Patologia cellulare - Appunti

Patologia cellulare

Le varie cause di malattia determinano un danno cellulare con modalità diverse, riconducibili ad alcune categorie spesso intercambiabili e contemporanee. Qualsiasi causa di malattia produrrà un danno cellulare a seconda dell’entità, della durata dello stimolo e del tipo cellulare su cui incide. Si possono avere danni reversibili o danni irreversibili. La morte della cellula avviene classicamente con due modalità: necrosi (le cellule perdono completamente la loro struttura e il contenuto cellulare si riversa all’esterno) e apoptosi (fenomeni energia dipendenti, il contenuto della cellula non viene mai in contatto con l’esterno, si formano dei frammenti che si autodigeriscono).

Danno da ROS

I radicali liberi dell’ossigeno sono: O₂•, H₂O₂, OH•, ONOO. Sono molecole altamente reattive perché dotate di elettroni spaiati nell’orbitale interno, e reagiscono con le molecole organiche ossidandole (proteine, lipidi e DNA). I lipidi danneggiati dai ROS diventano a loro volta dei radicali ossidativi e quindi tendono a determinare la propagazione del danno. Gli effetti possono essere reversibili o irreversibili (seguito da morte). Si può anche avere senescenza cellulare (conseguenza del complesso dei danni sia dei ROS, sia da alterato ripiegamento delle proteine) o trasformazione neoplastica (danni al DNA mantenuti).

I ROS si producono fisiologicamente dal metabolismo cellulare nella catena respiratoria. Una quota degli elettroni che entrano non viene utilizzata in modo corretto, c’è una perdita di elettroni che si combinano con molecole di acqua (con l’ossigeno) producendo radicali ossidativi. Questa quota di produzione è maggiore all’aumentare della concentrazione di ossigeno nella cellula, per questo la somministrazione di un’elevata quantità di ossigeno può essere dannosa.

Nelle cellule, una certa quota di ROS viene prodotta in caso di infiammazione (i macrofagi distruggono ciò che viene fagocitato sia tramite il meccanismo degli enzimi lisosomiali, ma anche tramite la produzione di questi ROS attraverso la perossidasi). Ogni volta che c’è fagocitosi e infiammazione c’è la produzione di abbondanti ROS in un tessuto. Questo è inevitabile nel corso della vita di una persona.

L’ossido nitrico è un mediatore del tono vascolare (vasodilatatorio), facilmente produce radicali liberi dell’ossigeno e può portare a effetti ossidativi. Alcuni enzimi producono superossidi, quindi ROS. Nell’ambiente sono presenti composti chimici tossici (metalli pesanti, fumo e inquinamento atmosferico) che producono ROS, quindi l’ambiente inquinato è un ambiente che produce ROS. La riperfusione dei tessuti in seguito a ischemia genera ROS, quindi nei tessuti che hanno subito un danno ischemico, nel momento del ripristino della circolazione si verifica un aumento della produzione di ROS che aggrava il danno. Esistono diverse reazioni che portano alla formazione di ROS ad esempio la combinazione di ferro e acqua.

C’è una fase di iniziazione in cui si produce il radicale dell’ossigeno, che spesso agendo sulle molecole organiche genera altri radicali nella fase di propagazione. Questa può essere arrestata dall’azione degli antiossidanti che catturano gli elettroni in eccesso nella fase di terminazione. Sui lipidi i ROS agiscono determinando perossidazione lipidica soprattutto a livello degli acidi grassi polinsaturi delle membrane. Si ha così la propagazione. Se incontra l’antiossidante c’è la terminazione, altrimenti prosegue. Un lipoperossido è una molecola idrofila, non più idrofoba, si ha quindi lo scompaginamento delle membrane, con alterati rapporti rispetto alle proteine di membrana, quindi in generale un danno di membrana che può essere più o meno grave fino alla distruzione completa della membrana e quindi morte cellulare.

Un danno si può verificare anche a livello di proteine con ossidazione delle catene laterali e formazione di legami crociati anomali, portando quindi ad alterazione e in alcuni casi a frammentazione. In generale si ha un alterato ripiegamento che porta alla produzione di HSP e infine alla degradazione proteasomica (tramite ubiquitina). A livello del DNA il danno tipico è l’ossidazione della guanina, che può determinare poi danni alla replicazione del DNA e danni maggiori possono derivare da maggiori quantità di ROS con formazione di NICCHIE (rottura della singola elica) ma anche rottura della doppia elica. Si formano siti AP (abasici) e in entrambi i casi il meccanismo di riparazione è il BER con eliminazione della base ossidata, sostituita dalla base corretta.

Azione del CCl₄: contaminante industriale molto comune. La sua azione è collegata alla capacità di determinare perossidazione lipidica che produce danni di membrana. Aumento di permeabilità cellulare, rigonfiamento cellulare, entrata di calcio, distruzione dei mitocondri, morte cellulare. Genera anche l’accumulo di lipidi nelle cellule (non producendo proteine non può indirizzare i lipidi alle loro sedi).

L’evoluzione dei ROS può essere bloccata dagli antiossidanti contenuti in molti tipi di frutta e verdura. Gli antiossidanti sono enzimi (SOD introduce protoni producendo acqua ossigenata e ossigeno gassoso, catalasi metabolizza l’acqua ossigenata formando acqua e ossigeno gassoso, quindi l’azione combinata di SOD e catalasi permette l’azione di antiossidanti. Inoltre il glutatione ridotto è un altro meccanismo antiossidante che necessita di G6P deidrogenasi. L’ossidazione del glutatione ridotto neutralizza i ROS producendo acqua), proteine veicolanti i metalli pesanti (che sono precursori di ROS), alcune vitamine naturali (A, E e C), selenio (partecipa a reazioni di neutralizzazione dei ROS ed è presente in alcuni alimenti vegetali in relazione al terreno).

L’alterazione delle proteine (anche da ROS) porta alla produzione delle HSP che sono delle chaperonine che mantengono la forma delle proteine (divise in 3 classi). Una proteina simile è l’ubiquitina che quando aggiunta alle proteine in copie multiple (poliubiquitinazione) determina la modificazione di queste proteine che vanno verso la degradazione nel proteasoma.

Danno da deplezione di ATP

Quando la fosforilazione ossidativa risulta insufficiente (ad esempio in caso di carenza di ossigeno) si ha la deplezione di ATP. Questo avviene in caso di ischemia o di ipossia. L’ipossia consente ancora un’eliminazione di cataboliti e consente l’apporto di sostanze nutritive quindi è meno grave dell’ischemia. In caso di ipossia a causa di insufficienza respiratoria non si ha una distruzione tissutale che invece si trova nell’ischemia che non porta ossigeno e nutrienti e non elimina i cataboliti.

Si ha ischemia quando c’è ostruzione vascolare (patologia più importante dell’uomo occidentale a causa dei fenomeni correlati con l’aterosclerosi che si può combinare con trombosi e ischemia). L’ipossia è causata sia dall’ischemia ma anche ad altri fattori come l’anemia (poca emoglobina che trasporta poco ossigeno), insufficienza respiratoria, stasi venosa, mescolamento di sangue arterioso e venoso, avvelenamento da ossido di carbonio o azoto gassoso. Tutte queste condizioni impediscono la fosforilazione ossidativa facendo crollare il livello di ATP disponibile alterando quindi tutte le funzioni ATP dipendenti:

• Alterazione delle pompe ioniche ATP dipendenti: pompa sodio/potassio: la sua alterazione porta a ingresso di sodio nella cellula che si porta dietro acqua, la cellula si rigonfia e determina estroflessioni, erniazioni della membrana dovute alla pressione, fino alla lisi cellulare; pompe del calcio: il calcio si muove liberamente nella cellula attivando enzimi litici con morte cellulare;
• Cessazione della sintesi proteica;
• Attivazione di fenomeni di utilizzazione delle riserve interne di amminoacidi, proteine ecc. La cellula si autodigerisce, diminuisce di volume e atrofizza.
• Uso dell'ATP e produzione di AMP che stimola il metabolismo anaerobico che produce acido lattico, quindi si ha diminuzione del pH intracellulare (acidosi intracellulare), la quale comporta danni quali condensazione della cromatina, denaturazione proteica, minore attività enzimatica e fenomeni di carattere necrotico (necrosi coagulativa a causa della denaturazione delle molecole organiche).

Danno mitocondriale

Le cause sono: danno di membrana, aumento del Ca⁺⁺ citosolico e attivazione di fosfolipasi e proteasi, azione dei radicali liberi dell’ossigeno sulla membrana, azione di ceramide e acidi grassi. Si ha quindi la formazione di pori di membrana ad alta conduttanza, quindi la transizione verso la permeabilità mitocondriale che da reversibile diventa irreversibile. Si ha la fuoriuscita di molecole citocromiche con l’innesco dell’apoptosi, e l’alterazione del potenziale di membrana con blocco della fosforilazione ossidativa e questo porta a deplezione di ATP.

Danno di membrana

Le cause sono: radicali liberi dell’ossigeno, attivazione delle fosfolipasi (ingresso di Ca⁺⁺), ridotta sintesi di fosfolipidi, azione dannosa dei prodotti di degradazione dei fosfolipidi ad azione detergente, anomalie del citoscheletro, deficit di ATP (rigonfiamento, estroflessioni di membrana, ingresso di Ca⁺⁺).

In seguito all’azione di queste cause ci sono vari effetti:

• Membrana plasmatica: erniazioni di membrana plasmatica; ingresso di acqua e rigonfiamento della cellula; alterazione della segnalazione recettoriale; perforazione della membrana e fuoriuscita di contenuto cellulare.
• Membrana del reticolo endoplasmatico: fuoriuscita di Ca⁺⁺ verso il citoplasma; riduzione o blocco della sintesi proteica.
• Membrana degli organuli vescicolari: fuoriuscita degli enzimi e dei perossidi e auto digestione della cellula.
• Membrana mitocondriale: alterazione della fosforilazione ossidativa; fuoriuscita di Ca⁺⁺; fuoriuscita di Citocromo C.

Danno da alterata omeostasi del calcio

Causata da malfunzionamento delle pompe ioniche, alterazione di membrana con alterata permeabilità, acidosi ischemica, tossine. Tutto questo porta all’aumento del calcio citoplasmatico.

Nella cellula il calcio è nel reticolo endoplasmatico, nei mitocondri, legato a proteine leganti il calcio (calmodulina, calpaine, proteine enzimatiche, actomiosina). Il gradiente tra comparto intracellulare (0,1 µM) e comparto extracellulare (1,1 – 1,4 mM) è mantenuto da pompe ATP dipendenti. Nel momento in cui troviamo maggiori quantità di calcio nella cellula abbiamo l’attivazione di enzimi proteolitici (fosfolipasi, nucleasi, ATPasi e proteasi). In questo modo si ha danno cellulare (alle membrane, ai mitocondri, al citoscheletro e al DNA).

Un particolare tipo di danno è il danno ischemico-ipossico. È una delle situazioni più comuni di innesco dei meccanismi di danno cellulare. L’ischemia ha come prima conseguenza la riduzione della fosforilazione ossidativa e la deplezione di ATP, quindi alterazione del funzionamento delle pompe e alterazione del metabolismo energetico (glicolisi anaerobia, deplezione di glicogeno, produzione di acido lattico quindi acidosi intracellulare, e accumulo di fosfati e nucleosidi difosfati che portano ad un effetto osmotico che contribuisce al rigonfiamento cellulare). Si ha inoltre alterazione della sintesi proteica (distacco dei ribosomi dal RER e frammentazione del RER in polisomi e monosomi). Poi si ha l’alterazione della trascrizione per alterazione della sintesi proteica (fattori trascrizionali) e della struttura della cromatina (addensamento).

Il passaggio da danno reversibile a danno irreversibile avviene attraverso un aggravamento delle condizioni. Si perdono i microvilli, si generano erniazioni di membrana e un rigonfiamento mitocondriale maggiore, si formano figure mieliniche che derivano da strati intercalati di acqua e fosfolipidi derivati dalla membrana, la cui struttura si altera per perdita di componenti proteiche.

Le cellule che hanno subito un danno irreversibile sono destinate a morire e possono andare incontro a necrosi. Forme di danno più sottile inducono invece l’apoptosi.

Danno da ischemia e riperfusione: in seguito a riperfusione si osserva l’aggravarsi del danno. Le cause sono: produzione di ROS (il tessuto danneggiato causa alterata funzione mitocondriale e alterata produzione di antiossidanti), aumento della permeabilità mitocondriale (da ROS o da danno di membrana dovuto all’aumento di calcio intracellulare), sviluppo di una reazione infiammatoria (scatenata dai danni cellulari nel momento in cui tornano disponibili i leucociti ematici).

Necrosi

La necrosi è una modalità di morte cellulare che comporta la distruzione della cellula con disintegrazione della struttura cellulare anche se l’architettura può essere preservata. Nella morte per necrosi c’è sempre discontinuità della membrana plasmatica con comunicazione tra interno ed esterno e fuoriuscita del contenuto citoplasmatico provocando infiammazione.

Morfologicamente la necrosi è successiva alla morte. Una cellula può essere morta senza essere necrotica e avendo perfetta conservazione delle sue strutture. L’esempio più evidente sono le cellule fissate. A livello cellulare gli aspetti morfologici coincidono con quelli del danno irreversibile o sono ancora più evidenti:

• Citoplasma: al microscopio ottico: eosinofilia citoplasmatica (dovuta alla perdita di RNA e ad eosinofilia delle proteine denaturate); vacuolizzazione citoplasmatica (da digestione degli organuli e da anomalie della permeabilità); irregolarità di membrana (erniazioni, interruzioni); al microscopio elettronico: fissurazioni di membrana; rigonfiamento mitocondriale con corpi densi; aree amorfe costituite da ammassi proteici denaturati; figure mieliniche.
• Nucleo: picnosi (addensamento cromatinico e riduzione di volume, basofilia); carioressi (frammentazione nucleare di un nucleo picnotico); cariolisi (perdita di basofilia e dissoluzione del nucleo per digestione del DNA).

A morte cellulare avvenuta, la necrosi deriva da due processi che si combinano in proporzioni diverse: la denaturazione delle molecole organiche (proteine e acidi nucleici) e la digestione enzimatica delle strutture cellulari da parte degli enzimi lisosomiali. La prevalenza della componente denaturazione genera di solito necrosi coagulativa, mentre la prevalenza dell’azione degli enzimi lisosomiali genera necrosi colliquativa.

Necrosi colliquativa: si ha quando c’è abbondanza di liquidi e abbondanza di enzimi lisosomiali. Prevale la digestione lisosomiale delle cellule e del tessuto. Trattandosi di un’idrolisi ci vuole l’acqua. Morfologicamente avremo: perdita della struttura cellulare, perdita della struttura tissutale, materiale liquido derivante dalla dissoluzione idrolitica delle cellule. Si verifica tipicamente in due circostanze: necrosi cerebrale (alto contenuto di enzimi lisosomiali, alto contenuto di acqua e scarso connettivo fibroso), e nelle necrosi con intensa componente infiammatoria (abbondanti enzimi lisosomiali apportati dai leucociti infiammatori e abbondante liquido costituito dall’essudato infiammatorio). Si dice autolisi la necrosi derivante dall’autodigestione della cellula con i propri enzimi lisosomiali. Si dice eterolisi la digestione mediata da enzimi portati da altre cellule.

Necrosi coagulativa: è la forma più comune di necrosi in quanto comprende la necrosi ischemica, tranne quella cerebrale che è sempre colliquativa. Si ha tipicamente nelle ustioni. La struttura complessiva del tessuto può essere preservata per giorni, perché il tessuto mantiene consistenza. Si ha necrosi coagulativa quando c’è scarsità di liquidi, scarsità di enzimi e denaturazione degli enzimi lisosomiali a causa dell’agente causa di necrosi. Prevale la denaturazione proteica sulla digestione da parte degli enzimi lisosomiali.

Necrosi caseosa: è la tipica necrosi da tubercolosi. Si ha la distruzione completa dell’architettura cellulare e tessutale (massa amorfa). La consistenza è caseosa-friabile o molle. È dovuta all’impossibilità dei macrofagi di digerire la parete batterica acido-alcool resistente del micobatterio. I macrofagi si lisano e rimangono gli ammassi di materiale derivante dai batteri e dalle cellule morte. L’area necrotica è circondata da un’area di infiammazione cronica granulomatosa. In caso di riacutizzazione della malattia la necrosi caseosa si può trasformare in colliquativa e dare lo svuotamento dell’area e la formazione delle caverne tubercolari.

Necrosi emorragica: necrosi con stravaso eritrocitario nel tessuto. Si ha soprattutto in caso di congestione venosa per ostacolo al ritorno venoso.

Necrosi gommosa: tipica della sifilide, simile a quella caseosa ma di consistenza dura, gommosa, non friabile. Necrosi fibrinoide (degenerazione fibrinoide): abbondante deposizione di fibrina in ammassi proteici, è tipica delle vasculiti o dei vasi danneggiati dall’ipertensione maligna.

Necrosi grassa (steatonecrosi): necrosi del tessuto adiposo: traumatica (con distruzione tissutale e conseguente digestione dei grassi ad opera di enzimi cellulari), da pancreatite (liberazione di lipasi che provocano la digestione delle cellule adipose e dei grassi in esse contenuti). Le cellule necrotiche si accompagnano a deposizione di calcio e conseguente saponificazione dei grassi, con formazione di aree amorfe.

Gangrena (cancrena): necrosi estesa a tutto spessore dei tessuti molli con decomposizione dei tessuti. Può essere: secca: tessuti nerastri, duri, mummificati. Prevale l’evaporazione. Si sviluppa nelle parti periferiche o degli arti, spesso nei piedi, per ischemia causata da arteriosclerosi. A rischio di gangrena secca sono i pazienti con prob