Typy a příčiny poškození buňky a tkání

Nekróza a apoptóza

Osud poškozené tkáně

Nobelova cena za medicínu 2016 Yoshinori Ohsumi

• autofagocytóza

• - embryonální vývoj

• - diferenciace buněk

• - imunitní systém

• poruchy autofagocytózy:

• - nádorová onemocnění

• - diabetes

• - Huntigtonova nemoc

zdroj: http://www.sciencemag.org

Normální buňka (homeostáza)

Adaptace extra či intracelulární stres

změna prostřední, vnitřní a zevní stimuly, regulace …

hypertrofie hyperplazie

atrofie metaplazie

reakce buňky na stres

příliš velký škodlivý podnět

reverzibilní

ireverzibilní poškození

pyroptóza

autofagická buněčná smrt

apoptóza

nekróza Proteiny teplotního šoku

„Unfolded protein response“

Odpověď na poškození DNA

Reakce na oxidativní stres

Autofagocytóza

Normální buňka (homeostáza)

Adaptace extra či intracelulární stres

změna prostřední, vnitřní a zevní stimuly, regulace …

hypertrofie hyperplazie

atrofie metaplazie

reakce buňky na stres

příliš velký škodlivý podnět

reverzibilní

ireverzibilní poškození

pyroptóza

autofagická buněčná smrt

apoptóza

nekróza Proteiny teplotního šoku

„Unfolded protein response“

Odpověď na poškození DNA

Reakce na oxidativní stres

Autofagocytóza

schopnost buňky udržovat stabilní vnitřní prostředí nezbytné pro její fungování a existenci (udržení pH, transport iontů, produkce energie), i když se mění vnější podmínky každá buňka odlišný rozsah strukturální a funkční stability – v závislosti na genetickém naprogramování, diferenciaci, prostředí, sousedních buňkách, dostupnosti substrátů … za normálních okolností je buňka schopna zvládnout fyziologické požadavky v určitém rozmezí dynamického stavu rovnováhy – normální homeostáza

Normální buňka (homeostáza)

Adaptace extra či intracelulární stres

změna prostřední, vnitřní a zevní stimuly, regulace …

hypertrofie hyperplazie

atrofie metaplazie

reakce buňky na stres

příliš velký škodlivý podnět

reverzibilní

ireverzibilní poškození

pyroptóza

autofagická buněčná smrt

apoptóza

nekróza Proteiny teplotního šoku

„Unfolded protein response“

Odpověď na poškození DNA

Reakce na oxidativní stres

Autofagocytóza proces vedoucí ke znovunastolení porušené rovnováhy (vyvolané např. vystupňovaným buněčným stresem, patologickým stimulem…) změněný stav, může být východiskem k návratu do původní rovnováhy, i předstupněm k trvalému poškození či zániku buňky

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 • denervační • z inaktivity • endokrinní • nutriční • vaskulární • senilní

• zmenšení buňky nastolující

novou rovnováhu mezi velikostí a sníženým cévním zásobením / nutricí / trofickou stimulací …

Mechanizmus • snížená syntéza proteinů • - snížení metabolické aktivity

• zvýšená degradace proteinů

• - ubikvitinace – degradace v proteasomech

• - mechanismus ubikvitinace odpovědný i za zvýšenou proteolýzu u katabolických stavů (včetně nádorové kachexie)

Hyperplazie • 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)

Hypertrofie • 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 • 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

Apoptóza • 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 • vždy patologická? • děj indukovaný • 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

Apoptóza • 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

Recentní poznatky naznačují, že nekróza může být součást fyziologických procesů: 1) Účastní se spolu s apoptózou obnovy

sliznice tenkého střeva (bez vzniku zánětlivé reakce)

2) Zřejmě může zastoupit apoptózu během normálního vývoje

3) Alternativní cesta likvidace nádorových buněk, které jsou schopny díky mutacím inaktivovat apoptózu.

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 • 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

Apoptóza • 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 • embryogeneze

• involuce hormonálně dependentních tkání v případě hormonální deprivace

• zánik buněk v proliferujících buněčných populacích

• eliminace nadbytečných buněk (např. leukocytů po proběhlém zánětu)

Patologicé stavy • 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