danni alla cellula, tra cui:

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1 IL DANNO CELLULARE Vi sono diversi stimoli che possono causare danni alla cellula, tra cui: Agenti fisici (traumi meccanici, radiazioni, variazioni di temperatura, t etc.) Agenti chimici (farmaci, veleni, etc.) Agenti infettivi (virus, batteri, etc.) Deficit nutrizionali Deficit di ossigeno (ipossia) o deficit di apporto ematico ai tessuti (ischemia)

2 I danni possono variare in intensità e durata; inoltre cellule di diverso tipo sono diversamente sensibili ai vari tipi di danno. Le strutture cellulari sensibili agli agenti di danno sono le membrane e gli organuli (mitocondri, reticolo endoplasmatico). A livello molecolare sono coinvolte proteine, lipidi e acidi nucleici

3 Risposta cellulare a stress e stimoli dannosi

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5 Sviluppo sequenziale dei cambiamenti biochimici e morfologici nel danno cellulare

6 Modificazioni morfologiche nel danno cellulare

7 Morfologia del danno cellulare Rigonfiamento idropico: i aumento dl del volume cellulare l causato dall aumento del contenuto di acqua della cellula. É dovuto a danno cellulare acuto e reversibile. Il liquido 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 nocivi possono interferire 1) aumentando la permeabilità al sodio della membrana plasmatica; 2) danneggiando la pompa; p 3) interferendo con la sintesi dell ATP Fegato di paziente con danno epatico

8 Morfologia del danno cellulare Modificazioni i isubcellulari l Reticolo endoplasmatico - Dilatazione a causa del rigonfiamento idropico. I polisomi legati alle membrane possono disaggregarsi e staccarsi dalla superficie del reticolo endoplasmatico rugoso Epatociti normali, con tubuli di RE paralleli e strettamente organizzati Epatociti rigonfi per eccesso di liquido accumulato in cisterne del RE Epatociti normali: i profili Epatociti danneggiato: del RE sono costellati da distacco dei ribosomi,liberi ribosomi nel citoplasma

9 Morfologia del danno cellulare Modificazioni i isubcellulari l 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

10 Morfologia del danno cellulare Modificazioni subcellulari Membrana plasmatica Occasionalmente estroflessioni (blebs), cioè estrusioni focali del citoplasma, che possono distaccarsi dalla membrana senza che vi sia perdita della vitalità cellulare. bi i i dl l l l l i i ll Nucleo Cambiamenti a carico del nucleolo, nel quale si assiste alla separazione delle componenti granulari e fibrillari

11 Meccanismi del danno cellulare Sono stati individuati 4 sistemi intracellulari particolarmente vulnerabili: respirazione aerobia sintesi proteica integrità ità delle membrane cellulari l integrità dell apparato genetico Le componenti biochimiche e strutturali della cellula sono così strettamente correlate che, indipendentemente dal preciso punto di 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 ore sebbene il danno irreversibile si verifichi dopo min).

12 Meccanismi di danno cellulare Per alcuni agenti dannosi i siti biochimici i i di attacco sono ben definiti iti (tossine batteriche, cianuro inibisce la citocromo ossidasi) ma in generale le cause precise che portano a morte cellulare non sono conosciute. In generale si può dire che la glicolisi, i il ciclo di Krebs e la fosforilazionef i ossidativa sono particolarmente vulnerabili. Indipendentemente dall agente scatenante le maggiori cause di morte sono: A.deplezione di ATP (prodotto dalla fosforilazionef i ossidativa e dalla glicolisi) i) e la diminuita sintesi di ATP - danno ischemico e tossico. B.ossigeno e radicali liberi derivati dall ossigeno - Perossidazione dei membrana, frammentazione del DNA, cross-linking di proteine. lipidi di 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 associate alla membrana. Interruzione di ATP o aumento non specifico della permeabiltà di membrana fanno aumentare Ca intracellulare -> attivazione di numerosi enzimi (fosfolipasi; proteasi, ATPasi, endonucleasi). D.difetti della permeabilità di membrana - Perdita dei gradienti di concentrazione. E.danno mitocondriale - Perdita del gradiente dei protoni (ostacola la formazione di ATP), fuoruscita del citocromo C nel citosol (apoptosi).

13 Meccanismi di danno cellulare

14 Meccanismo di azione del danno da deplezione di ATP

15 Meccanismo di azione del danno mitocondriale

16 Meccanismo di azione del danno da aumento del calcio

17 Meccanismo di azione del danno di membrana

18 Meccanismi di danno cellulare Danno ischemico e ipossico (deplezione di ATP) Diminuitai it disponibilitàibilità di ossigeno, o possibilità di utilizzarlo, l da parte di un certo distretto tissutale 1. IPOSSIA IPOSSICA (riduzione della PO 2 nell aria inspirata) e ipossiemica (riduzione della PO 2 nel sangue arterioso): si ha inadeguata ossigenazione del sangue arterioso che riduce la PO 2, il contenuto di O 2 nel sangue arterioso e la % di saturazione dell emoglobina. E normale la differenza (a-v) della concentrazione di O 2.Le cause sono: diminuita ventilazione o diffusione dell aria ispirata, limitata disponibilità di O 2 (alta quota) o altro. 2. IPOSSIA ANEMICA: difetto quantitativo o qualitativo ti (per difetto congenito o avvelenamento) dell emoglobina. La PO 2 nel sangue è normale ma è ridotta la quota di O 2 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. La distribuzione dell ossigeno al tessuto è più bassa del 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 O 2,PO 2 e % di saturazione dell emoglobina sono normali nel sangue arterioso ma più basse in quello venoso 4. IPOSSIA ISTOTOSSICA: incapacità del tessuto di utilizzare O 2. E causata da veleni della respirazione cellulare. La PO 2 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.

19 Danno ipossico Il primo punto di attacco dell ipossia è la respirazione cellulare cioè la fosforilazione ossidativa mitocondriale Riduzione dei livelli di energia (ATP)

20 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

21 Patogenesi del danno ischemico ed ipossico

22 Meccanismi del danno ipossico

23 Meccanismi del danno ipossico

24 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, 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 O 2 che viene convertito dai radicali liberi in specie reattive dell O 2 (ROS)

25 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 deivasidiresistenza,alloscopodimantenereunflusso adeguato in condizioni 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.

26 FASI DEL DANNO BIOCHIMICO DA ISCHEMIA/RIPERFUSIONE 1. In ischemia: Degradazione dell ATP a Ipoxantina 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)

27 Danno da ischemia/riperfusione Ruolo della xantina ossidasi Durante l ischemia si verificano: un aumento delle purine derivate dal catabolismo dell ATP; la conversione della xantina deidrogenasi (XDH) in xantina ossidasi (XOS), enzima che converte la xantina in acido urico Durante la riperfusione i l apporto di O 2 permette alla XOS di formare acido urico a partire dalle purine accumulate; come sottoprodotti della reazione si formano H 2 O 2 eo 2- (ROS)

28 ISCHEMIA RIPERFUSIONE ATP Ca ADP attivazione proteasi IPOXANTINA + XANTINA OSSIDASI + O 2 Ca-dipendenti AMP conversione proteolitica della XANTINA DEIDROGENASI ADENOSINA in XANTINA OSSIDASI URATO + H 2 O 2 + O Fe 3+ O 2 + OH - + OH INOSINA IPOXANTINA DANNO CELLULARE (nessuna reazione in assenza di ossigeno)

29 Ruolo dei neutrofili e dell NO Danno da ischemia/riperfusione Una fonte di ROS nella riperfusione è rappresentata dai neutrofili. Durante l I/R si verificano alterazioni della superficie endoteliale che inducono l adesione e l attivazione dei neutrofili circolanti. I neutrofili rilasciano ROS ed enzimi idrolitici che danneggiano le cellule precedentemente in ischemia. L ischemia/riperfusione, i i i inoltre, attiva l enzima ossido nitrico i sintasi i (NOS), che porta alla produzione di ossido nitrico (NO) il quale reagisce con i ROS formando specie reattive tossiche (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 a distanza con alterazioni i sistemiche i della funzione vascolare.