Patologia generale

Adattamenti cellulari, danno e morte cellulare

La patologia è lo studio delle anomalie strutturali e funzionali che si presentano come malattie di organi e sistemi. È la scienza che studia il danno cellulare e i cambiamenti che conseguono all’adattamento. La cellula deve essere capace di adattarsi a condizioni ambientali avverse. Se un danno supera la capacità di adattamento della cellula, questa muore.

Introduzione

• Patologia generale: studia la causa e la natura di una malattia.
• Eziologia: studia le cause di una malattia. Suddivide le cause in endogene ed esogene.
• Patogenesi: meccanismi attraverso cui gli agenti eziologici causano malattia. Studia i meccanismi generali che portano alla comparse delle malattie.
• Omeostasi: mantenimento in stato stazionario di alcuni parametri interni, può riguardare le cellule, i tessuti e l’intero organismo.
• Fenomeno morboso: lieve deviazione dalla norma, a cui può anche non conseguire alcun sintomo. (es.: vasodilatazione e vasocostrizione)
• Stato morboso: condizione abnorme e permanente dell’organismo.
• Processo morboso: condizione dinamica con un esordio, un decorso e una fine.
• Malattia: alterazione capace di indurre uno stato di reattività dell’organismo.
• Fisiopatologia: modificazioni conseguenti ad uno stato o processo morboso.
• Sindrome: sintomi e segni a carico di più organi e apparati.

Reazioni allo stress persistente e danno cellulare

Le diverse risposte agli stress costituiscono le basi cellulari della malattia. Le cellule di mammifero si adattano al danno conservando le loro risorse. Una condizione di stress persistente porta al danno cronico.

Cronicizzazione: adattamento della cellula a un ambiente avverso. Le risposte adattative della cellula sono l’atrofia, l’ipertrofia, l’iperplasia, la metaplasia, la displasia e il deposito intercellulare.

Atrofia

L’atrofia è una risposta attiva che porta a riduzione delle dimensioni e della funzionalità. Atrofia: diminuzione delle dimensioni o della funzionalità di un organo, che può manifestarsi sia in condizioni fisiologiche che patologiche. Risposta adattativa nella quale la cellula si conforma a cambiamenti del suo ambiente interno, rimanendo comunque vitale. Si manifesta in diverse condizioni:

• Ridotta richiesta funzionale (reversibile)
• Insufficiente apporto di ossigeno (ISCHEMIA): blocco della perfusione tessutale. Condizioni di ischemia parziale a cui la cellula può resistere.
• Carenza di nutrienti: digiuno o alimentazione insufficiente
• Blocco di segnali trofici: atrofia degli organi bersaglio. Non è limitata a condizioni patologiche.
• Danno cellulare persistente: infiammazioni croniche, infezioni virali o batteriche prolungate o patologie autoimmuni.

Risposta adattativa e specifica; è reversibile.

Proteasomi e omeostasi cellulare

L’omeostasi cellulare richiede anche meccanismi che permettono alla cellula di distruggere selettivamente certe proteine. Il sistema più conosciuto è il sistema ubiquitina-proteasoma.

Ubiquitina e ubiquitinazione

Le proteine indirizzate alla degradazione vengono “marcate” con piccole catene di molecole di ubiquitina. L’ubiquitina è una proteina di 76 aminoacidi che viene coniugata alle proteine per identificarle come molecole da eliminare. Il processo di attacco dell’Ub alle proteine è chiamato ubiquitinazione. L’ubiquitinazione e l’eliminazione di specifiche proteine non sono solo importanti per la normale omeostasi cellulare, ma anche per i meccanismi di adattamento allo stress e al danno. Un difetto dell’ubiquitinazione è implicato in molteplici malattie neurodegenerative.

Ipertrofia

L’ipertrofia è un aumento delle dimensioni della cellula e della sua capacità funzionale. Degradazione di proteine che non contribuiscono alla crescita ipertrofica e la produzione di proteine che la stimolano. La morte cellulare programmata può essere inibita, con conseguente aumento della sopravvivenza cellulare.

Iperplasia

L’iperplasia è un aumento del numero di cellule in un organo. Implica che cellule quiescenti rientrino nel ciclo cellulare e si dividano. Dipende da:

• Stimoli ormonali: proliferazione di cellule bersaglio
• Aumentata richiesta funzionale: aumentata richiesta funzionale in condizioni fisiologiche
• Danno cellulare cronico: un’infiammazione cronica o l’esposizione cronica ad un agente fisico o chimico lesivo

Un’iperplasia non fisiologica può essere di per sé dannosa.

Metaplasia

La metaplasia è la conversione di un tipo cellulare differenziato in un altro. Risposta adattativa ad un danno cronico e persistente. Cambiamento del fenotipo cellulare per garantire la miglior protezione possibile al danno. La metaplasia ha vantaggi e svantaggi. Ha vari esiti: generalmente è del tutto reversibile. Può portare anche a trasformazione neoplastica.

Displasia

La displasia è una crescita e una maturazione disordinata delle cellule di un tessuto:

• Variazioni nelle dimensioni e nella forma delle cellule
• Ingrossamento, irregolarità e ipercromatismo dei nuclei
• Disposizione irregolare delle cellule nell’epitelio

Si osserva più frequentemente in un epitelio squamoso già iperplastico, tale condizione non è però esclusiva degli epiteli squamosi. Risposta alla persistenza di stimoli lesivi e di solito regredisce quando scompare lo stimolo che l’ha generata. Molte caratteristiche citologiche in comune con il cancro. Lesione preneoplastica che rappresenta una tappa necessaria nel processo tumorale multifasico. Mutazioni sequenziali nella popolazione cellulare proliferante. Espressione morfologica di un’alterata regolazione della crescita. In seguito ad opportuni interventi, l’aspetto istologico del tessuto può ancora tornare normale.

Meccanismi e aspetti morfologici del danno cellulare

Quando le modificazioni ambientali superano la capacità della cellula di mantenere la normale omeostasi si verifica il danno cellulare. La cellula ha il tempo di adattarsi in diversi modi. Se lo stimolo lesivo è elevato, il danno irreversibile che ne deriva porta a morte cellulare.

Il rigonfiamento idropico è un aumento del volume cellulare per accumulo di H₂O. Si presenta come un aumento di volume cellulare dovuto all’accumulo di acqua e rappresenta uno dei primi segni morfologici di danno cellulare. Si osserva nei casi di danno cellulare acuto. È un processo reversibile: se si rimuove lo stimolo la cellula ritorna al suo stato normale. Coinvolge tre componenti:

• Membrana plasmatica
• Pompa del sodio
• Apporto di ATP

Nel rigonfiamento idropico osserviamo anche cambiamenti negli organelli cellulari. Le cisterne del reticolo endoplasmatico rugoso possono disaggregarsi e staccarsi. Nell’ischemia, anche i mitocondri si rigonfiano. Occasionalmente si possono notare estroflessioni della membrana plasmatica senza perdita della vitalità cellulare e modifica della struttura nucleolare dentro al nucleo.

Lo stress ossidativo è un induttore di danno cellulare e di risposte adattative

Specie reattive dell’ossigeno (ROS)

Sono state identificate come una fonte di danno cellulare in molte malattie e processi patologici, tra cui:

• Processo infiammatorio
• Danno da agenti chimici tossici
• Danno da radiazioni ionizzanti
• Danno da cancerogeni chimici
• Invecchiamento

La riduzione dell’ossigeno ad acqua richiede il trasferimento, lungo la catena respiratoria mitocondriale, di quattro elettroni. Si generano:

• Anione superossido: prodotto per errori nel trasporto mitocondriale di elettroni o nella risposta infiammatoria
• Perossido di idrogeno: gli anioni O₂^- vengono catabolizzati dalla superossido dismutasi con produzione di perossido di idrogeno
• Radicale idrossilico: se prodotta in eccesso l’H₂O₂ viene convertita in radicale idrossilico. I radicali idrossilici si formano per:

1. Radiolisi dell’acqua
2. Reazione dell’H₂O₂ con il ferro ferroso
3. Reazione dell’O₂^- con l’H₂O₂

Il radicale idrossilico può danneggiare le macromolecole bersaglio in vario modo:

• Perossidazione lipidica
• Danni alle proteine
• Danni al DNA

Difese cellulari contro i radicali liberi dell’ossigeno

Le cellule dispongono di potenti difese antiossidanti contro i ROS.

• Enzimi detossificanti:
  • Superossido dismutasi: 2O₂^- + 2H⁺ → O₂ + H₂O₂
  • Catalasi: completa la dissoluzione dell’O₂^- eliminando l’H₂O₂
  • Glutatione perossidasi: catalizza la riduzione dell’H₂O₂ e dei perossidi lipidici nei mitocondri e nel citoplasma
• Scavenger dei ROS:
  • Vitamina E: blocca le reazioni delle catene di radicali liberi, proteggendo le membrane dalla perossidazione lipidica
  • Vitamina C
  • Retinoidi: interrompono la catena di reazioni sui fosfolipidi di membrana
  • Ossido nitrico: principale meccanismo tramite il quale i ROS vengono limitati

Materiali endogeni o esogeni possono generare accumuli intracellulari

Tra i diversi meccanismi di accumulo intracellulare distinguiamo:

• Accumuli di prodotti della degradazione di fosfolipidi: nei lisosomi, possono essere riutilizzati o restare come pigmenti insolubili di lipofuscina
• Accumuli di sostanze che non posso essere metabolizzate:
  • Sostanze endogene che non vengono processate
  • Pigmenti endogeni insolubili
  • Aggregati di proteine normali o anomale che possono causare tossicità cellulare
  • Particolari esogeni
• Accumuli per sovraccarico di normali costituenti dell’organismo

Accumulo di lipidi: la steatosi

Quando il trasporto di acidi grassi liberi al fegato aumenta o quando il metabolismo lipidico intra-epatico è alterato, i trigliceridi si accumulano nelle cellule epatiche e causano steatosi. Il fegato grasso (o steatosico) si identifica per la presenza di vacuoli contenenti goccioline lipidiche nel citoplasma degli epatociti. I depositi lipidici sono sempre reversibili, e non esiste prova certa che possano interferire con la funzionalità cellulare. L’epatite alcolica è caratterizzata da necrosi degli epatociti, infiltrato infiammatorio costituito da neutrofili, fibrosi perivenulare. La cirrosi presenta necrosi degli epatociti, distruzione della normale architettura del fegato, fibrosi che circonda noduli di parenchima epatico.

Le patologie da sovraccarico: ferro

Il contenuto totale di ferro può aumentare per aumentato assorbimento intestinale o trasfusione di sangue. Viene immagazzinato nelle cellule sotto forma di ferritina e di emosiderina. L’emosiderina è una forma parzialmente denaturata della ferritina, con tendenza ad aggregarsi nella cellula → EMOSIDEROSI. Solitamente non danneggia le cellule ma, se l’accumulo è eccessivo, si possono sviluppare sindromi da sovraccarico di ferri, il deposito di ferro è tanto elevato da danneggiare organi vitali. Un sovraccarico di ferro in alcuni organi può associarsi anche ad un aumento del rischio di cancro. L’accumulo intracellulare di ferro può essere anche ereditario. L’emocromatosi ereditaria primitiva è dovuto a un difetto genetico nel controllo dell’assorbimento intestinale del ferro.

La morte cellulare

La necrosi è la morte cellulare accidentale provocata da un ambiente ostile al quale la cellula non riesce ad adattarsi efficacemente. L’apoptosi è una forma di suicidio cellulare nel quale la cellula partecipa attivamente alla propria morte. L’autofagia s’instaura quando una situazione di stress richiede l’autodigestione di una parte dei costituenti macromolecolari cellulari. Le varie forme di morte cellulare non sono strettamente separate, ma hanno effettori molecolari e vie di trasduzione del segnale comuni.

La necrosi dipende da cause esogene e si associa ad aree di distruzione tessutale. Rigonfiamento cellulare e degli organelli, deplezione di ATP, aumento di permeabilità, rilascio di macromolecole e infine morte. La risposta è un’infiammazione acuta.

Necrosi coagulativa

Massiva “coagulazione” delle proteine. La cellula morta mantiene per un certo tempo la sua struttura generale. Il citoplasma di una cellula necrotica appare più eosinofilo. Si distinguono:

• Pinocitosi: nucleo più piccolo
• Carioressi: nucleo si rompe
• Cariolisi: nucleo non è più visibile

La cellula morente si contraddistingue per la dilatazione del reticolo endoplasmatico, ribosomi disaggregati, mitocondri rigonfi e calcificati, citoscheletro aggregato e protrusioni della membrana plasmatica. Dopo un tempo variabile inizia l’attività litica degli enzimi intracellulari ed extracellulari, che porta a disintegrazione della cellula.

Necrosi colliquativa

La velocità di dissoluzione dei componenti cellulari è di molto superiore alla velocità di ricostituzione. L’accumulo denso di cellule infiammatorie provoca morte rapida delle cellule e distruzione del tessuto. Il risultato è spesso un ascesso (area di necrosi colliquativa in cavità neoformata, circondato da una capsula fibrosa). Può avvenire anche in assenza di infezione.

Necrosi caseosa

Caratteristica della tubercolosi. Le cellule morte del tessuto non scompaiono per lisi, ma rimangono indefinitamente sotto forma di detriti amorfi. Attribuita agli effetti tossici di componenti della parete del micobatterio.

Necrosi ischemica

Processi fondamentali:

• Interruzione dell’apporto di sangue
• Sovrapproduzione di acido lattico e diminuzione del pH intracellulare
• L’attività delle pompe di membrana si riduce e l’acidosi intracellulare altera l’equilibrio ionico della cellula
• Ca²⁺ si accumula nella cellula
• L’attivazione di fosfolipasi e proteasi distrugge la membrana plasmatica e il citoscheletro
• La mancanza di ossigeno ostacola il corretto trasporto mitocondriale di elettroni, riducendo la sintesi di ATP e facilitando la produzione di ROS
• Il danno mitocondriale favorisce il rilascio del citocromo e nel citoplasma
• La cellula muore

Ischemia del miocardio

Il flusso ematico risulta inadeguato a soddisfare la richiesta di ossigeno al cuore. La glicolisi anaerobia è insufficiente a sostenere la contrazione cardiaca. Quando questo deficit provoca un focolaio discreto di necrosi distalmente all’area occlusa si parla di infarto. L’infarto miocardico non si sviluppa istantaneamente. Un’occlusione coronarica transitoria può causare solo necrosi subendocardica. Un’occlusione persistente porta alla fine a necrosi transmurale. L’obiettivo degli interventi coronarici in acuto è limitare la necrosi.

Il danno da ischemia/riperfusione riflette lo stress ossidativo

Un danno da ischemia/riperfusione è il danno tissutale conseguente alla riesposizione all’ossigeno dopo il ristabilimento del flusso ematico. Tre livelli di danno cellulare, in relazione alla durata dell’ischemia:

• Ischemia di breve durata, la riperfusione ripristina l’integrità strutturale e funzionale della cellula. Il danno ischemico risulta reversibile.
• Ischemia di maggiore durata, la riperfusione contribuisce al deterioramento e alla morte cellulare.
• Nell’ischemia prolungata, il danno letale si sviluppa per l’ischemia stessa, non per la riperfusione.

L’apoptosi è un meccanismo molecolare di suicidio programmato

Morte cellulare programmata innescata da segnali intra- ed extra-cellulari. Meccanismo di autodifesa per distruggere le cellule che sono state infettate da patogeni. Riconosce e distrugge cellule che presentano mutazioni pericolose. Cloni di cellule tumorali mettono in atto meccanismi per evitare l’apoptosi.

Morfologia delle cellule apoptotiche

Riconosciute per la picnosi e la frammentazione cellulare. L’apoptosi interessa singole cellule o piccoli gruppi di cellule. Le cellule apoptotiche vanno incontro a:

1. Condensazione e frammentazione nucleare
2. Segregazione degli organuli citoplasmatici
3. Protrusioni
4. Formazione di frammenti cellulari avvolti da membrana (corpi apoptotici)

La necrosi stimola una forte risposta infiammatoria, l’apoptosi no. È insolito che siano richiamati neutrofili o linfociti dal circolo. Tra le funzioni fisiologiche ricordiamo:

• Regressione di strutture anatomiche temporanee durante lo sviluppo embrionale
• Elimina i cloni autoreattivi durante la maturazione del sistema immunitario
• Elimina le cellule senescenti
• Elimina il tessuto ipoplastico in organi che rispondono a cambiamenti dei segnali trofici
• Elimina cellule che hanno subito un danno irreparabile al DNA

Rappresenta una difesa contro la disseminazione di un’infezione al fine di rimuovere le cellule infette prima che possano propagare il virus.

L’apoptosi è regolata da diverse vie di trasduzione del segnale

Attivata da diverse vie molecolari:

• Via estrinseca: interazione ligandi-recettori
• Via intrinseca: stress intracellulare, ruolo centrale dei mitocondri
• Fenomeni infiammatori o agenti infettivi
• Via della perforina tipica dei linfociti T citotossici

La maggior parte degli intermedi molecolari che trasducono segnali apoptotici appartengono a una famiglia di cistein-proteasi chiamate caspasi.

Apoptosi da segnali extracellulari

Domini di morte agganciano i domini di morte di altre proteine che trasmettono segnali intracellulari preapoptotici. L’attivazione della cascata delle caspasi avviene anche quando i linfociti T citotossici individuano cellule bersaglio.