Oncologia - Cause e fattori

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

Tipo Esempi

Genetico Difetti genici, difetti cromosomici

Nutrizionale Deficienze o eccessi di sostanze nutritive, ad

es. ferro, vitamine

Immunologico Danni causati dal sistema immunitario, ad

es. autoimmunità

Endocrino Attività ormonale carente o eccessiva

Agenti fisici Traumi, danno termico, radiazioni

Agenti chimici Metalli pesanti, solventi, farmaci

Agenti infettivi Virus, batteri, parassiti, funghi

Anossia Secondaria ad alterazioni dell’apporto

ematico

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 PERMEABILITA’ DI MEMBRANA

E’ 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: 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 O 2

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 H O per mezzo

2 2

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 H

2

• 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 (CCl )

4

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

E’ 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 microsocopio elettronico: evidenti discontinuità della membrana

plasmatica e degli organelli, marcata dilatazione dei mitocondri

con grandi corpi densi amordi, 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.

E’ determinata da ipossia brusca che non consente il processo di

adattamento che porta alla glicolisi anaerobia.

TIPI DI NECROSI

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) TIPI DI NECROSI

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”.

TIPI DI NECROSI

Necrosi caseosa

E’ una forma di necrosi coagulativa che si riscontra in foci di infezione

tubercolare. E’ 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’architettuta tessutale è

irriconoscibile. TIPI DI NECROSI

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.

 E’ caratteristica delle infezioni focali batteriche e talvolta di quelle

dei funghi: sono un potente st