зАНЯТИЕ 2. Занятие_2_ПАТОЛОГИЯ_ЦИТОПЛАЗМЫ_И_ОРГАНЕЛЛ. Введение в патологию клетки. Клеточные болезни. Вся патология есть патология клетки
 Скачать 1.78 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ В ПАТОЛОГИЮ КЛЕТКИ. КЛЕТОЧНЫЕ БОЛЕЗНИ. Вся патология – есть патология клетки Р.Вирхов ПЛАН: 1. Патологические изменения клетки, мембран, цитоплазмы. 2. Патология органелл: митохондрии, лизосомы, микротрубочки (цитоскелет). 3. Включения при патологии клетки. В основе любого заболевания лежит повреждение (альтерация) клеток, нарушение ее морфологии и физиологии, что приводит к изменению внутриклеточногогомеостаза и, в конечном итоге, к гибели клетки. Причинами альтерации могут быть разнообразные внешние и внутренние факторы, как-то: механические (травма), химические (токсины), физические (радиация), инфекционные (вирусы, бактерии), иммунные реакции и т.п. Повреждение может быть острым и хроническим, адаптивным (возвращающимся к норме после устранения повреждающего агента) и дизадаптивным (приводящем клетку к гибели). Реакция клетки может быть различна, мы рассмотрим наиболее универсальные морфологические изменения, которые происходят вне зависимости от конкретной причины и являются типичным патологическим процессом. Механизмы повреждения клетки разнообразны, но их можно свести к ряду общих пунктов, как-то: 1) повреждение клетки обусловлено нарушением биохимических реакций, которые воздействуют на структурные компоненты клетки, обеспечивающие базовые механизмы ее жизнедеятельности (ядро и генетический материал, клеточные мембраны, аппарат белкового синтеза, митохондрии); 2) повреждающий агент обычно запускает одновременно несколько взаимосвязанных механизмов, что приводит к изменениям комплекса структурных параметров; 3) исходное состояние клетки влияет на результат повреждения, поскольку исходно различен адаптационный (регенераторный) потенциал клеток; 4) результат действия повреждающего агента будет зависеть от его дозы и длительности воздействия. Клетка под воздействием неблагоприятных факторов может уменьшаться (дистрофия, атрофия) либо увеличиваться (гипертрофия) в размерах, либо подвергаться метаплазии. Причины дистро/атрофических изменений многочисленны (сниженный кровоток, недостаточное питание, нарушение эндокринной стимуляции), а результат всегда направлен на снижение метаболических изменений в клетке, что поддерживает ее жизнеспособность на более длительный срок. Гипертрофия обусловлена повышенной продукцией белков клетки и увеличенным количеством внутриклеточных органелл. Термин «метаплазия» обозначает преобразование либо замещение клеток одного типа на другой. Например, у курящих (постоянное раздражение слизистой) нормальный цилиндрический эпителий бронхов заменяется на многослойный плоский, более устойчивый к действию табачного дыма. Но, это также и предвестник раковых заболеваний. Патология клеточных мембран. Мембрана (плазмолемма) окружает клетку и обеспечивает защитную, транспортную, рецепторную и др. функции. Мембраны участвуют в построении мембранных органелл (митохондрий, лизосом, ЭПС и др.). Напомним, что в основе строения любой мембраны лежит жидкостно-мозаичная структура, представленная двойным (билипидным) слоем молекул жиров с вкраплением белков. Белки различны по расположению (интегральные, полуинтегральные, поверхностные) и выполняемым функциям, часть из которых обладает ферментативной активностью. Поэтому нарушение строения и функции мембраны приводит к изменению клетки в целом, так и органелл, построенных на их основе. Изменение плазмолеммы сопровождается изменением формы клетки. Рис. 1. Изменение формы нейрона (стрелка): плотность цитоплазмы повышена в одном нейроне и вакуолизированная цитоплазма – в другом. Двойная стрелка – нормальный нейрон. Кора головного мозга наркотизированных крыс (авторское фото) Повреждения плазмолеммы приводят к повышенной проницаемости и нарушению осмотического равновесия, выходу воды и ионов из клетки и, как следствие, нарушению кислотно-щелочного равновесия. Клетки могут терять метаболиты, которые жизненно необходимы для восстановления АТФ, ускоряется распад (катаболизм) белков. При нарушении мембраны и входу воды в клетку наблюдается ее гидропическое набухание (и последующая дистрофия), что может привести к разрыву мембраны. Например, явление гемолиза: разрушение мембран эритроцитов приводит к выходу из них гемоглобина в плазму крови («лаковая кровь»). Своеобразное изменение плазмолеммы (встречаемое, например, при нарушении ее проницаемости) – это образование миелиноподобных структур (рис.). Рис. 2. Миелиноподобное тельце в аксоне у наркотизированной крысы (авторское фото) Изменения мембранных липидов и белков приводят к заболеваниям. Некоторые примеры заболеваний приведены в таблице. Таблица 1. Заболевания, сопровождающиеся изменениями мембранных липидов и белков Изменения состава липидов мембран клеток Заболевание Нарушение Симптомы Боковой амиотрофичес кий склероз Изменение метаболизма различных классов липидов, включая фосфолипиды, жирные кислоты, сфинголипиды и др. Причина неизвестна в 90% случаев (может быть курение сигарет; контакт с с/х удобрениями; микротравмы головы, полученные, например, в спорте). В 10% - наследственная патология. Нейродегенеративное заболевание, сопровождающееся дегенерацией верхних и нижних двигательных нейронов, что приводит к мышечным атрофиям. Сфинголипидо зы (болезнь Гоше, болезнь Фабри) Нарушение сфинголипидов: болезнь Гоше – глюкоцереброзидазы, болезнь Фабри – альфа- галактозидазы Болезнь Гоше – гепатоспленомегалия, умственная отсталость, болезнь Фабри – почечная недостаточность. Изменения мембранных белков Наследственн ый сфероцитоз Дефицит спектрина (белок цитоскелета эритроцитов) Изменение формы эритроцитов, приводит к гемолитической анемии. Наследственн ый эллиптоцитоз Дефицит анкирина (периферический мембранный белок эритроцитарной мембраны) Изменение формы эритроцитов, приводит к гемолитической анемии Овалоцитоз Нарушение различных белков мембраны эритроцита Изменение формы эритроцитов, приводит к гемолитической анемии Патологические изменения цитоплазмы могут проявляться в виде увеличения ееплотности(рис. 1), что может быть связано с уменьшением содержания в ней воды, денатурации белков. Так, при коагуляционном (сухом) некрозе, в основе которого лежат процессы денатурации белков с образованием труднорастворимых соединений в клетке, в электронном микроскопе видны плотные и аморфные фрагменты гиалоплазмы, а в световом микроскопе цитоплазма однообразно ацидофильна (т.е. имеет сродство к кислым красителям). Рис. 3. Ацидофилия клеток при коагуляционном некрозе яичек у крысы (A. Saeid, K. Chojnacka, in Encyclopedia of Toxicology (Third Edition), 2014) В противоположность этому может быть уменьшение плотности цитозоля,что может быть связано со снижением интенсивности белкового синтеза или его прекращением, а также с проникновением в цитоплазму воды. Например, в нейронах уменьшение плотности цитоплазмы в результате патологических процессов, называется хроматолизом (снижение объема базофильного вещества цитоплазмы). Рис. 4. Уменьшение площади цитоплазмы и обеднение органеллами нейрона у наркотизированных крыс (авторское фото) Митохондрии выполняют много функций, однако их основная задача — образование молекул АТФ в биохимических циклах клеточного дыхания. Изменение митохондрийможет быть связано с изменением их числа в тканях. В следствие этого снижается пополняемость клетки энергией АТФ, которая синтезируется в этих органеллах. Если синтез этих молекул снижается, то в органах и тканях, которые более всего зависят от их синтеза (особенно нервная и мышечная ткани, сердечная мышца), развивается клиническая симптоматика, которая, в общем, описывается словосочетанием – непереносимость физических нагрузок. В условиях патологии митохондрии (например при интоксикации, белковой дистрофии вследствие недостаточности питания) могут достигать гигантских размеров (т.н. мегамитохондрии), принимая при этом аномальные формы. Качественные изменения митохондрий выявляются в их набухании, вакуолизации, что связано с проникновением в них воды; изменением размеров, формы и числа крист (рис. 5). Рис. 5. Лимфоцит. Электронная микроскопия. 1 - ядро; 2 – митохондрии с разрушенными кристами; стрелка – расширение перинуклеарной цистерны (авторское фото) Деформация крист и уменьшение их числа встречается при пониженной активности митохондрий. Увеличение числа крист митохондрий – свидетельство возрастающих функциональных потребностей клетки. При некоторых состояниях на внутренней мембране могут образовываться преципитаты фосфата кальция, что ведёт к кальцификации митохондрий (рис. 6). Митохондриальная кальцификация представляет собой физиологический процесс защиты клеток от цитотоксичности, вызванной кальцием; однако нарушение регуляции (патологическая кальцификация) может способствовать заболеванию и отложению кальция в клетках и тканях (сосудов, кардиомиоцитов, мышечной ткани, кожи). В таком случае, эти изменения являются необратимыми. Рис. 6. Электронная микроскопия 11. Ув. 12 000, рис.12 – ув. 50 000 По данным Т.Дж. Шурр и др. (2012) патология митохондрий отражается и на состоянии тканей полости рта в 48,6 %, зубов – в 13,5 % случаев. Повреждение мембран митохондрий приводит к открытию митохондриальных пор, изменению митохондриальной проницаемости и снижению содержания АТФ в клетке. При этом высвобождаются белки, которые запускают апоптоз. Наследственная патология этих органелл объединена в группу «митохондриальных болезней». Митохондриальные заболевания возникают из-за наследственных или спонтанных мутаций в митохондриальной ДНК (мтДНК) или в ядерных генах, отвечающих за их строение либо функцию. Морфологические изменения эндоплазматическойсети связаны изменением ее объема в клетке (увеличение/уменьшение, аномального распределения цистерн, их вакуолизаци и т.п.). Гиперплазия ЭПС (гладкой или шероховатой), т. е. увеличение количества цистерн, может сопровождаться образованием концентрических структур, которые в световом микроскопе часто видны как участки базофильной цитоплазмы. Например, в печёночных клетках у алкоголиков, у пациентов, принимавших барбитураты, у людей страдающих семейной гиперхолестеринемией (рис.7) обнаруживают увеличение объема гладкой ЭПС. Рис.7. 1а –Расширенные каналы гранулярной ЭПС в лимфоцитах брыжеечного лимфатического узла. Электронная микроскопия (авторский рисунок). 1б Ксантомы (липидные отложения) на коже при семейной гиперхолестеринемии. Гипертрофия/гиперплазия гранулярной ЭПС, удлинение ее каналов и увеличение количества рибосом, прикрепленных к ее поверхности обусловлена интенсивным белковым синтезом, например в условиях повышенной функциональной нагрузки на клетку, требующей воспроизводство протеинов. Так, например, при наркотической зависимости в коре головного мозга увеличивается количество цистерн гранулярной ЭПС и рибосом на ее поверхности в связи с активным формированием патологических синаптических связей, обусловливающих наркотическую зависимость; в лимфоцитах селезёнки хорошо развита шероховатая ЭПС в связи с интенсивным синтезом белков иммуноглобулинов. Атрофия ЭПС, т.е. уменьшение размеров органеллы, сопровождается снижением белоксинтезирующей функции клетки (при действии токсинов, голодании, старении и др.) (рис.8). Рис. 8. Участок цитоплазмы нейрона наркотизированных крыс. Каналы гранулярной ЭПС единичны (стрелки), кристы митохондрий разрушены (М), наличие фаголизосом (Л). Я – ядро, Яд – ядрышко. Электронная микроскопия (авторское фото). Рис 9. Лимфатический узел. Электронная микроскопия (авторское фото). 1. эозинофил с включениями эозинофильных гранул 2 лимфоцит 3 включения в макрофаге 4 сегментоядерный нейтрофил 5 эндотелиоцит М М Л Л Я Яд Морфологические изменения комплексаГольджи могут быть связаны сувеличением количества цистерн (гиперплазия комплекса) и окружающих комплекс пузырьков и вакуолей, так и увеличением количества отдельных диктиосом (рис. 10). Подобные проявления обусловлены активизацией секреторной функции и связаны с повышенным синтезом и секрецией сложных белков, гликолипидов или полисахаридов. В связи с этим, гиперплазия аппарата Гольджи обычно сочетается с гиперплазией эндоплазматической сети. Например, накопление жёлчи в гепатоцитах при холестазе, сопровождается гиперплазией пластинчатого аппарата. Рис. 10. Увеличение количества диктиосом комплекса Гольджи в нейронах у наркотизированных крыс. Электронная микроскопия (авторское фото) Атрофия аппарата Гольджи сопровождается снижением его функциональной активности. Причиной такого снижения может быть белковое голодание, а также нарушение взаимодействия пластинчатого комплекса с эндоплазматической сетью. Резкое исчезновение вплоть до исчезновения структур комплекса возможно при вирусных инфекциях. Лизосомы.Лизосомы (первичные, вторичные, третичные) выполняют в клетке ряд функций, основная из которых – это внутриклеточная разрушение поступающих извне веществ и деградация органелл самой клетки, которые выработали свой срок. В них содержатся ферменты (их порядка 40 видов), которые могут переварить протеиновый субстрат любой сложности. Поэтому дестабилизация (лабилизация) лизосомальных мембран в виде трещин и разрывов при воздействии различных агрессивных факторов ведёт к её некрозу или прогрессирующему разрушению путём самопереваривания. Увеличение количества лизосом возможно при наследственных «болезнях накопления», сопровождающихся дефектами отдельных ферментов лизосом, вследствие чего в органеллах могут отсутствовать некоторые энзимы, необходимые для нормального метаболизма клеток (таблица 1, рис.11, 12). Рис. 11. Увеличение количества лизосом ( Bruce A. Fenderson ,2009) Электронная микроскопия. Гигантские лизосомы формируются при избыточной их функции, они становятся аномальными, растянутыми. Рис. 12. Аномально большого размера лизосомы при недостаточности альфа-трипсина (А.И. Струков, В.В. Серов «Патологическая анатомия», 2019). Электронная микроскопия. Больших размеров лизосомы в полинуклеарах крови, как результат слияния первичных и вторичных лизосом (при этом третичные не формируются), наблюдаются при болезни Чедиака-Хигачи (рис. 13). Рис. 13. Накопление лизосом в цитоплазме гранулоцита. Окраска: гематоксилин и эозин. Фото находится в свободном доступе в сети Интернет. Повреждение мембран лизосом может являться результатом иммунной (аллергической) реакции. Пероксисомы. Пероксисомысодержат различные энзимы (оксидазы, пероксидазы, уриказы и т.п.) и их функция направлена на защиту клетки от повреждающих агентов.Увеличение числа пероксисом отмечается при алкогольной интоксикации, при злоупотреблении жирной пищей, приводящей к гиперлипидемии, употреблении ряда медикаментов. Уменьшение числа пероксисом и снижение интенсивности синтеза их ферментов наблюдается в печени при воспалении, а также при опухолевом росте. При акаталаземии (наследственное заболевание, в основе патогенеза которого лежит резкое снижение активности каталазы в печени и других органах) основным клиническим симптомом является гангренозное изъязвление тканей полости рта. У больных с нарушением биогенеза пероксисом выявляют лицевой дисморфизм, проблемы с зубочелюстной системой, сопровождающиеся гипоплазией эмали. Рибосомы. Увеличение количества рибосом и их структурно- функциональных групп (моно- и олигорибосомы, полисомы, мембраносвязанные рибосомы)может являться адаптивной реакцией на возросшие потребности клетки в синтезе белка (функциональная нагрузка). Снижение числа рибосом отмечено при параноидальной шизофрении (U ranova N.A. и др., 2017). Аномальное строение и изменение количества рибосом (рибосомопатии) человека обусловлено генетическими аномалиями, например, анемия Даймонда-Блэкфана, при которой наиболее часто встречаются аномалии развития лицевого черепа: глазной гипертелоризм (увеличенное расстояние между глазами), готическое нёбо, нёбная расщелина, плоская спинка носа, микрогнатия, микроцефалия; врожденный дискератоз – заболевание кожи, при котором наблюдается лейкоплакия (повышенное ороговение) слизистой оболочки полости рта; синдром Тричера-Коллинза - врожденное нарушение развития черепно-лицевой области, которое характеризуется двусторонней симметричной ото-нижнечелюстной дисплазией без аномалий конечностей, рядом дефектов головы и шеи и др. В условиях патологии рибосомы могут строить хорошо очерченные геометрические фигуры. Например, при воздействии афлотоксина (микотоксин, продуцируемый плесневыми грибами) такие фигуры имеют вид спирали. Аналогичные изменения наблюдаются в клетках при гипотермии, кислородном голодании и дефиците белка в организме. Рис. 14. Увеличение числа монорибосом (стрелки) при одновременном снижении количества рибосом на гранулярной ЭПС при наркомании. Электронная микроскопия (авторское фото). Патология цитоскелета: микротрубочки, микрофиламенты (актиновые филаменты), промежуточные филаменты Промежуточные филаменты достаточно специализированы в зависимости от типа клеток: цитокератины присутствуют в эпителиальных клетках, десмин – в мышечных, виментин – в мезенхимальных, нейрофиламенты – в клетках центральной и периферической нервной системы, глиальные филаменты – в клетках нейроглии. Эпителиальные ткани служат для защиты организма от физических, химических и микробных повреждений и необходимы для выживания. Белки цитокератина составляют преобладающий компонент цитоскелета эпителиев, в том числе в клетках эпителия полости рта. При ряде наследственных заболеваний (например, наследственный интраэпителиальный дискератоз, буллезный эпидермолиз), обусловленных нарушением генов, ответственных за формирование кератина, на коже и слизистых формируются волдыри, эрозии и язвы, характерным для этих заболеваний является тяжелое поражение мягких тканей в ротовой полости, гипоплазия эмали и тяжелый кариес зубов. Нарушение белка десмина (белок промежуточных микрофиламентов, входящий в состав мышечной ткани) приводят к тяжелой кардиомиопатии. Приобретенные нарушения кератина в полости рта (Rao RS, Patil S, Ganavi BS, 2014): кератоз бездымного табака (развивается на слизистой оболочке рта в ответ на употребление бездымного (жевательного, нюхательного) табака; волосатая лейкоплакия полости рта, развивающаяся у больных СПИДом; красная волчанка (инфекционное заболевание); плоский лишай (иммунное заболевание). Микротрубочки. Нарушения строения микротрубочек (МТ) могут быть связаны с изменением их качества, обусловленного аномалией белков, входящих в их состав, и количества При наследственной патологии, сопровождающейся аномалиями белков микротрубочек, развивается врождённый синдром неподвижных ресничек (синдром Картагенера) характеризуется тем, что реснички покровного эпителия дыхательных путей и слизистой оболочки среднего уха неподвижны или малоподвижны, что ведёт к хроническому воспалению дыхательных путей и среднего уха. У таких больных неподвижны также сперматозоиды, следовательно, такие больные бесплодны (хотя сперматозоиды остаются фертильными). Патологией цитоскелета объясняют в настоящее время болезнь Альцгеймера (старческое слабоумие), при котором в нейронах накапливаются патологические клубки МТ. Патология цитоскелета, является губительной для нейронов, поскольку нарушается нейрональный (аксональный) транспорт веществ. При патологии аномальные тубулярные структуры, подобные микротрубочкам, могут формироваться даже в ядре (рис. 15, 16). Рис. 15. Включения в ядре нейрона у наркотизированных крыс Электронная микроскопия (авторское фото). Рис. 16. Участок цитоплазмы аксона не содержит микротрубочки (стрелки) у наркотизированных крыс (авторское фото) Электронная микроскопия (авторское фото) Неподвижностью МТ и ресничек бронхов часто сопровождается инфекционная патология, изменённые реснички очень часто отмечаются у курильщиков. Микрофиламенты. Актиновые филаменты и миозин обнаружены почти во всех типах клеток. Они обеспечивают опорную, транспортную, двигательную функции, участвуют в процессах экзо- и эндоцитоза. В связи с этим, патология микрофиламентов приводит к различной симптоматике, она разнообразна по этиологии и патогенезу. Измененный актиновый цитоскелет является структурным признаком, связанным с многочисленными патологиями, начиная от сердечно-сосудистых заболеваний и заканчивая иммунными нарушениями, неврологическими заболеваниями и раком. При заражении CoV (КОВИД-19) отмечено взаимодействие вирусного белка с элементами цитоскелета, что приводит к нарушению его функционирования (Wen Z. и др., 2020). 3. Включения при патологии клетки Включения внутри клеток могут быть результатом нормальной жизнедеятельности клетки и накопления белков, жиров, углеводов, также и результатом накопления экзогенно либо эндогенно поступивших веществ. Например, в клетке могут содержаться вирусные частицы при инфекционных заболеваниях, при нарушенном метаболизме например липидов – капли жира, холестериновые кристаллы и т.п. Меланин и меланосомы. Меланин секретируется клетками кожи меланоцитами, специфическими функциями которых являются синтез меланинового пигмента, образование меланосом, что обусловливает главную защитную функцию от ультрафиолетового облучения. Интересно, что меланоциты находятся не только в составе кожи, но и присутствуют в полости рта, однако меланин они могут не вырабатывать. Степень окраски слизистой может быть неоднородной, обусловлена генетически и зависит от расовой принадлежности. Патологическая гиперпигментация (в отличие от физиологической) может привести к меланоме – раковой опухоли, при которой на слизистой полости рта формируются пятна или папулы неправильной формы коричневого или чёрного цвета, со временем увеличивающиеся в размере. Липофусцин, т.н. «пигмент старения», с возрастом накапливается в нейронах, кардиомиоцитах, клетках пигментного эпителия сетчатки, что уменьшает полезный объём площади цитоплазмы и затрудняет функционирование клеток. В кератиноцитах кожи пигмент накапливается при ультрафиолетовом облучении. Количество липофусцина увеличивается при различных вариантах патологии: эпилепсии, нейродегенеративных состояниях, болезни Альцгеймера, атеросклерозе, раковых опухолях. Рис. 17. Скопление гранул липофусцина (стрелки) в нейроне наркотизированной крысы. Электронная микроскопия (авторское фото). Гранулы липофусцина могут накапливаться в клетках полости рта, языка при раковых заболеваниях органов полости рта (Матчин А.А., Стадников А.А., 2020). Белковые включения в световом микроскопе обычно выявляются в виде ацидофильных капель и скоплений. Накопление белков встречается и в нормальных клетках, например, продуцирующих белковые гормоны. Белковые депозиты встречаются при амилоидозах (заболеваниях, общим признаком которых является отложение в клетках и тканях сложного фибриллярного гликопротеида – амилоида), нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Гентингтона), раковых опухолях. Так, при паркинсонизме в клетках нейронов накапливаются т.н. тельца Леви, возникающие в результате распада белков клеточного скелета. Рис. 18. Включения альфа-синуклеина (белка) в черной субстанции мозга при болезни Паркинсона. ( https://commons.wikimedia.org ) Накопление прионовых белков в цитоплазме(дефектные белки, формирующиеся в результате нарушения фолдинга белка) приводит к формированию т.н. прионных болезней. Это прогрессирующее дистрофическое заболевание коры большого мозга, базальных ганглиев и спинного мозга, которое может быть, как приобретенным (губчатый энцефалит, болезнь Крейтцфельда-Якоба), так и наследственным (болезнь Куру, инсомния). |