Тема: некроз. Апоптоз.
Некроз — омертвение клеток и тканей в живом организме. Некрозу могут подвергаться часть клетки, клетка, группа клеток, участок ткани, органа, целый орган или часть тела. Поэтому в одних случаях некроз определяется лишь при микроскопическом исследовании, в других — хорошо различим невооруженным глазом.
При некрозе возникают характерные изменения клетки и межклеточного вещества. В клетке изменяются ядро и цитоплазма. Ядро сморщивается (кариопикноз), распадается на глыбки (кариорексис) и растворяется (кариолизис, или кариолиз). Эти изменения ядра являются стадиями его гибели. В цитоплазме происходят денатурация и коагуляция белка (коагуляция цитоплазмы), распад ее на глыбки (плазморексис) и, расплавление (плазмолиз, цитолиз). Изменения межклеточного вещества при некрозе касаются как основного вещества и волокон соединительной ткани, так и нервных волокон. Основное вещество и волокна соединительной ткани подвергаются изменениям, характерным для фибриноидного некроза, ослизнения ткани или колликвационного некроза, а нервные волокна — глыбчатому распаду.
Среди клинико-морфологических форм некроза выделяют коа-гуляционный некроз, колликвационный некроз, гангрену, секвестр и инфаркт. При коагуляционном некрозе омертвевшие участки ткани серо-желтые, плотные, сухие (сухой некроз). Примерами сухого некроза являются творожистый, фибриноидный , восковидный (ценкеровский). Для колликвационного некроза характерно расплавление мертвой ткани (влажный некроз). Таковы очаги размягчения и расплавления, например, в головном или спинном мозге.
Гангреной называют некроз тканей, которые соприкасаются с внешней средой и становятся при омертвении серо-бурыми или черными. Гангрена может быть сухой или влажной. Если участок мертвой ткани не подвергается аутолизу, а свободно располагается среди живых тканей, то говорят о секвестре. Инфарктом называют ишемический некроз, связанный с уменьшением кровотока в органе или ткани. Иногда кровоток совсем прекращается в результате закупорки просвета кровеносного сосуда, тогда развиваются обширные омертвения тканей, которые называются инфарктами. Инфаркты ткани головного мозга называются инсультами.
Апоптоз - генетически запрограммированная смерть клеток. Несмотря на непрерывное обновление, количество клеток в тканях взрослого организма остается постоянным. Это означает, что число вновь образующихся клеток соответствует числу отмирающих. Процесс физиологического отмирания клеток совершается незаметно. Он не сопровождается воспалительными реакциями, которые расширяют масштаб повреждения при некрозе. Естественная смерть является вполне логичным событием, как любое замещение старого новым.
Термин «апоптоз» (с греч. — опадание листьев) введен в научный обиход в 1972 г. для обозначения формы гибели клеток, прототипом которой является гибель тимоцитов под действием глюкокортикоидов.
Классический апоптоз — не единственный механизм нормальной гибели клеток, но, безусловно, один из ее главных рычагов. Интерес к проблеме апоптоза с конца 80-х годов XX в. увеличивается экспоненциально, когда форма клеточной смерти была отождествлена с ранее описанной программированной гибелью клеток, информация о которой закодирована в клеточном геноме и поддается фенотипической регуляции.
Было осознано, что апоптоз — такая же фундаментальная генетическая программа как пролиферация, дифференцировка или пребывание клеток в покоящемся состоянии. Об апоптозе говорят как об активной смерти (противопоставляя его некрозу, т. е. пассивной гибели от «несчастного случая»), как о «самоубийстве» клеток, сознательно выбирающих дорогу смерти, если они чувствуют собственную бесполезность, а тем более опасность для клеточного сообщества.
Рис.1. Схема апоптоза.
При получении апоптозного сигнала адегизированная клетка (а) округляется (Ь), конденсирует ДНК (с), ядро расщепляется на глыбки агрегированного хроматина (д.), клетка распадается на фрагменты (апоптозные тела), окруженные ригидной мембраной (е), которые фа- гоцитируются макрофагами (f).
Общепризнано, что апоптоз занимает ключевые позиции в физиологии эмбрионального морфогенеза, метаморфозе, элиминации (негативной селекции) аутореактивных Т-лимфоцитов, уничтожении опухолевых и вирус инфицированных клеток. Обсуждается его роль в патологии — при аутоиммунных заболеваниях, злокачественных опухолях, дегенеративных и атрофических процессах, инфекционной патологии. Итак, основные понятия:
●Программированная гибель — это активная форма гибели клетки, являющаяся результатом реализации ее генетической программы или ответом на внешние силы и требующая затрат энергии и синтеза макромолекул (генетическая характеристика). Представления о запрограммированной смерти, долгое время не привлекавшие внимания клиницистов, сегодня выдвинулись в число самых популярных и интригующих проблем медицины.
●Апоптоз — форма гибели клетки, проявляющаяся в уменьшении ее размера, конденсации и фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматических мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду (морфологическая характеристика).
Апоптоз ассоциируется с патогенезом злокачественных опухолей, атрофических (в частности, нейродегенеративных) и гиперпластических процессов, аутоиммунных заболеваний, вирусных инфекций. Клетки, вступившие на путь апоптоза, претерпевают стереотипные изменения, ведущие к формированию характерного фенотипа . Принципиально, что гибель наступает при сохранении целостности плазматической мембраны и внутриклеточных органелл. Поэтому, в отличие от некроза, клетка не разбухает (результат повреждения мембраны и переполнения клетки водой из окружающей среды), а сжимается, конденсируя цитоплазму и оставаясь непроницаемой для красителей типа трипанового синего или пропидий йодида.
Клетки округляются, теряя микроворсинки, рецепторы и структуры, обеспечивающие клеточные функции и межклеточные контакты. Их контур становится гладким, и они отделяются от соседних клеток. Вслед за этими изменениями (они совершаются в считанные минуты) в мембране образуются выпячивания, которые отпочковываются от клетки в виде апоптозных тел. Последние, как и сама клетка, окружены уплотненной (ригидной) мембраной и могут содержать органеллы и фрагменты ядра. Апоптозные тела поглощаются мононуклеарными фагоцитами, а также сбрасываются в окружающую среду. Поглощенный материал переваривается лизосомальными ферментами, причем макрофаги уничтожают его, не подвергаясь активации. Весь процесс, от агрегации хроматина до полного переваривания апоптозных тел, занимает 1—3 ч. Этим скоротечным событиям предшествуют латентные сдвиги, которые развиваются на протяжении 10-12 ч. На этом этапе клетки могут быть спасены от апоптоза продуктами протективных (антиапоптозных) генов, финальные же события необратимы. В целом морфологическая картина апоптоза отражает упорядоченность подключения механизмов, направленных на то, чтобы избежать каскадных последствий цитолиза, когда из клетки высвобождается комплекс флогогенных начал, инициирующих воспалительную реакцию и сопряженные с ней вторичные повреждения. Однотипность цитопатических изменений позволяет думать об общности эффекторных механизмов апоптоза для любых клеток, по крайней мере, на его заключительных этапах.
Главным проявлением апоптоза является деградация хроматина. Ее основой служит ферментативное расщепление ДНК. Оно происходит в несколько этапов с формированием все более мелких фрагментов. Сначала образуются фрагменты, включающие 700, 200-250, 50—70, 30—50 тыс. пар оснований. На этой стадии происходит конденсация хроматина и инвагинация ядерной мембраны. После реализации этого этапа процесс становится необратимым. Затем наступает очередной этап деградации — нуклеосомная дезинтеграция ДНК, т. е. разрывы нитей ДНК, находящихся между нуклеосомами. При этом образуются фрагменты, кратные по величине 180—190 пар оснований, что соответствует протяженности нити ДНК в пределах одной нуклеосомы. Этот тип деградации обычно завершается в течение суток. Деградация хроматина при апоптозе является активным процессом, зависящим от температуры, источников энергии, синтеза РНК и белка «dе novo». Различные этапы деградации ДНК катализируются разными формами эндонуклеаз, отличающимися субстратной специфичностью и условиями проявления активности.
Апоптические клетки трудно выявить в тканях, в связи с тем, что они быстро фагоцитируются не только макрофагами и нейтрофилами, но и другими окружающими клетками, не являющимися «профессиональными» фагоцитами. Быстрота фагоцитирования связана с экспрессией на их поверхности (вследствие реорганизации мембраны) некоторых молекул, распозноваемых фагоцитами; такими молекулами являются фосфосерин, тромбоспондин. В результате этого фагоцитоза, содержимое клеток не выделяется в межклеточное пространство, как при некрозе, когда вокруг гибнущих клеток скапливаются их активные внутриклеточные компоненты, включая энзимы, закисляется среда, что способствует гибели других клеток и развитию очага воспаления. Апоптоз поражает индивидуальные клетки и практически не отражается на их окружении.
Апоптоз обычно противопоставляется другой форме гибели клеток-некрозу, который развивается при воздействии внешних, по отношению к клетке, повреждающих агентов и неадекватных условий среды. Например, гипоосмия, крайние значения рН, гипертермия, механические воздействия, действие агентов, повреждающих мембрану, формирование пор в мембране с участием факторов комплемента. Проявляется набуханием клетки и разрывом мембраны вследствие повышения ее проницаемости с выходом содержимого клетки в среду.
В развитии апоптоза выделяют 3 стадии: индукторную, эффекторную и деградации. Если две последние едины для всех разновидностей апоптоза, то первая стадия проявляется весьма разнообразно в зависимости от типа клеток и индукторных факторов. Это разнообразие можно объединить в две группы:
1) когда программа гибели включается внешними факторами;
2) когда эта программа предсуществует в клетке и реализуется в отсутствие защитных факторов.
ИНДУКЦИЯ АПОПТОЗА. По современным представлениям в каждой клетке имеются два основных механизма апоптоза: внешний (опосредованный через рецепторы смерти) и внутренний (митохондриальный, стресс-индуцированный).
Детально изучен вариант с индукцией апоптоза внешними воздействиями. Наиболее полно проанализированы условия экзогенной индукции апоптоза Т-лимфоцитов, особенно их незрелой формы -кортикальных тимоцитов.
1. Классическим индуктором апоптоза тимоцитов служат кор-тикостероиды. Они проникают в клетку и проявляют свое действие через рецепторы, локализующиеся в ядре. Разные клетки по-разному интерпретируют сигнал от гормонов. Так, эстрогены и андрогены индуцируют апоптоз преимущественно эпителиальных клеток.
2. Более распространенным вариантом является рецепция сигналов к апоптозу через мембранные рецепторы для антигена. Так, сигнал, поступающий в Т-лимфоциты через рецептор для антигена, который в норме приводит к активации и последующей пролиферации клеток, в определенных условиях может вызывать их апоптоз, обозначаемый как активационный. Сигнал может подаваться при воздействии на рецептор антигена, суперантигена, митогенного лектина, антител, способных перекрестно сшивать молекулы рецептора.
3. Апоптоз могут индуцировать некоторые цитокины. «Сигнал гибели» подается через один из двух рецепторов ТNF - р55. Однако лишь ТNFR1 имеет цитоплазматический «домен гибели», через который передается летальный сигнал. Другие цитокины, например ИЛ-2 и γ- интерферон, в зависимости от ситуации могут индуцировать или предотвращать развитие апоптоза. Такая «амбивалентность» эффектов свойственна и ряду других агентов — ингибиторам синтеза белка, активаторам и ингибиторам активности киназ. Наконец, существует рецептор, для которого пока не установлено иных функций, кроме передачи сигнала к развитию апоптоза — Fαs-рецептор, локализующийся на клетках различных типов спонтанно (на гепатоцитах, кортикальных тимоцитах) или после активации (зрелые лимфоциты). Он гомологичен ТNF и присутствует на клетках «иммунологически привилегированных органов».
Общая формула такого «внешнего» апоптоза сводится к воздействию физиологических стимулов в нефизиологических концентрациях и сочетаниях. В подобных случаях апоптоз основан на рецепторном взаимодействии с индуцирующими агентами и зависит от типа клеток, их зрелости, физиологического состояния и природы стимулов. Удобной моделью для его изучения служат лимфоциты, которые подвергаются негативной селекции путем апоптоза, способны избегать апоптозной гибели, превращаясь в клетки памяти, а также индуцируют апоптоз в клетках-мишенях, добиваясь цитотоксического эффекта.
Ситуация с предсуществующей программой гибели клетки (внутренний апоптоз) прояснена в значительно меньшей степени, чем индукция апоптоза внешними сигналами. Большинство стрессирующих факторов способны инициировать внутренний апоптоз. К ним относятся физические (радиация, ультрафиолетовое облучение, гипертермия) и химические (оксиданты, противоопухолевые препараты, токсины) стимулы, давно известные как цитотоксические агенты. Одним из универсальных индукторов апоптоза является окислительный стресс, который связан с реактогенными метаболитами кислорода, накапливающимися в клетках при различных воздействиях, особенно на фоне подавления антиоксидантных систем.
Апоптоз служит стандартной реакцией на повреждение ДНК, и его индукция некоторыми агентами опосредована через этот канал.
В отличие от некроза апоптозный процесс развивается не только под влиянием формальных повреждений. Он возникает и как реакция на эндогенные факторы — гормоны, цитокины, дериваты арахидоновой кислоты, физические (прямые) межклеточные контакты.
Эндогенными сигналами для программирования гибели клетки являются:
1. Гибель кроветворных клеток при дефиците ростовых цитокинов.
2. Большинство клеток различных типов при росте в культуре подвергаются апоптозу, если лишить контакта с межклеточным матриксом, например, переводя в суспензию.
3. Накопление нерепарированных разрывов ДНК в результате радиационного поражения.
4. Ингибиторы топоизмераз, влияющие на конформацию ДНК, а также циспластин, встраивающийся в молекулу ДНК, вызывают развитие апоптоза.
5. Эндогенным условием развития апоптоза может быть повышение внутриклеточного уровня Са2+, которое модулируется действием кальциевых ионофоров.
6. Наличие гена супрессии р53. Этот белок называют онкосупрес-сором, поскольку его присутствие приводит к гибели клеток с нарушениями в геноме, тогда как при мутациях гена р53 такие клетки выживают и часто становятся источником злокачественного роста. В норме этот белок не экспрессируется: его экспрессия индуцируется облучением, действием противоопухолевых препаратов и ряда других агентов. Фактор р53 трансформирует сигнал о нерепарированных разрывах цепей ДНК в сигнал к развитию апоптоза.
РЕГУЛЯЦИЯ АПОПТОЗА. Исходя из концепции об апоптозе как о конкретной генетической программе, логичным выглядит представление о специализированных генах, продукты которых усиливают или подавляют апоптозный процесс. В апоптозе задействовано около сотни молекул. Они связаны между собой в каскадных и сетевых взаимодействиях, дублируют друг друга либо демонстрируют уникальность позитивных и негативных эффектов, участвуют в физиологических актах или работают преимущественно на апоптоз.
Ростстимулирующие факторы нацелены на пролиферацию, апоп-тозные сигналы ведут к отмиранию клеток. Равновесие между обновлением и апоптозом обеспечивает баланс в клеточной популяции, перекосы создают предпосылки для гиперплазии или атрофии тканей.
Отсюда регуляторы апоптоза можно условно разделить на ингибиторы и индукторы апоптоза.