Лекции по Патологической Анатомии. Общий курс. М.А. Пальцев. Учебное пособие Под ред академика ран и рамн, профессора М. А. Пальцева. Мс. Рекомендуется Учебнометодическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России в качестве учебного пособия для студентов медицинских вузов
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
Виды повреждения клеток. Различают три основных формы повреждения клеток 1) ишемическое и гипоксическое 2) повреждение, вызванное свободными радикалами кислорода 3) токсическое. Ишемическое и гипоксическое повреждение чаще всего связано с окклюзией (закупоркой) (схема 2.2) артерий. Вначале гипоксия действует на аэробное дыхание клетки — окислительное фосфорилирование в митохондриях. Так как напряжение кислорода в клетке снижается, окислительное фосфорилирование прекращается, а образование АТФ уменьшается или останавливается. Уменьшение содержания АТФ влияет на многие системы клетки. Сердечная мышца, например, прекращает сокращаться через 60 сек после окклюзии коронарной артерии, хотя это и не означает смерть кар- диомиоцита. Снижение содержания АТФ в клетке и связанное с ним увеличение АМФ вызывают активацию фосфофруктокиназы и фосфорилазы. В результате происходит усиление анаэробного гликолиза, а поддержание энергетических запасов клетки обеспечивается путем образования АТФ из гликогена. АТФ образуется также ана- эробно с помощью креатинкиназы из креатинфосфата. Гликолиз сопровождается аккумуляцией молочной кислоты и неорганического фосфата из-за гидролиза фосфатных эфиров. Все это вызывает снижение внутриклеточного рН. Происходит конденсация ядерного хроматина Исчезновение АТФ ведет к острому набуханию (отеку) клетки одному из ранних проявлений ишемического повреждения. Отек клетки связан с нарушением регуляции объема клетки со стороны плазматической мембраны. Нарушение активного транспорта натрия и калия ведет к аккумуляция натрия внутри клетки и диффузии калия за ее пределы. Приток жидкости в клетку сопровождается ее набуханием и расширением цистерн эндоплазматической сети. Второй механизм набухания клеток при ишемии — увеличение внутриклеточной осмотической нагрузки, вызванное накоплением катаболитов, таких как неорганические фосфаты, лактат и пуриновые нуклеозиды. Наблюдается отделение рибосом от мембран шероховатой эндоплазматической сети и диссоциация полисом в моносомы. Если гипоксия продолжается, развиваются и другие изменения, отражающие повышенную проницаемость клеточной мембраны и ослабление функции митохондрий. На поверхности клеток образуются выпячивания, содержащие только цитозоль, а клетки, имеющие 23 Схема Механизмы ишемического повреждения клеток (по Muir’s, 1994) Ишемия АТФ Са 2+ клетки Разрушение АТФ Доставка О 2 в ткани Окислительное фосфорилирование- клетки Повреждение клеточных мембран Активность мембранных АТФаз К + и РО 2 – клетки Митохондрий Са 2+ Фосфолипиды Набухание клетки на поверхности микроворсинки, начинают их терять (эпителий проксимальных канальцев почек. В цитоплазме клеток и вне их появляются миелиновые фигуры, формирующиеся из цитоплазмы клеток и мембран органелл. Наблюдается набухание митохондрий, связанное с потерей контроля над их объемом. Цистерны эндоплазматической сети остаются расширенными. Клетки выглядят сильно набухшими с повышенным содержанием воды, натрия и хлора, но сниженной концентрацией калия. Все описанные изменения обратимы при условии восстановления снабжения кислородом. Если же ишемия продолжается, то развиваются необратимые изменения, которые морфологически ассоциируются с выраженной вакуолизацией митохондрий и их крист, повреждением плазматических мембран и набуханием лизосом. В матриксе митохондрий появляются крупные хлопьевидные аморфные уплотнения. В миокарде признаки необратимости повреждения наблюдаются через мин после начала ишемии. Массивное поступление кальция в клетку сопровождается потерей белков, ферментов и РНК. Клетки могут также терять метаболиты, необходимые для восстановления запасов АТФ. Повреждение лизосомальных мембран приводит к выделению их ферментов в цитоплазму и активации кислых гидролаз. Так как лизосомы содержат РНКазы, ДНКазы, протеазы, фосфатазы, глюкозидазы и катепсины, происходит расщепление компонентов клетки, которое сопровождается разрушением рибонуклеопротеи- нов, дезоксирибонуклеопротеинов и гликогена, а также различными изменениями в ядре. Вслед за гибелью клетки ее компоненты прогрессивно разрушаются, происходит выброс ферментов клетки во внеклеточное пространство. Умершие клетки превращаются в образования, состоящие из фосфолипидов в виде миелиновых фигур. Последние подвергаются фагоцитозу и разрушаются до жирных кислот. Проникновение ферментов сквозь поврежденную клеточную мембрану в сыворотку крови позволяет определять параметры смерти клетки клинически. Сердечная мышца, например, содержит трансаминазы, лактатдегид- рогеназу и креатинкиназу. Повышение содержания этих ферментов в сыворотке крови является клиническим признаком инфаркта миокарда (смерти кардиомиоцитов). Таким образом, основными признаками необратимости повреждения клетки служат изменения митохондрий, приводящие к потере АТФ, и плазматических мембран. Основным фактором патогенеза необратимого повреждения клетки при гипоксии является разрушение ее мембраны, в основе которого лежат биохимические механизмы Во-первых, в некоторых ишемизированных тканях, например печени, необратимые изменения сопровождаются заметным уменьшением содержания фосфолипидов в клеточной мембране, которое происходит под действием кальций-зависимых фосфолипаз. Во-вторых, активация протеаз, связанная с повышением концентрации кальция в цитозоле, ведет к повреждению цитоскелета, выполняющего роль якоря между плазматической мембраной и внутренним содержимым клетки. В результате в процессе набухания клетки происходит отслойка клеточной мембраны от цитоскелета, что делает мембрану более податливой к растяжению и разрыву. В-третьих, при ишемии появляется небольшое количество высокотоксичных свободных радикалов кислорода. Таким образом, основными причинами гибели клетки при гипоксии являются нарушение окислительного фосфорилирования, приводящее к истощению АТФ, и повреждение мембран клетки, а важнейшим медиатором необратимых биохимических и морфологических изменений является кальций. Повреждение клетки, вызванное свободными радикалами кислорода, чаще всего возникает под действием химических веществ, ионизирующего излучения, кислорода и других газов, при старении клеток, разрушении опухолей макрофагами ив некоторых других случаях. Свободные радикалы представляют собой молекулы кислорода, имеющие один непарный электрон на внешней орбите. В таком состоянии радикал исключительно активен и нестабилен и вступает в реакции с неорганическими и органическими соединениями белками, липидами, углеводами и, особенно, с ключевыми молекулами в мембранах и нуклеиновых кислотах. Более того, свободные радикалы инициируют аутокаталитические реакции, входе которых молекулы, с которыми они реагируют, также превращаются в свободные радикалы, вызывающие цепь разрушений. Образование свободных радикалов в клетках может быть инициировано ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами, эндогенными окислительными реакциями, связанными с нормальным метаболизмом клетки, а также при ферментном расщеплении некоторых химических веществ и лекарств, поступающих в клетку извне. Непарный электрон может быть связан практически с любым атомом, нов биологических объектах — чаще всего с кислородом, углеродом и азотом. В норме под воздействием цитохромоксидазы кислород превращается вводу. Однако в клетке образуются и токсические промежуточные соединения кислорода. Наиболее важными среди них являются супероксид, перекись водорода и гипероксильные 25 ионы. Они образуются под влиянием различных окислительных ферментов в цитозоле, митохондриях, лизосомах, пероксисомах и плазматической мембране. П ере кис но е окисление липидов мембран. Свободные радикалы в присутствии кислорода могут вызывать перекисное окисление липидов плазматической мембраны и мембран органелл. Липидно-радикальные взаимодействия приводят к образованию перекисей, которые сами по себе являются активными соединениями, инициирующими последующее повреждение других жирных кислот. Таким образом, возникает цепь аутокаталитических реакций, приводящая к обширному повреждению клеток. О кисли тельное превращение белков. Свободные радикалы вызывают перекисное связывание таких лабильных аминокислот, как метионин, гистидин, цистин и лизина также фрагментацию полипептидных цепей. Окислительное превращение усиливает разрушение ключевых ферментов посредством нейтральных протеаз, содержащихся в цитозоле. П о в реж де ни е ДНК. Свободные радикалы вступают в реакцию с тимином, входящим в состав ДНК, что приводит к гибели клетки или ее злокачественному перерождению. Конечный результат действия свободных радикалов зависит от баланса между их образованием и разрушением. Токсическое повреждение клетки возникает под действием химических веществ. Во-первых, часть водорастворимых соединений может действовать непосредственно, связываясь с некоторыми молекулами или органеллами. Например, при попадании в организм хлорида ртути происходит связывание сульфгидрильных групп клеточной мембраны, которое приводит к повышению проницаемости последней и торможению АТФаза-зависимого транспорта. В подобных случаях наиболее выраженные изменения наблюдаются в клетках, которые используют, абсорбируют, выделяют или концентрируют эти химические соединения. Поэтому при попадании в организм хлорида ртути в наибольшей степени страдают клетки желудочно- кишечного тракта и почек. Цианид действует непосредственно на ферменты митохондрий. Многие противоопухолевые химиотерапевтические препараты, в т.ч. антибиотики, также вызывают повреждение клеток благодаря их цитотоксическому действию. Во-вторых, большинство химических соединений, особенно жирорастворимые токсины, биологически неактивно и вначале превращается в токсические метаболиты, которые затем действуют на клетки-мишени. Хотя эти метаболиты могут вызывать повреждение мембран и клеток путем прямого ковалентного связывания с мембранными белками и липидами, наиболее важным является образование свободных радикалов кислорода и последующее перекисное окисление липидов. Морфология повреждения и смерти клеток. Обратимые повреждения. В классической морфологии нелетальное повреждение клеток называется дистрофией или обратимым повреждением клеток. Светооп- тически различают два вида таких изменений набухание и жировые изменения. Набухание развивается тогда, когда клетки неспособны поддерживать ионный и жидкостный гомеостаз. Для жировых изменений характерно появление мелких или крупных липидных включений в цитоплазме. Они встречаются при гипоксических и различных формах токсических повреждений, главным образом, в клетках, участвующих или зависящих от обмена жиров. Н е кр о з . Некроз наряду с апоптозом является одним из двух морфологических выражений смерти клетки и представляет собой спектр морфологических изменений, которые развиваются вслед за смертью клетки в живой ткани. Это результат разрушающего действия ферментов на летально поврежденную клетку. Фактически развиваются два конкурирующих процесса ферментное переваривание клетки и денатурация белков. Каталитические ферменты выходят из лизосом гибнущей клетки (аутолиз) или из лизосом лейкоцитов (гетеролиз). В зависимости оттого, происходит денатурация белков или ферментное переваривание, развивается одна из двух разновидностей некроза. В первом случае наблюдается коагуляционный некроза во втором — колликвационный (разжижающий) некроз. На ранних этапах некротических изменений в ткани может развиваться эозинофилия цитоплазмы погибающих клеток. Это связано с утратой нормальной слабовыраженной базофилии, обеспечиваемой в цитоплазме РНК, а также с повышением оксифильности клеточных белков, подвергающихся прогрессирующей денатурации. По мере ферментного переваривания органелл в цитоплазме на их месте появляются вакуоли. Однако все эти процессы могут лишь косвенно свидетельствовать о развивающемся некрозе. Более надежными признаками гибели ткани являются изменения ядер клеток. Так, в результате активности ДНКаз исчезают не только базофилия хроматина, но и сами ядра. Развивается кари- олизис — наиболее достоверный признак некроза. Другим признаком служит кариопикноз — сморщивание и гиперхромность ядра, вызванные конденсацией ДНК, третьим — кариорексис — фрагментация или распад ядра на глыбки. Скопление последних в некроти- 27 ческом поле называется детритом. Массы некротизированных клеток формируют очаг некроза. Различают пять видов некроза коагуляционный, колликвацион- ный, гангренозный (гангрена, казеозный и жировой. Коагуляционный некроз подразумевает сохранение общих контуров очага в течение по крайней мере нескольких дней. Предполагается, что само повреждение или возрастающий впоследствии внутриклеточный ацидоз денатурирует не только структурные белки, но и ферменты, тем самым блокируя протеолиз клетки. Коагуляцион- ный некроз характерен для гипоксической гибели ткани во всех органах, кроме головного мозга. Колликвационный влажный) некроз развивается в результате аутолиза или гетеролиза (аутолиз — распад клеток под влиянием разных ферментов. Чаще всего он встречается в очагах поражений бактериальными инфекционными агентами и обусловлен разжижающим действием лейкоцитарных ферментов. Что касается влажного некроза ткани головного мозга, то его развитие объясняют тем, что ткань мозга богата водой и процессы аутолиза в ней преобладают над коагуляционными изменениями. Гангрена — некроз черного или очень темного цвета, развивающийся в тканях, прямо или через анатомические каналы соприкасающихся с внешней средой. Помимо конечностей, гангрена возникает в легких, кишечнике, коже щеки других местах. При сухой гангрене некроз имеет коагуляционный характер. Влажная гангрена развивается при инфицировании погибшей ткани бактериями, обычно анаэробными, например, из группы клостридий. Темный цвет гангренозной ткани создается сульфидом железа, образующимся из железа гемоглобина и сероводорода воздуха. Разновидностью сухой или влажной гангрены является пролежень. Изредка встречается газовая гангрена, при которой пузырьки с сероводородом, произведенным, обычно, микробом Clostridium welchii, находятся внутри некротизи- рованной ткани. Казеозный творожистый, сыровидный) некроз, как частная разновидность коагуляционного, чаще всего появляется в туберкулезных очагах. Макроскопически он действительно напоминает творог или мягкий сыр. Микроскопически для него характерна гранулема- тозная реакция, представленная туберкулезными бугорками. Жировой ферментный, или стеатонекроз, представляет собой очаги разрушенной жировой клетчатки замазкообразного вида разной формы и величины. Чаще всего это следствие освобождения активированных липаз поджелудочной железы, действующих прямо в брюшной полости при остром панкреатите. У живых людей большинство некротизированных клеток и их остатков исчезает в результате комбинированного процесса ферментного переваривания и фрагментации и последующего фагоцитоза остатков клеток лейкоцитами. Если же клетки и их остатки полностью не разрушаются и не реабсорбируются, они подвергаются кальцификации (дистрофическое обызвествление). Исходы некроза связаны с реактивными изменениями процессами отграничения и репарации, распространяющимися из зоны демаркационного воспаления. Различают следующие варианты благоприятного исхода некроза организация, или рубцевание — замещение некротических масс соединительной тканью инкапсуляция — отграничение участка некроза соединительнотканной капсулой петри- фикация — пропитывание участка некроза солями кальция (дистрофическое обызвествление оссификация — появление в участке некроза костной ткани (встречается очень редко, в частности, в очагах Гона — заживших очагах первичного туберкулеза образование кисты при исходе колликвационного некроза. При неблагоприятных обстоятельствах происходит гнойное расплавление некротических масс, при этом возможно развитие сепсиса. А поп то з . Если некроз считается патологической формой клеточной смерти, возникающей в результате резкого повреждающего воздействия на клетку, то апоптоз противопоставляется ему как контролируемый процесс самоуничтожения клетки. Подробные данные об изменениях в клетках при апоптозе и некрозе получены в результате электронно-микроскопических и биохимических исследований. При некрозе на ранних стадиях наблюдается конденсация хроматина, затем происходит набухание клетки с разрушением цитоплазматических структур и последующим лизисом ядра. Морфологическими проявлениями апоптоза являются конденсация ядерного гетерохроматина и сморщивание клетки с сохранением целостности органелл. Клетка распадается на апоптозные тельца, представляющие собой мембранные структуры с заключенными внутри органеллами и частицами ядра, затем апоп- тозные тельца фагоцитируются и разрушаются при помощи лизосом окружающими клетками (схема При некрозе в результате повреждающего воздействия на клетку резко уменьшается синтез макроэргических фосфатов с последующим нарушением проницаемости мембран и их целостности. Внутриклеточные антигены попадают в межклеточное пространство и индуцируют воспалительный ответ При апоптозе повреждение ДНК, недостаток факторов роста, воздействие на рецепторы, нарушение метаболизма ведут к активации внутренней самоуничтожающей программы (схема Синхронно с уплотнением хроматина под влиянием эндонуклеаз начинается деградация ДНК до фрагментов в 180—200 пар оснований. Эндонуклеазы расщепляют двойную цепочку ДНК между нуклеосомами. В результате активации цитоплазматических протеаз происходит разрушение цитоскелета, межклеточных контактов, связывание белков и распад клетки на апоптозные тельца. Быстрое распознавание и фагоцитоз апоптозных телец указывают на наличие на их поверхности специфических рецепторов, облегчающих адгезию и фагоцитоз. Важнейшим свойством апоп- тоза считается сохранение внутриклеточного содержимого в мембранных структурах, что позволяет осуществить элимина- цию клетки без развития воспалительного ответа. Характерные признаки апоптоза связаны с характером воздействия и типом клеток. 30 Нормальная клетка Апоптозное тельце Фагоцит Некроз Апоптоз Схема Некроз и апоптоз Конденсация хроматина обусловлена расщеплением ядерной ДНК, которое происходит в участках связей между нуклео- сомами и приводит к образованию фрагментов. Такие фрагменты создают характерную для апоптоза картину ядра в отличие от некроза, при котором ядро выглядит пятнистым. Эта интернуклеосомаль- ная фрагментация ДНК развивается с участием кальций-чувстви- тельной эндонуклеазы. Эндонуклеаза постоянно присутствует в некоторых типах клеток, например тимоцитах, в других клетках фермент образуется перед началом апоптоза. Н ару ш е ни е объема и размеров клеток объясняют активностью трансглютаминазы. Этот фермент вызывает перекрестное связывание цитоплазматических белков, образующих оболочку под плазматической мембраной. Ф а го ц и то зап оп то з н ы х телец макрофагами и другими типами клеток обеспечивается рецепторами. Одним из таких рецепторов у макрофагов является витронектиновый рецептор α v β 3-инте- грин, обеспечивающий фагоцитоз апоптозных нейтрофилов. 31 Схема Механизмы апоптоза (по Е, 1998) Т-лимфоцит Fas-лиганд Fas-рецептор Церамид Вах p53 Эндонуклеазы Фрагментация ДНК Повреждение митохондрий Каспазы Апоптоз Повреждение ДНК Одной из важных особенностей апоптоза является егоза висим ость от активации генов и синтеза белка. Индукция апоптоз — специфических генов обеспечивается за счет специальных стимулов, таких как белки теплового шока и протоонкогены. Н е которые гены (онкогены и супрессорные гены) играют регуляторную роль вин д у к ц и и а поп то за. Например, онкоген р стимулирует апоптоз в норме. Механизм запуска апоптоза и внутриклеточной передачи сигнала от рецепторной системы, приводящий к запуску генетической программы самоуничтожения клетки, связан с системой рецепторов ФНО α (ФНО α -R1)/Fas. Гены семейства Bcl-2 — Bcl-2, Bcl-X L , Bcl-w и др. — ингибируют апоптоз, а Bax, Bik, Bad, Bid, Bcl-X s способствуют его индукции. Эти белки в разных сочетаниях служат агонистами и антагонистами друг другу, образуя гомо- и гетеродимеры. Протеины семейства локализуются на мембранах митохондрий, эндоплазматической сети и ядра. Механизмы действия Bcl-2, вероятно, связаны с регуляцией транспорта Са 2+ и каспазами. Помимо семейства Bcl-2, другие онко- гены также участвуют в регуляции апоптоза. Онкоген р играет важную роль в управлении клеточным циклом, подавляя его до начала репликации ДНК. При повреждении ДНК повышенный синтез р вызывает апоптоз клетки. Апоптоз ответственен за многочисленные физиологические и патологические процессы, идущие в организме 1) удаление клеток в процессе эмбриогенеза (включая имплантацию, органогенез и инволюцию) гормон-зависимую инволюцию клеток у взрослых, например, отторжение клеток эндометрия в процессе менструального цикла, атрезию фолликулов в яичниках вовремя менопаузы, регрессию лактирующей грудной железы после прекращения кормления ребенка 3) уничтожение клеток в пролиферирующих клеточных популяциях, таких как эпителий крипт тонкой кишки 4) смерть клеток в опухолях 5) смерть аутореактивных клонов Т-лимфоцитов; 6) патологическую атрофию гормон-зависимых тканей, например, атрофию простаты после кастрации и исчезновение лимфоцитов в тимусе после введения глюкопротеидов; 7) патологическую атрофию паренхиматозных органов после перекрытия протока, например поджелудочной железы, околоушной слюнной железы, почки) смерть клеток, вызванную цитотоксическими Т-клетками, например, при отторжении трансплантата 9) гибель клеток при некоторых вирусных заболеваниях, например, при вирусном гепатите, при котором фрагменты клеток при апоптозе известны как тельца Каунсильмена; 10) смерть клеток, вызванную различными слабыми повреждающими воздействиями, которые в больших дозах приводят к их гибели (термальные воздействия, радиация, цитотоксические противоопухолевые препараты и, возможно, гипоксия). |