte cellulare. Le proteine verranno ubiquitinate e si andrà incontro a morte cellulare.

Le cellule sono in grado di modificare le proprie strutture e funzioni, adattandosi all’ambiente e a particolari stimoli: alterazione del volume, alterazione delle dimensioni (ipertrofia e atrofia), alterazione del numero delle cellule (iperplasia e ipoplasia), differenziazione cellulare.

Iperplasia

Aumento del numero delle cellule di un tessuto, derivante da un’aumentata richiesta di lavoro o da uno stimolo ormonale. Può quindi essere fisiologica (utero in gravidanza) oppure patologica (ipertiroidismo che porta al gozzo).

• Iperplasia compensatoria, la quale riguarda un aumento della massa tissutale dopo un danno (o parziale asportazione di un organo come accade con il rene superstite);
• Iperplasia midollare, in quanto nel caso di perdite croniche di sangue viene attivato maggiormente il midollo.

Involuzione

Riduzione del numero di cellule di un tessuto, causato da un rallentamento della moltiplicazione cellulare o dalla loro morte per apoptosi.

Ipertrofia

Aumento delle dimensioni di una cellula per maggiore sintesi di componenti strutturali della stessa, causando un conseguente aumento del volume dell’organo. Anch’essa può avvenire in casi fisiologici (allenamento, aumenta il numero di mitocondri) oppure patologici (ipertensione, ingrossamento del miocardio non seguito da angiogenesi, causa quindi l’indebolimento dell’organo).

Atrofia

Riduzione delle dimensioni di una cellula per ridotta sintesi di componenti strutturali, per aumentata degradazione proteica o per autofagia.

Autofagia

Digestione lisosomiale delle componenti cellulari; il citoplasma e gli organelli vengono infatti sequestrati in autofagosomi, i quali fondono con i lisosomi a dare autofagolisosomi. Questo è importante in quanto, difetti dell’autofagia, portano a patologie tumorali o neurodegenerative (Alzheimer, Parkinson).

• Macroautofagia: l’autofagosoma si fonde al lisoosoma (principale metodo, come visto);
• Microautofagia: gli organelli vengono inglobati dai lisosomi stessi, senza l’autofagosoma;
• Autofagia: avviene tramite proteine chaperon, le quali conducono le macromolecole ai lisosomi.

L’atrofia si verifica principalmente per riduzione del carico di lavoro: atrofia da disuso (riduzione del carico di lavoro dovuta ad un arto fratturato per esempio), atrofia da perdita di innervazione (danno alle strutture nervose che innervano il tessuto, causando atrofia delle fibre muscolari).

Metaplasia

Sostituzione di un tipo cellulare differenziato, con un altro tipo cellulare differenziato. Si tratta di un fenomeno reversibile di adattamento cellulare a stimoli di lunga durata, il quale però può sfociare in una trasformazione neoplastica (neoplasia) divenendo irreversibile. Due esempi sono:

• Metaplasia squamosa: nei bronchi, a causa del fumo, l’epitelio cilindrico ciliato mucosecernente viene sostituito con epitelio squamoso;
• Metaplasia ghiandolare: avviene quando l’epitelio squamoso viene sostituito con epitelio cilindrico (questo viene chiamato esofago di Barret).

Displasia

Lesione pre-neoplastica, nella quale le cellule sono alterate per forma e grandezza. Si tratta di un processo ancora reversibile, se lo stimolo viene eliminato in tempi medio-brevi.

Morte cellulare

Quando il danno cellulare progredisce, diventando irreversibile, si assiste a questo processo che può essere accidentale o programmato.

Necrosi

Danno cellulare accidentale irreversibile con alterazioni della permeabilità di membrana e un aumento del Ca²⁺ intracellulare: il blocco della pompa Na⁺/K⁺ ATPasi, come già visto, porta all’accumulo di liquidi nella cellula richiamando acqua; il calcio intracellulare attiva numerosi enzimi che portano alla rottura della cellula; si verifica picnosi nucleare (nucleo che si rimpicciolisce per arresto della traduzione di DNA), cariorressi (frammentazione del nucleo) e in seguito cariolisi (distruzione completa del nucleo). Tutto questo processo infiammatorio, insieme di avvenimenti, porta ad un evento infiammatorio, dato dal rilascio del citosol e dei suoi organelli nello spazio extracellulare, richiamando quindi cellule infiammatorie.

Apoptosi

Morte cellulare programmata, la quale può essere fisiologica (turnover riguarda le cellule che hanno esaurito la loro attività, come avviene per esempio nell’embriogenesi) o patologica (indotta da stimoli dannosi, stress del reticolo endoplasmatico, danni da malattie virali o ipossia). A differenza della necrosi, coinvolge una sola cellula per volta e non provoca alcuna infiammazione, in quanto non vi è il rilascio di contenuto cellulare.

Morfologicamente si presenta come una riduzione del volume cellulare, dovuta alla condensazione della cromatina e all’attivazione di DNAsi, le quali vanno a rompere il nucleo; vi è l’estroflessione della cellula in corpi apoptotici, poi fagocitati dai macrofagi.

Biochimicamente accade grazie all’attivazione delle caspasi (9 diverse), contenute nella cellula come proenzimi e attivate a cascata in seguito a taglio proteolitico. Esse vanno poi a tagliare e ad attivare varie proteine, tra cui le laminine (distruggono citoscheletro e impalcatura nucleare) e le DNAsi (tagliano il DNA in frammenti). Possono essere attivate attraverso due vie:

• Via estrinseca: grazie a degli specifici recettori di morte (TNFR1 che lega TNF-α e Fas che lega il ligando-Fas) i quali si aggregano e legano il rispettivo ligando sul dominio di morte, attivando le pro-caspasi 8, le quali diventeranno caspasi 8 attive, attivando le caspasi 9 e in seguito le 3 (estremamente importanti perché in grado di degradare le proteine del citoscheletro e della membrana nucleare);
• Via intrinseca: degli specifici segnali vanno ad attivare BAD e BAX, le quali hanno la funzione di modificare la permeabilità mitocondriale. Esse dimerizzano e creano dei canali, permettendo la fuoriuscita del citocromo c, il quale lega la proteina Apf-1, la quale a sua volta attiverà le pro-caspasi in caspasi.

La fase finale dell’apoptosi riguarda la rimozione delle cellule morte grazie ai macrofagi e alle cellule epiteliali: vi è l’esposizione della fosfatidilserina (fungono da segnale eat-me), la quale è riconosciuta dai macrofagi e l’esposizione di proteine chemiotattiche (fungono da segnale find-me), riconosciute anch’esse dai macrofagi.

Malattie da accumulo

Si tratta di malattie dovute all’eccessivo accumulo di sostanze nutritive (in condizioni normali non costituirebbero un problema, ma il loro eccessivo accumulo causa patologie) o tossiche.

Steatosi epatica

Eccessivo accumulo di trigliceridi nella cellula epatica, rendendo l’organo ingrandito e giallastro. Questo accumulo è dovuto ad un difetto nella sequenza di eventi che vanno dall’ingresso degli acidi grassi liberi nel fegato, alla loro uscita come trigliceridi nelle VLDL. Le maggiori cause sono obesità, diabete, abuso di alcol (l’enzima alcol deidrogenasi metabolizza l’alcol ad acetaldeide e acetato — corpi chetonici che fungono da metaboliti energetici per cervello e muscolo — producendo però anche NADH il quale, se prodotto in grandi quantità andrà a bloccare la β-ossidazione, non ossidando gli acidi grassi che si accumuleranno nel fegato), carenza proteica, agenti tossici (alfatossine o farmaci, per esempio CCl₄ causa perossidazione lipidica, alterando l’assemblaggio delle lipoproteine) o dieta iperlipidica.

Amiloidosi

Accuмulo extracellulare formato da depositi proteici (sostanza amiloide, formata da una componente fibrillare e una sierica). Essa causa atrofia delle cellule adiacenti per morte cellulare da compressione. Vengono classificate in base alla natura della proteina, all’ereditarietà e alla distribuzione:

• Amiloidosi AL (le proteine sono frammenti delle catene leggere di immunoglobuline);
• Amiloidosi AA (le proteine sono proteine siero amiloidi, prodotte in eccesso dal fegato);
• Transtiretina (amiloidosi di tipo ereditario, causata dalla mutazione del gene di questa proteina);
• Amiloidosi AH (la proteina è la β-2-microglobulina, una normale proteina del siero).

Infiammazione

L’infiammazione è la risposta iniziale del tessuto ad un danno, con la funzione di eliminarne la causa, rimuovere il tessuto morto e riparare il tessuto rimanente. Distinta in infiammazione acuta e infiammazione cronica.

Infiammazione acuta

Infiammazione con esordio rapido (secondi o minuti) e una durata breve (ore o giorni), caratterizzata da un accumulo di liquidi, di proteine plasmatiche e dal reclutamento dei leucociti (globuli bianchi).

La funzione principale dell’infiammazione è infatti quella di portare i leucociti sul sito del danno, in modo che possano eliminare eventuali microrganismi presenti, rimuovere i detriti cellulari derivati dalla necrosi e iniziare i processi di riparo dei tessuti. Si suddivide in una fase vascolare e in una fase cellulare:

Fase vascolare

Riguarda tutti i processi che portano alla formazione dell’edema, quindi principalmente:

• Vasodilatazione, interessa tutto il microcircolo e viene attivata da istamina (liberata dai mastociti), la quale si lega al suo recettore H1 sulle cellule endoteliali liberando NO, un potente vasodilatatore, il quale agisce sulla muscolatura liscia sottostante; questo causa quindi un generale rilasciamento degli sfinteri capillari e della muscolatura liscia arteriolare, con conseguente aumento del calibro delle arteriole e del numero di capillari aperti.
• Aumento della permeabilità vascolare, data dalla formazione di spazi tra una cellula e l’altra, dovuta al legame di fattori permeabilizzanti (tra cui l’istamina). Questo legame porta alla fosforilazione di proteine del citoscheletro e contrattili (miosina), causando la contrazione cellulare.

In generale, la vasodilatazione comporta un aumento dell’afflusso sanguigno, con un conseguente aumento della pressione idrostatica e quindi della fuoriuscita dei liquidi (e il loro accumulo) nei tessuti. Tutto ciò porta alla formazione dell’edema (il dolore deriva dalla pressione esercitata dall’edema sulle terminazioni nervose e dall’effetto delle prostaglandine).

Fase cellulare

Riguarda la migrazione dei leucociti dai vasi ai tessuti dove è attiva l’infiammazione, portando alla formazione dell’essudato infiammatorio. Il processo di estravasazione e chemiotassi dei leucociti può essere suddiviso in due fasi, la fase intravasale (comprende la fase di rotolamento, adesione e diapedesi) e la fase interstiziale (comprende chemiotassi e fagocitosi).

Fase di Rotolamento

Il rotolamento dei leucociti sul vaso, mediato dalle selectine (molecole di adesione, le quali possiedono un dominio selectinico sull’N-terminale che le permette di riconoscere e legare oligosaccaridi), si suddivide in tre diverse molecole, con tre espressioni differenti:

• P-selectine (espresse dall’endotelio attivato dall’infiammazione) sono le prime ad essere espresse; si trovano nelle cellule endoteliali in granuli di secrezione (granuli di Weibel-Palade), e vengono secrete in seguito a stimoli come istamina e trombina; traslocano poi in pochi minuti da questi granuli sulla superficie dell’endotelio.
• E-selectine (espresse sui linfociti T) espresse entro 1-2 ore dalle P-selectine, indotte da citochine infiammatorie (citochina IL-1 e TNF).
• L-selectine (espresse sui leucociti).

Il rotolamento dei leucociti è dovuto al fatto che il legame che si forma tra le selectine espresse sull’endotelio e gli oligosaccaridi dei leucociti è debole e viene rotto dal flusso sanguigno (aumentato per la fase vascolare).

Fase di Adesione

La adesione è mediata dalle integrine (espresse sui leucociti) e dalle immunoglobuline (espresse sulle cellule endoteliali).

• Le integrine sono in grado di legare diversi ligandi espressi sulle cellule endoteliali (qui legano le immunoglobuline) o presenti a livello della matrice extracellulare e delle membrane basali (qui legano il collagene, fibronectina, laminina).
• Esse sono attivate quando le chemochine (prodotte da macrofagi e dalle cellule endoteliali nell’area danneggiata, in seguito ad infiammazione) si legano al proprio recettore sui leucociti, provocando un cambiamento conformazionale delle cellule (quando non vi è infiammazione sono comunque espresse, ma con una bassa affinità per le immunoglobuline). La loro funzione è quindi quella di mediare l’adesione stretta dei leucociti alle pareti dei vasi per far sì che poi possa avvenire la migrazione.
• Le immunoglobuline vengono espresse sull’endotelio in seguito ad attivazione da parte di citochine infiammatorie (non sono quindi normalmente espresse).

Fase di Migrazione

La migrazione avviene a livello delle giunzioni tra le cellule endoteliali, quando vi è il legame tra immunoglobuline e integrine, le quali cambiano conformazione e permettono l’arresto del leucocita sulla parete del vaso, portando una riorganizzazione del citoscheletro delle integrine, il che fa sì che esse si appiattiscano e siano pronte per migrare nel processo di diapedesi.

Chemiotassi

Chemiotassi è il movimento orientato dei leucociti dal sangue ai tessuti periferici, il quale si verifica grazie ad un gradiente di fattori chemiotattici. Questi fattori possono essere derivati batterici, molecole antinfiammatorie derivati lipidici dell’acido arachidonico (come alcune componenti del sistema del complemento), leucotrieni o chemiochine (citochine chemiotattiche recentemente scoperte, le quali regolano il movimento dei leucociti).

Una volta che i leucociti hanno raggiunto il sito del danno, le cellule infiammatorie si attivano e svolgono due funzioni essenziali: fagocitano i microrganismi estranei e producono i mediatori dell’infiammazione.

Fagocitosi

Le cellule fagocitiche sono i macrofagi (professionali, hanno la fagocitosi come una delle funzioni principali) e le cellule epiteliali (non professionali, fagocitano i corpi apoptotici); queste cellule hanno capacità di internalizzare particelle. Questo processo è diviso in tre fasi:

1. Fase di Adesione: i recettori presenti sui fagociti riconoscono i microrganismi. Questi recettori possono essere non opsonici (recettore per il mannosio e recettore Scavenger) oppure opsonici.