IL DANNO CELLULARE

IL DANNO CELLULARE
Vi sono diversi stimoli che possono causare
danni alla cellula, tra cui:
• Agenti fisici (traumi meccanici, radiazioni, variazioni di
t
temperatura,
t
etc.)
t )
• Agenti chimici (farmaci, veleni, etc.)
• Agenti infettivi (virus, batteri, etc.)
• Deficit nutrizionali
• Deficit di ossigeno (ipossia) o deficit di apporto ematico ai
tessuti (ischemia)
• I danni possono variare in intensità e durata;
p sono
inoltre cellule di diverso tipo
diversamente sensibili ai vari tipi di danno.
• Le strutture cellulari sensibili agli
g agenti
g
di
danno sono le membrane e gli organuli
(mitocondri, reticolo endoplasmatico).
• A livello molecolare sono coinvolte proteine,
p e acidi nucleici
lipidi
Risposta cellulare a stress e stimoli dannosi
Sviluppo sequenziale dei cambiamenti biochimici e
morfologici nel danno cellulare
Modificazioni morfologiche nel danno cellulare
Morfologia del danno cellulare
Rigonfiamento
Ri
fi
t
id
idropico:
i
aumento
t del
d l volume
l
cellulare
ll l
causato
t
dall’aumento del contenuto di acqua della cellula. É dovuto a danno
cellulare acuto e reversibile. Il liquido
q
si accumula nelle cisterne del
redicolo endoplasmatico.
Alterazione della regolazione del volume
cellulare che coinvolge per lo più il controllo
della concentrazione del sodio intracellulare,
che a sua volta dipende da:
1) membrana plasmatica
2) pompa del Na+/K+-ATPasi sulla membrana
plasmatica
3) apporto di ATP
Agenti
g
nocivi ppossono interferire
1) aumentando la permeabilità al sodio della
membrana plasmatica; 2) danneggiando la
ppompa;
p 3)) interferendo con la sintesi dell’ATP
Fegato di paziente con danno epatico
Morfologia del danno cellulare
M difi i i subcellulari
Modificazioni
b ll l i
• Reticolo endoplasmatico - Dilatazione a causa del rigonfiamento idropico.
I polisomi legati alle membrane possono disaggregarsi e staccarsi dalla
superficie del reticolo endoplasmatico rugoso
Epatociti
E
t iti normali,
li con
tubuli di RE paralleli e
strettamente organizzati
Epatociti rigonfi per
eccesso di liquido
accumulato in cisterne del
RE
Epatociti
E
t iti normali:
li i profili
fili
del RE sono costellati da
ribosomi
Epatociti
E
t iti danneggiato:
d
i t
distacco dei ribosomi,liberi
nel citoplasma
Morfologia del danno cellulare
M difi i i subcellulari
Modificazioni
b ll l i
• Mitocondri – In alcune forme di danno acuto (ischemia) si ha
rigonfiamento dei mitocondri per perdita di controllo del volume cellulare
Mitocondri normali, allungati, con
creste sporgenti che attraversano la
matrice
Danno ischemico acuto: rigonfi e
tondeggianti, con ridotta densità
della matrice
Morfologia del danno cellulare
Modificazioni subcellulari
• Membrana plasmatica – Occasionalmente estroflessioni (blebs), cioè
estrusioni focali del citoplasma,
citoplasma che possono distaccarsi dalla membrana
senza che vi sia perdita della vitalità cellulare.
•Nucleo – Cambiamenti
bi
i a carico
i del
d l nucleolo,
l l nell quale
l sii assiste
i
alla
ll
separazione delle componenti granulari e fibrillari
Meccanismi del danno cellulare
Sono stati individuati 4 sistemi intracellulari
particolarmente vulnerabili:
•respirazione aerobia
•sintesi proteica
•integrità
i t ità d
delle
ll membrane
b
cellulari
ll l i
•integrità dell’apparato genetico
Le componenti biochimiche e strutturali della cellula sono così strettamente correlate
che indipendentemente dal preciso punto di attacco,
che,
attacco il danno in una sede porta ad un
ampio spettro di effetti secondari (blocco respirazione>↓ATP>ingresso acqua etc).
Le alterazioni biochimiche precedono le modificazioni morfologiche del danno cellulare
(morte del miocardio evidente al MO solo dopo 10-12
10 12 ore sebbene il danno irreversibile
si verifichi dopo 20-60 min).
Meccanismi di danno cellulare
Per alcuni
P
l
i agentiti dannosi
d
i i siti
iti biochimici
bi hi i i di attacco
tt
sono ben
b
d fi iti (tossine
definiti
(t
i
batteriche, cianuro inibisce la citocromo ossidasi) ma in generale le cause precise che
portano a morte cellulare non sono conosciute.
IIn generale
l sii può
ò dire
di che
h la
l glicolisi,
li li i il ciclo
i l di Krebs
K b e la
l fosforilazione
f f il i
ossidativa
id ti
sono particolarmente vulnerabili. Indipendentemente dall’agente scatenante le
maggiori cause di morte sono:
A.deplezione
A
d l i
di ATP (prodotto
( d tt dalla
d ll fosforilazione
f f il i
ossidativa
id ti
e dalla
d ll glicolisi)
li li i) e la
l
diminuita sintesi di ATP - danno ischemico e tossico.
B.ossigeno e radicali liberi derivati dall’ossigeno - Perossidazione dei lipidi di
membrana,
b
f
frammentazione
t i
d l DNA,
del
DNA cross-linking
li ki di proteine.
t i
C.calcio intracellulare e perdita dell’omeostasi del calcio (intra < 0,1 mM; extra
1,3 mM). Mantenuto soprattutto all’interno dei mitocondri e reticolo endoplasmatico da
pompe ATPasi
ATP i associate
i t alla
ll membrana.
b
I t
Interruzione
i
di ATP o aumento
t non specifico
ifi
della permeabiltà di membrana fanno aumentare Ca intracellulare -> attivazione di
numerosi enzimi (fosfolipasi; proteasi, ATPasi, endonucleasi).
D dif tti della
D.difetti
d ll permeabilità
bilità di membrana
b
- Perdita
P dit dei
d i gradienti
di ti di concentrazione.
t i
E.danno mitocondriale - Perdita del gradiente dei protoni (ostacola la formazione di
ATP), fuoruscita del citocromo C nel citosol (apoptosi).
Meccanismi di danno cellulare
Meccanismo di azione del danno da deplezione di ATP
Meccanismo di azione del danno mitocondriale
Meccanismo di azione del danno da aumento del calcio
Meccanismo di azione del danno di membrana
Meccanismi di danno cellulare
Danno ischemico e ipossico
(deplezione di ATP)
Diminuita
Di
i it disponibilità
di
ibilità di ossigeno,
i
o possibilità
ibilità di utilizzarlo,
tili
l da
d parte
t di un certo
t
distretto tissutale
1.
IPOSSIA IPOSSICA (riduzione della PO2 nell’aria inspirata) e ipossiemica (riduzione della PO2 nel sangue
arterioso): si ha inadeguata ossigenazione del sangue arterioso che riduce la PO2, il contenuto di O2 nel sangue
arterioso e la % di saturazione dell’emoglobina. E’ normale la differenza (a-v) della concentrazione di O2. Le
cause sono: diminuita ventilazione o diffusione dell’aria ispirata, limitata disponibilità di O2 (alta quota) o altro.
2
2.
IPOSSIA ANEMICA:
ANEMICA difetto
dif tt quantitativo
tit ti
o qualitativo
lit ti
(
(per
dif tt congenito
difetto
it o avvelenamento)
l
t )
dell’emoglobina. La PO2 nel sangue è normale ma è ridotta la quota di O2 legata all’emoglobina.
3.
IPOSSIA ISCHEMICA E STAGNANTE : diminuito influsso di sangue in un distretto tissutale più o meno
ampio a seconda del vaso occluso.
occluso La distribuzione dell
dell’ossigeno
ossigeno al tessuto è più bassa del normale.
normale Si abbassa
anche la distribuzione ai tessuti di altri componenti del sangue (glucosi, grassi, ioni, ecc.). Per rispondere alla
normale richiesta di ossigeno l’area interessata rimuove dal sangue una quantità di ossigeno superiore al
normale. Quindi: quantità di O2, PO2 e % di saturazione dell’emoglobina sono normali nel sangue arterioso ma
più
iù basse
b
i quello
in
ll venoso
4.
IPOSSIA ISTOTOSSICA: incapacità del tessuto di utilizzare O2. E’ causata da veleni della respirazione
cellulare. La PO2 nel sangue arterioso che perfonde il tessuto è normale ma è aumentata in quello venoso.
5.
IPOSSIA GENERALIZZATA (Insufficienza cardiaca e Shock): abbassamento della gittata cardiaca o squilibrio
fra gittata cardiaca e ampiezza del letto vascolare. Abbassamento globale della pressione ematica con
insufficiente perfusione di tutti gli organi.
Danno ipossico
Il primo punto di attacco dell’ipossia è la respirazione cellulare cioè la fosforilazione
ossidativa mitocondriale
Riduzione dei livelli di energia (ATP)
Danno ipossico
L’attività della pompa del Sodio
ATP-dipendente di membrana si riduce
Accumulo di Sodio intracellulare
Richiamo di acqua per osmosi
Rigonfiamento cellulare
Glicolisi anaerobia
Deplezione di glicogeno
Diminuzione del pH
Diminuita sintesi proteica
Addensamento della cromatina nucleare
Patogenesi del danno ischemico ed ipossico
Meccanismi del danno ipossico
Meccanismi del danno ipossico
Danno da ischemia/riperfusione
Riduzione di apporto sanguigno ad un tessuto o ad un organo.
L’ischemia può essere:
• focale, per occlusione di un vaso per placca ateromasica, trombo o embolo
• diffusa per:
– riduzione del flusso ematico per arresto cardiaco,
cardiaco emorragie,
emorragie shock
– uno stato ipossico generalizzato (soffocamento, intossicazione da monossido di carbonio)
L’ischemia produce stress e modificazioni cellulari con produzione di radicali liberi
La riperfusione fornisce una notevole quantità di O2 che viene convertito dai
radicali liberi in specie reattive dell’ O2 (ROS)
Ischemia – riduzione del flusso ematico •
La riduzione del calibro di un vaso sanguigno (stenosi)
determina a valle la riduzione del flusso ematico
(ischemia) con caduta di pressione proporzionale alla
riduzione stessa.
•
Il gradiente pressorio che si crea stimola la dilatazione
dei vasi di resistenza, allo scopo di mantenere un flusso
adeguato in condizioni basali.
basali
•
Se la stenosi riduce la sezione del vaso di oltre l’80%, si
ha una riduzione del flusso anche in condizioni basali;
in questa situazione l’albero coronarico impegna gran
parte della sua “riserva” per mantenere un apporto
metabolico adeguato.
FASI DEL DANNO BIOCHIMICO DA ISCHEMIA/RIPERFUSIONE
1 In ischemia:
1.
•
Degradazione
Ipoxantina
dell’ATP
a
•
Conversione
della
Xantina
deidrogenasi a Xantina ossidasi
ad opera del Calcio
2. Alla riperfusione:
•
Ossidazione della Ipoxantina ad
Urato con formazione di ROS
(anione superossido)
Danno da ischemia/riperfusione
Ruolo della xantina ossidasi
Durante l’ischemia si verificano:
– un aumento delle purine derivate dal catabolismo dell
dell’ATP;
ATP;
– la conversione della xantina deidrogenasi (XDH) in xantina ossidasi (XOS),
enzima che converte la xantina in acido urico
Durante
D
t lla riperfusione
i f i
l’
l’apporto
t di O2 permette
tt alla
ll XOS di formare
f
acido
id urico
i
a partire dalle purine accumulate; come sottoprodotti della reazione si formano
H2O2 e O2- (ROS)
ISCHEMIA
ATP
ADP
RIPERFUSIONE
Ca
attivazione proteasi
IPOXANTINA + XANTINA OSSIDASI + O2
Ca-dipendenti
AMP
conversione
i
proteolitica
t liti
URATO + H2O2 + O2-
della
XANTINA DEIDROGENASI
ADENOSINA
Fe3+
i
in
XANTINA OSSIDASI
O2 + OH- + OH•
INOSINA
IPOXANTINA
(nessuna reazione in assenza di ossigeno)
DANNO CELLULARE
Danno da ischemia/riperfusione
Ruolo dei neutrofili e dell
dell’NO
NO
Una fonte di ROS nella riperfusione è rappresentata dai neutrofili.
Durante l’I/R si verificano alterazioni della superficie endoteliale che inducono
ll’adesione
adesione e ll’attivazione
attivazione dei neutrofili circolanti. I neutrofili rilasciano ROS ed
enzimi idrolitici che danneggiano le cellule precedentemente in ischemia.
L’ischemia/riperfusione,
’i h i / i f i
i l
inoltre,
attiva
i l’enzima
l’ i
ossido
id nitrico
i i sintasi
i
i (NOS),
( OS) che
h
porta alla produzione di ossido nitrico (NO) il quale reagisce con i ROS formando
specie
p
reattive tossiche (p
(perossinitrito).
)
Intervengono inoltre IL-1, TNF-a, PAF e endotelina che provocano
– vasocostrizione;
– aumento della adesività di neutrofili e piastrine all’endoteli;,
– chemiotassi dei neutrofili;
– effetti
ff tti a distanza
di t
con alterazioni
lt
i i sistemiche
i t i h della
d ll funzione
f i
vascolare.
l