Typy a příčiny poškození buňky a tkání Nekróza a apoptóza Osud poškozené tkáně
Nobelova cena za medicínu 2016 Yoshinori Ohsumi
zdroj: http://www.sciencemag.org
• • • •
autofagocytóza - embryonální vývoj - diferenciace buněk - imunitní systém
• • • •
poruchy autofagocytózy: - nádorová onemocnění - diabetes - Huntigtonova nemoc
Normální buňka
hypertrofie hyperplazie atrofie metaplazie
(homeostáza)
extra či intracelulární stres
Adaptace
příliš velký škodlivý podnět
změna prostřední, vnitřní a zevní stimuly, regulace …
reakce buňky na stres Autofagocytóza
nekróza
Proteiny teplotního šoku „Unfolded protein response“
Odpověď na poškození DNA Reakce na oxidativní stres
reverzibilní
apoptóza pyroptóza
ireverzibilní poškození
autofagická buněčná smrt
hypertrofie hyperplazie atrofie metaplazie
Normální buňka (homeostáza)
extra či intracelulární stres
Adaptace
příliš velký škodlivý podnět
změna prostřední, vnitřní a zevní stimuly, regulace …
schopnost buňky udržovat stabilní vnitřní prostředí nezbytné pro její fungování a existenci (udržení pH, transport iontů, produkce energie), i když se mění vnější podmínky
reakce buňky na stres
každá buňka odlišný rozsah strukturální a funkční stability – v závislosti na Autofagocytóza genetickém naprogramování, diferenciaci, prostředí, sousedních buňkách, dostupnosti substrátů … Proteiny teplotního nekróza šoku za normálních okolností je buňka schopna zvládnout fyziologické požadavky „Unfolded protein reverzibilní apoptóza v určitém rozmezí dynamického stavu rovnováhy – normální homeostáza response“ Odpověď na poškození DNA Reakce na oxidativní stres
pyroptóza ireverzibilní poškození
autofagická buněčná smrt
Normální buňka
hypertrofie hyperplazie atrofie metaplazie
(homeostáza)
extra či intracelulární stres
Adaptace
příliš velký škodlivý podnět
změna prostřední, vnitřní a zevní stimuly, regulace …
reakce buňky na stres Autofagocytóza proces vedoucí ke znovunastolení porušené rovnováhy
(vyvolané Proteiny teplotního např. vystupňovaným buněčným stresem, nekróza patologickým stimulem…) šoku „Unfolded protein reverzibilní apoptóza response“ změněný stav, může být východiskem k návratu do původní
či zániku buňky Odpověďrovnováhy, na poškození i předstupněm k trvalému poškození pyroptóza DNA Reakce na oxidativní stres
ireverzibilní poškození
autofagická buněčná smrt
Příčiny poškození buňky • • • • • • • •
fyzikální chemické hypoxie imunitní infekční nutriční genetické stárnutí
Příčiny poškození buňky • fyzikální • • • • • • •
chemické hypoxie imunitní infekční nutriční genetické stárnutí
• mechanické poškození (trauma) • změny teploty • - popálení • - omrznutí • UV záření • radiace • elektrický proud
Příčiny poškození buňky • fyzikální
• chemické • • • • • •
hypoxie imunitní infekční nutriční genetické stárnutí
• kyseliny • louhy • řada běžně se vyskytujících látek v toxické koncentraci (O2, NaCl, glukóza) • léky • jedy • insekticidy, herbicidy, azbest, arzen, CO, …
Příčiny poškození buňky • fyzikální
• chemické
• hypoxie • imunitní • infekční • nutriční • genetické • stárnutí
• O2 nezbytný pro oxidativní fosforylaci ADP • hypoxie = nedostatek O2 snížená tvorba a deplece ATP • ATP pod 5-10% normy – kritické poškození buněčných systémů • nejčatější příčina hypoxie – ischemie (= porucha cévního zásobení) • další příčiny: anémie, otrava CO, poškození plic, tonutí …
Příčiny poškození buňky • fyzikální • chemické • hypoxie
• imunitní • • • •
infekční nutriční genetické stárnutí
• autoimunitní choroby • alergie • některé infekce (přehnaná imunitní reakce)
Adaptace hypertrofie hyperplazie atrofie metaplazie
Atrofie Příčiny
Mechanizmus
• • • • • •
• snížená syntéza proteinů
denervační z inaktivity endokrinní nutriční vaskulární senilní
• zmenšení buňky nastolující novou rovnováhu mezi velikostí a sníženým cévním zásobením / nutricí / trofickou stimulací …
• - snížení metabolické aktivity
• zvýšená degradace proteinů • - ubikvitinace – degradace v proteasomech • - mechanismus ubikvitinace odpovědný i za zvýšenou proteolýzu u katabolických stavů (včetně nádorové kachexie)
Hyperplazie
Hypertrofie
• výskyt u buněk schopných dělení • fyziologická • - hormonální (proliferace žlazového epitelu mléčné žlázy – gravidita, puberta) • - kompenzatorní (játra – stimulace růstovými faktory) • patologická • - nadměrná stimulace hormony či růstovými faktory (hyperplazie endometria)
• zvětšení buňky (orgánu) – nárůst objemu buňky – zvýšené množství strukturálních proteinů a organel • fyziologická či patologická • zvýšené funkční nároky či na podkladě specifické hormonální stimulace
Hyperplazie
Metaplazie • reverzibilní náhrada diferencované tkáně jinou diferencovanou tkání • 1) přímá změna fenotypu diferencované buňky (modulace) • - přeměna fibroblastů v myofibroblasty • 2) výsledek přeprogramování kmenových buněk • - působení cytokinů, růstových faktorů … • - dlaždicová metaplazie (cervix, plíce)
Typy buněčné smrti
Buněčná smrt • souhrn mnoha pochodů vedoucích k zániku buňky • programovaná buněčná smrt • - apoptóza - anoikis (interakce s ECM - integriny) • - nekróza (nekroptóza) • - autofagická buněčná smrt • - pyroptóza
Buněčná smrt Nekróza
Apoptóza
• dřívější názor vždy patologická? • děj indukovaný, regulovaný proces (spolupráce mnoha signálních molekul) • síla noxy větší • rychlý nástup (sekundy-minuty) • buňka větší (edém) • jádro – pyknóza - karyorexe karyolýza • buněčné membrány porušené • buněčný obsah enzymaticky natráven, může unikat z cytoplazmy • je zánětlivá reakce • pH buňky se nemění, není aktivace kaspáz
• patologická i fyziologická • aktivní proces vyžadující energii • síla noxy menší • pomalý nástup (hodiny) • buňka menší (svráštění) • jádro – fragmentace (velikost nukleozómů) • buněčné membrány intaktní • buněčný obsah intaktní, může být uvolněn do apoptotických tělísek • není zánětlivá reakce • pH buňky se mění (acidifikace), je aktivace kaspáz
Buněčná smrt Nekróza • • • • • • • • • •
Apoptóza
vždy patologická? • patologická i fyziologická Recentní poznatky naznačují, že nekróza děj indukovaný • aktivní proces vyžadující může být součástenergii fyziologických procesů: síla noxy větší • síla noxy menší rychlý nástup (sekundyminuty) pomalý nástup (hodiny) 1) Účastní se •spolu s apoptózou obnovy buňka větší (edém) • buňka menší (svráštění) sliznice tenkého střeva (bez vzniku jádro – pyknóza - karyorexe • jádro – fragmentace (velikost zánětlivé reakce) karyolýza nukleozómů) Zřejmě může zastoupitmembrány apoptózu intaktní během buněčné membrány2)porušené • buněčné normálního• vývoje buněčný obsah enzymaticky buněčný obsah intaktní, může natráven, může unikat z být uvolněn do nádorových apoptotických 3) Alternativní cesta likvidace cytoplazmy tělísek buněk, které jsou schopny díky mutacím je zánětlivá reakce • není zánětlivá reakce inaktivovat• apoptózu. pH buňky se nemění, není pH buňky se mění (acidifikace), aktivace kaspáz je aktivace kaspáz
Nekróza (nekroptóza) • může být regulovaný proces, součást fyziologických pochodů • aktivace receptorů smrti (TNF-α, FasL) • důležitá role při začátku nekrózy RIP1 (serin/threoninová kináza) – spolus s RIP3 formace „nekrozómu“ – aktivace pronekrotické kinázové aktivity – spuštění produkce reaktivních kyslíkových radikálů (ROS) • vykonavatelé – volné radikály (superoxid, hydroxylový radikál), H2O2, Ca2+ • nezávislá na kaspázách • aktivace v případě selhání kaskády kaspáz (např. některé virové infekce, mutace u nádorů) • = záložní mechanismus u nádorů rezistentích k apoptóze
Nekróza (nekroptóza) - efektory • • • • • • • • •
volné radikály - poškození lipidů a DNA - porucha funkce mitochondrií - pokles ATP - porucha iontové rovnováhy - poškození membrán Ca2+ - zvýšení hladiny v mitochondriích - aktivace proteáz a fosfolipáz
Buněčná smrt Nekróza
Apoptóza
Typy nekrózy • Prostá nekróza – kůže, svaly • Kolikvační nekróza – CNS, enzymy buněk způsobí lýzu tkání • Koagulační nekróza – parenchymové orgány, denaturace bílkovin tkání • Zvláštní formy: • - kaseifikační nekróza (poprašková) – tbc • - Zenkerova vosková nekróza svalů • - hemoragická nekróza – reflux nebo stáza krve • • Fibrinoidní nekróza - pojivo cévy, tinkčně podobná fibrinu • Nekróza tukové tkáně - po traumatizaci, působením lipázy – při nekróze slinivky
Infarkt myokardu: nekróza, zánětlivá reakce (1-2 dny)
Infarkt myokardu: nekróza, zánětlivá reakce (> 2 dny)
Jizva po infarktu myokardu (týdny)
Kolikvační nekróza
Infarkt mozku (encefalomalacie)
Postmalatická pseudocysta
Kazeifikační nekróza
Hemoragická nekróza
Infarkt plíce
Hemoragická infarzace tenkého střeva
Fibrinoidní nekróza
Nekróza tukové tkáně pankreatu
Změny provázející nekrózu • Změny buněk: • - jádro – pyknóza – karyorrhexis - karyolysis • - buňky jsou zduřelé, cytoplazma eozinofilní, zduření organel, vakuoly • - disrupce membrán – uvolnění lysozomálních enzymů, influx kalcia – aktivace enzymů, autolýza buněk
• Změny v okolí: • - tkáňová reakce, PMN a makrofágy, reparativní pochody
• Biochemické změny: • - pokles pH (ve tkáni), influx Ca do cytoplazmy • - uvolnění enzymů do krve
• Klinické projevy: • - změny funkce, teplota • - leukocytóza, edém, vředy atd.
Osud nekrózy • • • • • • • • • •
demarkace nekrózy- polynukleáry nekróza malého rozsahu - rezorpce nekrotických buněk makrofágy - hojení - regenerace - reparace jizvou - vznik pseudocysty-dutiny velké nekrózy: - ohraničení vazivem-opouzdření - sekvestrace nekrózy a opouzdření
Gangréna • sekundárně modifikovaná nekróza:
• 1) suchá gangréna: • - modifikovaná vysycháním • - hlavně DK při cévních uzávěrech
• 2) vlhká gangréna: • • • •
- modifikovaná infekcí hnilobnými baktériemi - vlhký vzhled, zapáchá, cárovitě se rozpadá - DK u diabetiků, nádory (střevo, plíce, čípek) - toxický šok
• 3) plynatá gangréna: • - modifikovaná infekcí plynotvornými klostridiemi (C. perfringens) • - traumata (zavlečení hluboko do tkáně – anaeroby) • mění glykogen na metan
Suchá gangréna
Vlhká gangréna - dekubitus
Diabetická gangréna dolních končetin
Plynatá gangréna
Apoptóza programovaná buněčná smrt
Buněčná smrt Nekróza
Apoptóza
• dřívější názor vždy patologická? • děj indukovaný, regulovaný proces (spolupráce mnoha signálních molekul) • síla noxy větší • rychlý nástup (sekundy-minuty) • buňka větší (edém) • jádro – pyknóza - karyorexe karyolýza • buněčné membrány porušené • buněčný obsah enzymaticky natráven, může unikat z cytoplazmy • je zánětlivá reakce • pH buňky se nemění, není aktivace kaspáz
• patologická i fyziologická • aktivní proces vyžadující energii • síla noxy menší • pomalý nástup (hodiny) • buňka menší (svráštění) • jádro – fragmentace (velikost nukleozómů) • buněčné membrány intaktní • buněčný obsah intaktní, může být uvolněn do apoptotických tělísek • není zánětlivá reakce • pH buňky se mění (acidifikace), je aktivace kaspáz
Apoptóza - výskyt Fyziologicky
Patologicé stavy
• embryogeneze • involuce hormonálně dependentních tkání v případě hormonální deprivace • zánik buněk v proliferujících buněčných populacích • eliminace nadbytečných buněk (např. leukocytů po proběhlém zánětu)
• • • •
eliminace buněk které mají: genetické aberace poškození DNA kumulace chybně složených proteinů
• infekce (zvl. virové) • zánik buněk při atrofii • nádory (spontánně i po léčbě)
Průběh apoptózy • Fáze signalizační • • • • • •
Vliv pro- a protiapoptotických signálů Vnější cesta (stimulace specifických receptorů smrti) – faktory zevního prostředí, navázání ligandu na receptor - rodina TNF receptorů (typ I TNF, Fas - CD95) - TRAIL receptory (TNF-related apoptosis inducing ligand) FADD (Fas- associated death domain) + prokaspáza 8 → kaspáza 8 Vnitřní cesta (klíčová role – mitochondrie a p53) – volné radikály, anoxie, viry
Průběh apoptózy • Fáze kontrolní a integrační • rodina Bcl-2 proteinů (pro i protiapoptotické) Bcl-2, Bcl-X2 x Bax, Bak • vznik pórů v mitochondriích – pokles ATP • uvolnění cytochromu C, AIF do cytozolu • aktivace latentních kaspáz (kaspáza 8 a 10 – vnější cesta, kaspáza 9 vnitřní cesta)
• Vlastní exekuce • efektorové kaspázy (3, 6 a 7) – destrukce cytoskeletu • endonukléazy- destrukce jádra
Apoptóza – dlaždicobuněčný karcinom
apoptóza - leiomyom
Lymfoidní folikl (zárodečné centrum)
Lymfoidní folikl (zárodečné centrum)
Autofagocytární buněčná smrt • autofagocytóza • – proces vedoucí k degradaci starých cytoplazmatických proteinů a organel (např. mitochondrií – riziko uvolnění cytochromu c; poškozené DNA; nesložených proteinů z ER) • - udržování homeostáze • proces spouštěn produktem onkosupresorického genu Beclin 1 v komplexu s Vps34 (fosfatidylinositol 3-kináza III třídy) a kinázou p150 • typicky se vyskytuje u buněk vystavených metabolickému či terapeutickému stresu (deprivace růstových faktorů, inhibice Akt/mTOR signální dráhy, nutriční deprivace, ischemie/reperfůze, akumulace Ca2+)
• obvykle slouží jako mechanizmus chránící před buněčnou smrtí, zároveň ale představuje alternativní cestu buněčné smrti • mechanismus buněčné smrti není známý
Pyroptóza • ochranný mechanismus proti infekci • programovaná buněčná smrt spojená s reakcí na mikroorganismy během zánětlivé reakce • oproti apoptóze závisí na kaspáze-1 (IL-1-beta konvertující enzym) • oproti apoptóze dochází k aktivaci a uvolnění prozánětlivých mediátorů
