CORSO DI LAUREA IN INFERMIERISTICA 2016/2017 CORSO DI PATOLOGIA GENERALE Dott.ssa Violetta Borelli [email protected] Dipartimento di Scienze della Vita via Valerio 28-Trieste Edificio R, stanza 120. Tel 040 558 4033 PROGRAMMA PATOLOGIA CELLULARE -Omeostai -Danno cellulare: meccanismi biochimici generali, danno da ischemia/riperfusione, danno da agenti chimici (danno da alcool). -Morte cellulare: necrosi, morfologia ed alcuni esempi; apoptosi, definizione, cause ed alcuni esempi; -Adattamenti subcellulari, cellulari e tessutali al danno (iperplasia, ipertrofia, atrofia, metaplasia e accumuli intracellulari, staeatosi). -Invecchiamento cellulare- cenni: telomeri e ruolo dei radicabili liberi. INFIAMMAZIONE -Infiammazione acuta: modificazioni vascolari; eventi cellulari: fuoriuscita dei leucociti dai vasi e fagocitosi; mediatori chimici dell’infiammazione (amine vasoattive, proteasi plasmatiche, metaboliti dell’acido arachidonico, citochine e chemochine, ossido di azoto, radicali liberi…); esiti dell’infiammazione acuta e quadri morfologici. -Infiammazione cronica: definizione, cause, caratteristiche istologiche, cellule coinvolte e meccanismi, infiammazione granulomatosa. -Effetti sistemici dell’infiammazione. RIPARAZIONE DEI TESSUTI -Controllo della crescita cellulare normale: ciclo cellulare e fattori di crescita. -Fibrosi e angiogenesi. -Guarigione delle ferite. ALTERAZIONI EMODINAMICHE E SHOCK -Edema, iperemia e congestione, emoraggia, embolia, infarto, shock. DANNO DA ACOOL -Steatosi e cirrosi epatica EMOSTASI E TROMBOSI -Emostasi normale (endotelio, piastrine e cascata della coagulazione). -Trombosi. -Coagulazione intravascolare disseminata (CID). LE NEOPLASIE -Definizione, terminologia e cenni di epidemiologia. -Caratteristiche delle neoplasie maligne e benigne. -Le basi molecolari del cancro-cenni: oncogeni -Biologia della crescita tumorale: progressione neoplastica. -Agenti cancerogeni. -Cenni di immunità tumorale. -Effetti del tumore sull’ospite. -Grado e stadio dei tumori. Programma: svolgimento? Lezione Argomento I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Omeostasi Danno cellulare e risposte cellulari al danno Danno ischemico/ipossico e da riperfusione Danno indotto da radicali liberi, danno chimico, morfologia del danno e meccanismi di compenso/adattamento Apoptosi Infiammazione acuta 1 Infiammazione acuta 2 Infiammazione cronica Guarigione Alterazioni emodinamiche (edema, congestione vascolare, emorragia trombosi, embolia, infarto, shock e aterosclerosi) Neoplasia 1 Neoplasia 2 Studiare: da dove? Letteralmente Patologia significa studio (logos) della sofferenza (pathos). Più precisamente, è una disciplina di connessione che coinvolge sia la biologia di base che la pratica clinica e si occupa dello studio delle modificazioni morfologiche e funzionali che sono alla base della malattia. Pathology: the "Trunk of the Tree of Medicine”. It draws knowledge from all basic sciences, which in this allegory would represent the roots, and supports and nourishes all specialties of clinical medicine that are represented by the branches of the tree. Simply put, pathology provides the scientific basis for clinical medicine and a clinical purpose for basic sciences. Definizione dello stato di salute La salute definita dall'OMS nel 1946: "stato di completo benessere fisico, psichico e sociale e non semplice assenza di malattia“. La salute ed il benessere sono difficili da misurare e dipendono molto dalla cultura e dal contesto sociale. Salute: …. Omeostasi: …. Malattia: …. Definizione dello stato di salute (1813-1878) Prima interpretazione dello stato “stato fisiologico di salute”: La vita si svolge in quanto l’organismo di tutti gli esseri viventi ha la possibilità di adattare la funzione dei suoi organi e sistemi a stimolazioni perturbanti di varia natura in modo da riuscire a mantenere costante, nell’ambito di confini rigidamente ristretti, la composizione del proprio ambiente interno da lui definito “milieu intérieur”. Sintetizzò il pensiero di Claude Bernard nel concetto di OMEOSTASI (1971-1945) L’omeostasi: mantenere costanti le condizioni del corpo L’omeostasi garantisce il mantenimento delle condizioni di stabilità necessarie per il corretto funzionamento cellulare; interviene per ripristinare tali condizioni di stabilità controbilanciando i cambiamenti interni ed esterni; varia entro un abito compatibile con i processi vitali delle cellule. Esistono sistemi di retroazione o a feedback che consentono il mantenimento dell’omeostasi. Essi sono rappresentati da un ciclo di eventi in cui una data condizione del corpo viene costantemente monitorata, valutata, modificata e monitorata nuovamente. In tal modo si crea una condizione controllata che però può essere perturbata in qualsiasi momento da uno stimolo. Un sistema a feed-back è costituito da un sensore/recettore: struttura che rivela i cambiamenti che avvengono in una condizione controllata e invia tale informazione ad un centro di controllo; il centro di controllo valuta l’informazione ed invia comandi in uscita all’effettore; l’effettore riceve il comando e produce una risposta che modifica ripristina la condizione controllata. La malattia come alterazione dell'equilibrio omeostatico. In caso di squilibrio dell’omeostasi si produce uno stato morboso, contraddistinto da sintomi e segnali riconoscibili. Costanza con cui sono mantenuti la struttura e le funzioni dell’organismo, grazie all’integrazione di meccanismi automatici (omeostatici), il cui intervento controbilancia e conseguentemente minimizza o annulla gli effetti indotti dalle varie sollecitazioni a cui esso è costantemente sottoposto. Per OMEOSTASI CELLULARE si intende l’insieme dei meccanismi il cui scopo è il mantenimento a livello ottimale delle funzioni cellulari fondamentali a dispetto delle variazioni ambientali (e con consumo di energia!!!). A tale scopo sono fondamentali i sistemi che percepiscono la variazione ambientale: I RECETTORI. CENTRO DI CONTROLLO decide come comportarsi, dopo aver confrontato la condizione rilevata dal recettore con quella ottimale. MECCANISMI EFFETTORI deputati al ripristino delle condizioni ottimali. Ad es. meccanismi di feedback negativo, quando la risposta dell'organismo ad uno stimolo che destabilizza il sistema è di segno contrario allo stimolo destabilizzante (esempio: un abbassamento della temperatura provocherà una reazione tendente a innalzare la temperatura stessa). Inserendo la cellula nell’organismo pluricellulare: la sua funzione ora è ancora più complessa. La singola cellula deve ora mantenere un microambiente ottimale per se stessa e realizzare (con la sua funzione specifica) un ambiente extracellulare ottimale per la funzione delle cellule vicine ... intero organismo per consentire la sua realizzazione nell’ambiente e PERPETUAZIONE . Per questo scopo deve poter comunicare con le altre cellule: un sistema pluricellulare deve infatti prevedere anche sistemi di comunicazione intercellulari (es comunicazione neurone-fibra muscolare e ormoni). I RECETTORI Proteine di membrana delle cellule (ma anche citoplasmatici o nucleari, quelli per ligandi liopofili, come gli ormoni) che hanno una peculiare proprietà, quella di essere modificati nella loro struttura dalla variazione della funzione omeostatica. Ne esistono circa 20 famiglie. Essi sono in grado di riconoscere i batteri, il colesterolo (lipoproteine), il glucosio, il calore (sue modificazioni), la pressione, la concentrazione osmotica dei liquidi biologici, la luce... I recettori rappresentano il collegamento tra la variazione della funzione omeostatica e i meccanismi di risposta che compensano. I RECETTORI Sono costituiti da 3 parti dette domini: 1. extracellulare, che riconosce la variazione 2. transmembrana 3. citoplasmatico, che in seguito al riconoscimento da parte del dominio extracellulare, subisce un cambiamento conformazionale e induce una risposta… • Solo se viene mantenuta l'omeostatsi a livello cellulare si può mantenere anche quella tessutale e sistemica. • La variabilità consente di far fronte alle variazioni ambientali (es. numero globuli rossi nel sangue e altitudine). I valori di un certo parametro possono variare entro un intervallo non molto ampio, i meccanismi omeostatici lavorano con > o < efficienza per mantenere quel parametro entro certi limiti/range OMEOSTASI Gli organismi viventi sono dei sistemi aperti i quali scambiano continuamente materia ed energia con l’ambiente esterno. I sistemi aperti per poter sopravvivere in uno stato stazionario necessitano di meccanismi che consentano loro di far fronte agli insulti che provengono dall’ambiente esterno: i meccanismi omeostatici. L'omeostasi è la condizione di stabilità interna degli organismi che deve mantenersi anche al variare delle condizioni esterne attraverso meccanismi autoregolanti. Un sistema aperto può essere considerato un organismo intero, un sistema o apparato, un organo, un tessuto, una cellula … una molecola. Es. di meccanismi omeostatici ai diversi livelli: -organismo intero: mantenimento temperatura corporea mantenimento pressione arteriosa mantenimento [glucosio] ematica (circa 80-100mg/100ml) mantenimento [colesterolo] ematica (circa 150mg/100ml) mantenimento numero di leucociti circolanti -tessuto: controllo della massa tessutale -cellula: controllo contenuto ionico controllo volume cellulare controllo del potenziale di membrana mantenimento [ATP] intracellulare a circa 1 mM -molecolare: mantenimento dell’integrità del DNA mantenimento della corretta struttura molecolare (prioni). CONTROLLO DELLA TEMPERATURA CORPOREA Nell’ambiente la temperatura varia da + 60 a –40°C e tale escursione (di 100°C!) non è compatibile con alcun organismo vivente, quindi il controllo della temperatura corporea deve essere particolarmente fine ed efficace. Per fare questo gli organismi che vivono a temperature particolarmente basse consumano una notevole quantità di energia per produrre calore, mentre gli organismi che vivono a temperature particolarmente elevate devono disporre di efficaci sistemi di dispersione del calore, entrambe questi sistemi costano molta energia all’organismo. Inoltre l’organismo stesso produce calore… MECCANISMI DI PRODUZIONE DI CALORE IL FEGATO, IL CUORE, IL CERVELLO (E IL RENE), organi con alto metabolismo e alto flusso di sangue, PRODUCONO LA MAGGIOR PARTE DEL CALORE, che viene poi trasferito alla cute e disperso nell’ambiente circostante. MOST ENERGY RELEASE PRODUCES HEAT IN HUMANS O2 consume: at rest 3.5 ml/min/Kg during exercise: 35 ml/min/Kg 1 litro di O2 4.8 Kcal Kcal at rest 1 Kcal/ora/kg (70Kg) →70 Kcal/ora Kcal under exercise: 10 Kcal/ora/Kg → Per l’acqua 1 Kcal/1C°/litro 700 Kcal/ora per un tessuto è simile… Se tutto il calore rimanesse la TC° salirebbe in modo esagerato, superando il delta = 5C° che rappresenta il limite dannoso per i tessuti. La normale produzione di calore è potenzialmente tossica. Il processo di termoregolazione mantiene l’equilibrio omeostatico tra la quantità di calore prodotta dall'organismo (termogenesi) e la quantità di calore da esso perduto (termo-dispersione). IPOTALAMO Al suo interno si può distinguere un centro termolitico situato anteriormente e costituito da un gruppo di neuroni capaci di reagire ad aumenti di temperatura di 1÷2 °C con l’attivazione di meccanismi di dissipazione termica (vasodilatazione cutanea, sudorazione e respiro affannoso). Nell’ipotalamo posteriore e laterale, invece, si trova il cosiddetto centro termogenetico: i suoi neuroni risentono della diminuzione della temperatura ambientale reagendo con l’attivazione di meccanismi conservativi e produttivi del calore. Uno di questi meccanismi è, per es., il brivido, che consiste in una contrazione involontaria della muscolatura scheletrica; questo meccanismo, denominato anche termogenesi contrazionale, si attiva quando la temperatura ambientale si abbassa a un limite non altrimenti compensabile. !Termogenina, ora = UCP-1 Proteine UCP (un coupling protein,) disaccoppiano gradiente protonico dalla produzione di ATP, loro > espressione/attività legata alla produzione di calore a livello epatico. Grasso bruno ricco di mitocondri in cui si verifica disaccoppiamento a livello mitocondriale come nel fegato. CONTROLLO DELLA CONCENTRAZIONE EMATICA DI GLUCOSIO L'insulina è secreta dalle β cellule del pancreas in risposta a variazioni della glicemia GLUT-2&glucochinasi=glucose sensor pair entrambi dotati di una bassa affinità per il glucosio→ → il trasporto/attività enzimatica sono rapidi solo quando i livelli ematici di glucosio sono elevati. Sia l'ingresso del glucosio nella cellula, che l'avvio della glicolisi sono due processi strettamente dipendenti dai valori glicemici. Questo sistema risponde prontamente all'aumento della glicemia post-prandiale con un rapido ingresso e successivo immediato metabolismo del glucosio. A valori di glicemia più bassi, come quelli tra un pasto e l'altro invece il sistema è più lento. glicemia >5 mmol/l glucosio X ↑ ↑Ca 2+ ↑ATP - 40 open Ca 2+ glicemia <5 mmol/l glucosio ↓ ↓Ca 2+ ATP -60 X Ca 2+ X L'insulina è secreta dalle beta cellule del pancreas in risposta a variazioni della glicemia Recettore per ipoglicemizzanti orali (secretagoghi) (sulfaniluree ) β ATP CONTROLLO DEL VOLUME CELLULARE FONTI DI OSMOLARITA’ INTRACELLULARE: La cellula è un concentrato di grossi anioni tra proteine e acidi nucleici. Queste macromolecole contribuiscono molto poco all’osmolarità intracellulare poiché a dispetto delle loro grandi dimensioni, ognuna conta come una singola molecola e ce ne sono relativamente poche se comparate alle piccole molecole nella cellula. Tuttavia la maggior parte delle macromolecole biologiche sono altamente cariche e attraggono molti ioni inorganici di carica opposta. Sono questi contro-ioni che a causa del loro grande numero contribuiscono maggiormente all’osmolarità intracellulare. L’osmolarità del fluido extracellulare è in genere dovuta ai soli piccoli ioni inorganici che penetrano lentamente attraverso la plasmamembrana e che raggiungerebbero una condizione di equilibrio con uguali concentrazioni all’interno e all’esterno della cellula se non fossero espulsi o interagissero con altre molecole all’interno della cellula. Tuttavia la presenza di molecole cariche all’interno della cellula che attraggono questi ioni dà origine all’effetto Donnan per cui, all’equilibrio, la concentrazione totale di ioni inorganici (e quindi il loro contributo all’osmolarità) è maggiore all’interno che all’esterno della cellula. Effetto Donnan è l’EQUILIBRIO passivo a cui arriva un GRADIENTE di SPECIE IONICHE separate da una MEMBRANA (cellulare) dove una specie (proteine) non è diffusibile attraverso essa. dalla parte della membrana dove si trovano le proteine gli ioni con lo stesso segno avranno concentrazione < minore, e quelli di segno opposto >. all’equilibrio, la concentrazione totale di ioni inorganici (e quindi il loro contributo all’osmolarità) è maggiore all’interno che all’esterno della cellula. … si crea un GRADIENTE osmotico tra le due facce della membrana, il cui lato a più alta concentrazione richiama acqua con un aumento della PRESSIONE OSMOTICA. PROBLEMA: Questa differenza determinerà un continuo flusso di acqua dall’esterno all’interno per osmosi causando la rottura della membrana cellulare. LA SOLUZIONE: Alcuni protozoi- vacuoli contrattili Pianterigida. parete cellulare Le cellule animali e i batteri controllano la loro osmolarità intracellulare pompando attivamente all’esterno ioni inorganici, come il Na+, così il loro citoplasma contiene una concentrazione di ioni inorganici più bassa del fluido extracellulare, compensando in questo modo il loro eccesso di soluti organici. L’equilibrio ionico è controllata anche da: -altre pompe ioniche con attività ATP-asica (Ca2+-ATP-asi che pompano Ca2+ all’esterno o nel RE) -canali ionici (anche voltaggio dip.) -scambiatori (simporti o antiporti). Cyt Extr La Na+,K+-ATPasi serve a regolare il VOLUME CELLULARE controllando la concentrazione dei soluti all’interno della cellula. Perchè il sodio (Na+)? Sebbene il numero atomico di Na+ sia inferiore di quello di K+, il ∅ complessivo di Na+ è maggiore di quello di K+ perché proprio in virtù delle sue dimensioni inferiori Na+ è circondato da un alone di H2O di idratazione più grande di quello che circonda K+. CONTROLLO DELL’INTEGRITA’ DEL PATRIMONIO GENETICO (Hoeijmakers,2001) Meccanismi di riparazione del DNA I danni al DNA sono una continua minaccia alla stabilità genomica di una cellula. Gli organismi viventi hanno evoluto vari meccanismi per proteggere l’integrità del DNA Questi meccanismi si basano sulla attività degli enzimi della riparazione del DNA. Esistono numerosi tipi di lesioni, un singolo processo di riparazione non potrebbe fare fronte a tutti i tipi di danno. L’evoluzione ha modulato una grande varietà di sofisticati sistemi di riparazione che riescono a recuperare la maggioranza degli insulti inflitti all’informazione genetica cellulare. I molteplici sistemi di riparazione del DNA si sono evoluti per salvaguardare l’integrità dell’informazione genetica negli organismi viventi. Ogni via di riparazione è specializzata nel correggere specifici tipi di danno al DNA I sistemi di riparazione del DNA devono essersi sviluppati molto presto nell’evoluzione, e per questo sono sistemi altamente conservati Radiazioni UV Il potere cancerogeno delle radiazioni UVB e da attribuire alla capacità di indurre la formazione di dimeri di basi pirimidiniche a livello del DNA, riparato da sistema NER= Nucleotide Excision Repair (almeno 20 geni), se esposizione è eccessiva NER non è sufficiente e alcuni danni non vengono riparati. In xeroderma pigmentoso (rischio 200x> di sviluppare carcinomi della cute in seguito a esposizione a raggi solari) mutazioni a livello di geni NER. La singola cellula deve ora mantenere un microambiente ottimale per se stessa e realizzare (con la sua funzione specifica) un ambiente extracellulare ottimale per la funzione delle cellule vicine ... intero organismo per consentire la sua realizzazione nell’ambiente e la sua PERPETUAZIONE Meccanismi a retroazione che contribuiscono a mantenere costante la concentrazione di una serie di ormoni. IL MANTENIMENTO DELLA CAPACITA’ RIPRODUTTIVA La vita come disequilibrio controllato CONCETTO DI MALATTIA Quando i meccanismi omeostatici non riescono più a garantire l’omeostasi e l’equilibrio va oltre il normale ambito di variabilità di una funzione si instaura uno stato morboso. I meccanismi omeostatici responsabili del mantenimento della costanza di un processo nei sistemi aperti non sono più sufficienti a mantenere i parametri fisiologici entro un certo intervallo di normalità. Lo squilibrio di un meccanismo omeostatico comprometterà anche gli altri. La malattia (mancata omeostasi) è una situazione dinamica che può evolvere verso: la guarigione (ripristino dell’omeostatsi) l’adattamento (nuova omeostasi, ma non ottimale) distruzione del sistema (morte della cellula, tessuto, organismo) I meccanismi omeostatici possono essere essi stessi causa di danno in seguito ad errori nel loro controllo (innesco, spegnimento…) Es. processo infiammatorio, guarigione e coagulazione del sangue. Salute: costanza di parametri vitali raggiunta e mantenuta per mezzo di continui aggiustamenti metabolici (omesostatici) e con spesa energetica. Omeostasi: capacità di autoregolazione degli esseri viventi, tendente a mantenere costanti le condizioni del loro ambiente interno verso le variazioni dell’ambiente esterno. Malattia: risultato di squilibri di meccanismi omeostatici. LA MALATTIA E’ L’INSIEME DINAMICO DEGLI EVENTI INNESCATI DA UN DIFETTO DEI MECCANISMI OMEOSTATICI Ogni evento viene definito processo morboso. In conclusione….. Il disaccoppiamento del gradiente protonico dalla produzione di ATP con conseguente produzione di calore si verifica: 1. a livello mitocondriale ad opera di proteine denominate HSP (heat shock protein) 2. a livello mitocondriale ad opera di proteine denominate UCP (uncoupling protein) 3. a livello muscolare durante la genesi dei brividi 4. nessuna delle precedenti Indicare quale delle seguenti affermazioni è FALSA 1. Nelle cellule beta del pancreas, il trasportatore del glucosio (GLUT2) e la glucochinasi costituiscono un sensore cellulare universale della glicemia. 2. Nelle cellule beta del pancreas, GLUT2 e la glucochinasi sono entrambi dotati di una bassa affinità per il glucosio e quindi il trasporto di glucosio dentro la cellula è rapido solo quando i livelli ematici di glucosio sono elevati, come accade dopo un pasto. 3. Quando la glicemia scende (< 5 mmol/l) il trasporto di glucosio attraverso GLUT2 si riduce e rallenta l’attività enzimatica della glucochinasi. 4. Sia l'ingresso del glucosio nella cellula, che l'avvio della glicolisi sono due processi completamente indipendenti dai valori glicemici. Per approfondire L'insulina è secreta dalle beta cellule del pancreas in risposta a: variazioni della glicemia. •Queste cellule colgono con estrema sensibilità le variazioni della concentrazione ematica di glucosio, grazie ad un meccanismo costituito dal trasportatore del glucosio GLUT2 e da una chinasi ( glucochinasi), entrambi dotati di una bassa affinità per il glucosio. •Il trasportatore del glucosio GLUT2 media l'entrata del glucosio nelle beta cellule. La Km per il glucosio è di circa 5 mmol/l, quindi il trasporto dentro la cellula è rapido solo quando i livelli ematici di glucosio sono elevati, come accade dopo un pasto. All'interno della beta cellula il glucosio viene fosforilato dalla glucochinasi , l'enzima che catalizza la prima tappa della glicolisi. La glucochinasi ha una bassa affinità per il suo substrato. L'attività della glucochinasi varia al variare della glicemia. Sia l'ingresso del glucosio nella cellula, che l'avvio della glicolisi sono due processi strettamente dipendenti dai valori glicemici. Questo sistema risponde prontamente all'aumento della glicemia post-prandiale con un rapido ingresso e successivo immediato metabolismo del glucosio. A valori di glicemia più bassi, come quelli tra un pasto e l'altro invece il sistema è più lento. GLUT2 e la glucochinasi costituiscono il cosiddetto “glucose sensor pair” e molto probabilmente costituiscono un sensore cellulare universale della glicemia, essendo presenti anche nelle cellule di fegato e ipotalamo. L'ulteriore metabolismo del glucosio-6-fosfato attraverso la via glicolitica genera ATP, aumentando il rapporto ATP/ADP. Nella beta cellula l'ATP agisce come un secondo messaggero, andando ad inibire l'attività di un canale del potassio ATP-dipendente: l' ATP si lega alla subunità regolatrice del canale e inibisce il flusso di ioni K+ verso l’esterno della cellula. Questo determina un aumento della [K+ ] nella cellula, ne causa la depolarizzazione (40mV) e l’attivazione di canali del calcio voltaggio-dipendenti, determinando un afflusso di calcio nella cellula. Questi canali si aprono quando il potenziale di membrana arriva a - 40 mV. Il rapido aumento del calcio intracellulare stimola l’esocitosi dell’insulina, contenuta in granuli che costituiscono il pool di pronto rilascio. Cosa succede quando la glicemia scende al di sotto di 5 mmol/l? Il trasporto di glucosio attraverso GLUT2 si riduce, rallenta l’attività enzimatica della glucochinasi. Ne deriva una ridotta produzione di ATP, cessa quindi l’effetto inibitorio sui canali del potassio ATP-dipendenti, il potenziale di membrana ritorna ai valori di – 60 mV, i canali del calcio voltaggio-dipendenti si chiudono e il rilascio di insulina rallenta. Alcuni ipoglicemizzanti orali ( le sulfaniluree ) si legano alla stessa subunità regolatrice del canale del K, agendo nello stesso modo dell’ATP.