IL DANNO CELLULAREIL DANNO CELLULARE

Vi sono diversi stimoli che possono causareVi sono diversi stimoli che possono causare danni alla cellula, tra cui:

• Agenti fisici (traumi meccanici, radiazioni, variazioni di t t t )temperatura, 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)

• I danni possono variare in intensità e durata; inoltre cellule di diverso tipo sono pdiversamente sensibili ai vari tipi di danno.

• Le strutture cellulari sensibili agli agenti di g gdanno sono le membrane e gli organuli (mitocondri, reticolo endoplasmatico).(mitocondri, reticolo endoplasmatico).

• A livello molecolare sono coinvolte proteine, lipidi e acidi nucleicip

Risposta cellulare a stress e stimoli dannosi

Sviluppo sequenziale dei cambiamenti biochimici e morfologici nel danno cellularemorfologici nel danno cellulare

Modificazioni morfologiche nel danno cellulare

Morfologia del danno cellulareRi fi t id i t d l l ll l tRigonfiamento idropico: aumento del volume cellulare causatodall’aumento del contenuto di acqua della cellula. É dovuto a dannocellulare acuto e reversibile. Il liquido si accumula nelle cisterne delqredicolo endoplasmatico.

Alterazione della regolazione del volumeAlterazione della regolazione del volumecellulare che coinvolge per lo più il controllodella concentrazione del sodio intracellulare,che a sua volta dipende da:che a sua volta dipende da:1) membrana plasmatica2) pompa del Na+/K+-ATPasi sulla membranaplasmaticaplasmatica3) apporto di ATP

Agenti nocivi possono interferireg p1) aumentando la permeabilità al sodio dellamembrana plasmatica; 2) danneggiando lapompa; 3) interferendo con la sintesi dell’ATP

Fegato di paziente con danno epaticop p )

Morfologia del danno cellulareM difi i i b ll l iModificazioni subcellulari• Reticolo endoplasmatico - Dilatazione a causa del rigonfiamento idropico.I polisomi legati alle membrane possono disaggregarsi e staccarsi dallaI polisomi legati alle membrane possono disaggregarsi e staccarsi dallasuperficie del reticolo endoplasmatico rugoso

E t iti li Epatociti rigonfi per E t iti li i fili E t iti d i tEpatociti normali, con tubuli di RE paralleli e strettamente organizzati

Epatociti rigonfi per eccesso di liquido

accumulato in cisterne del RE

Epatociti normali: i profili del RE sono costellati da

ribosomi

Epatociti danneggiato: distacco dei ribosomi,liberi

nel citoplasma

Morfologia del danno cellulareM difi i i b ll l iModificazioni subcellulari• Mitocondri – In alcune forme di danno acuto (ischemia) si harigonfiamento dei mitocondri per perdita di controllo del volume cellularerigonfiamento dei mitocondri per perdita di controllo del volume cellulare

Mitocondri normali, allungati, con Danno ischemico acuto: rigonfi e creste sporgenti che attraversano la

matricetondeggianti, con ridotta densità

della matrice

Morfologia del danno cellulareModificazioni subcellulariModificazioni subcellulari• Membrana plasmatica – Occasionalmente estroflessioni (blebs), cioèestrusioni focali del citoplasma che possono distaccarsi dalla membranaestrusioni focali del citoplasma, che possono distaccarsi dalla membranasenza che vi sia perdita della vitalità cellulare.

bi i i d l l l l l i i ll•Nucleo – Cambiamenti a carico del nucleolo, nel quale si assiste allaseparazione delle componenti granulari e fibrillari

Meccanismi del danno cellulare

Sono stati individuati 4 sistemi intracellulari particolarmente vulnerabili:

•respirazione aerobia

•sintesi proteica

i t ità d ll b ll l i•integrità delle membrane cellulari

•integrità dell’apparato genetico

Le componenti biochimiche e strutturali della cellula sono così strettamente correlateche indipendentemente dal preciso punto di attacco il danno in una sede porta ad unche, indipendentemente dal preciso punto di attacco, il danno in una sede porta ad unampio 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 10 12 ore sebbene il danno irreversibile(morte del miocardio evidente al MO solo dopo 10-12 ore sebbene il danno irreversibilesi verifichi dopo 20-60 min).

P l i ti d i i iti bi hi i i di tt b d fi iti (t i

Meccanismi di danno cellularePer alcuni agenti dannosi i siti biochimici di attacco sono ben definiti (tossinebatteriche, cianuro inibisce la citocromo ossidasi) ma in generale le cause precise cheportano a morte cellulare non sono conosciute.

I l i ò di h l li li i il i l di K b l f f il i id tiIn generale si può dire che la glicolisi, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativasono particolarmente vulnerabili. Indipendentemente dall’agente scatenante lemaggiori cause di morte sono:

A d l i di ATP ( d tt d ll f f il i id ti d ll li li i) lA.deplezione di ATP (prodotto dalla fosforilazione ossidativa e dalla glicolisi) e ladiminuita sintesi di ATP - danno ischemico e tossico.

B.ossigeno e radicali liberi derivati dall’ossigeno - Perossidazione dei lipidi dib f t i d l DNA li ki di t imembrana, frammentazione del DNA, cross-linking di proteine.

C.calcio intracellulare e perdita dell’omeostasi del calcio (intra < 0,1 mM; extra1,3 mM). Mantenuto soprattutto all’interno dei mitocondri e reticolo endoplasmatico da

ATP i i t ll b I t i di ATP t ifipompe ATPasi associate alla membrana. Interruzione di ATP o aumento non specificodella permeabiltà di membrana fanno aumentare Ca intracellulare -> attivazione dinumerosi enzimi (fosfolipasi; proteasi, ATPasi, endonucleasi).

D dif tti d ll bilità di b P dit d i di ti di t iD.difetti della permeabilità di membrana - Perdita dei gradienti di concentrazione.

E.danno mitocondriale - Perdita del gradiente dei protoni (ostacola la formazione diATP), fuoruscita del citocromo C nel citosol (apoptosi).

Meccanismi di danno cellulare

Meccanismo di azione del danno da deplezione di ATP

Meccanismo di azione del danno mitocondriale

Meccanismo di azione del danno da aumento del calcio

Meccanismo di azione del danno di membrana

Meccanismi di danno cellulareDanno ischemico e ipossico

(deplezione di ATP)

Di i it di ibilità di i ibilità di tili l d t di tDiminuita disponibilità di ossigeno, o possibilità di utilizzarlo, da parte di un certodistretto tissutale1. IPOSSIA IPOSSICA (riduzione della PO2 nell’aria inspirata) e ipossiemica (riduzione della PO2 nel sangue

arterioso): si ha inadeguata ossigenazione del sangue arterioso che riduce la PO2, il contenuto di O2 nel sanguearterioso e la % di saturazione dell’emoglobina. E’ normale la differenza (a-v) della concentrazione di O2. Lecause sono: diminuita ventilazione o diffusione dell’aria ispirata, limitata disponibilità di O2 (alta quota) o altro.

2 IPOSSIA ANEMICA dif tt tit ti lit ti ( dif tt it l t )2. IPOSSIA ANEMICA: difetto quantitativo o qualitativo (per difetto congenito o avvelenamento)dell’emoglobina. La PO2 nel sangue è normale ma è ridotta la quota di O2 legata all’emoglobina.

3. IPOSSIA ISCHEMICA E STAGNANTE : diminuito influsso di sangue in un distretto tissutale più o menoampio a seconda del vaso occluso La distribuzione dell’ossigeno al tessuto è più bassa del normale Si abbassaampio a seconda del vaso occluso. La distribuzione dell ossigeno al tessuto è più bassa del normale. Si abbassaanche la distribuzione ai tessuti di altri componenti del sangue (glucosi, grassi, ioni, ecc.). Per rispondere allanormale richiesta di ossigeno l’area interessata rimuove dal sangue una quantità di ossigeno superiore alnormale. Quindi: quantità di O2, PO2 e % di saturazione dell’emoglobina sono normali nel sangue arterioso maiù b i llpiù basse in quello venoso

4. IPOSSIA ISTOTOSSICA: incapacità del tessuto di utilizzare O2. E’ causata da veleni della respirazionecellulare. La PO2 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 squilibriofra gittata cardiaca e ampiezza del letto vascolare. Abbassamento globale della pressione ematica coninsufficiente perfusione di tutti gli organi.

Danno ipossico

Il primo punto di attacco dell’ipossia è la respirazione cellulare cioè la fosforilazione ossidativa mitocondriale

Riduzione dei livelli di energia (ATP)

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 glicogenoDiminuzione del pH

Diminuita sintesi proteicaAddensamento della cromatina nucleare

Patogenesi del danno ischemico ed ipossico

Meccanismi del danno ipossico

Meccanismi del danno ipossico

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– 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 O2 che viene convertito daiLa riperfusione fornisce una notevole quantità di O2 che viene convertito dai

radicali liberi in specie reattive dell’ O2 (ROS)

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 allariduzione stessa.

• Il gradiente pressorio che si crea stimola la dilatazionedei vasi di resistenza, allo scopo di mantenere un flussoadeguato in condizioni basaliadeguato in condizioni basali.

• Se la stenosi riduce la sezione del vaso di oltre l’80%, siha una riduzione del flusso anche in condizioni basali;in questa situazione l’albero coronarico impegna granparte della sua “riserva” per mantenere un apportometabolico adeguato.

FASI DEL DANNO BIOCHIMICO DA FASI DEL DANNO BIOCHIMICO DA ISCHEMIA/RIPERFUSIONEISCHEMIA/RIPERFUSIONE

1 In ischemia:1. In ischemia:

• Degradazione dell’ATP aIpoxantinaIpoxantina

• Conversione della Xantinadeidrogenasi a Xantina ossidasideidrogenasi a Xantina ossidasiad opera del Calcio

2. Alla riperfusione:

• Ossidazione della Ipoxantina adUrato con formazione di ROS(anione superossido)(anione superossido)

Danno da ischemia/riperfusione

Ruolo della xantina ossidasi

Durante l’ischemia si verificano:– un aumento delle purine derivate dal catabolismo dell’ATP;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

D t l i f i l’ t di O tt ll XOS di f id iDurante la riperfusione l’apporto di O2 permette alla XOS di formare acido urico a partire dalle purine accumulate; come sottoprodotti della reazione si formano H2O2 e O2

- (ROS)H2O2 e O2 (ROS)

ISCHEMIAISCHEMIA

ATP Ca

RIPERFUSIONE

ADP attivazione proteasi IPOXANTINA + XANTINA OSSIDASI + O2

Ca-dipendenti

AMP i t litiURATO + H2O2 + O2

-AMP conversione proteolitica

dellaXANTINA DEIDROGENASI

ADENOSINA i

2 2 2

Fe3+

ADENOSINA inXANTINA OSSIDASI

INOSINA

O2 + OH- + OH•

INOSINA

IPOXANTINA DANNO CELLULAREIPOXANTINA

(nessuna reazione in assenza di ossigeno)

DANNO CELLULARE

Danno da ischemia/riperfusioneRuolo dei neutrofili e dell’NORuolo dei neutrofili e dell NO

Una fonte di ROS nella riperfusione è rappresentata dai neutrofili.

Durante l’I/R si verificano alterazioni della superficie endoteliale che induconol’adesione e l’attivazione dei neutrofili circolanti. I neutrofili rilasciano ROS edl adesione e l attivazione dei neutrofili circolanti. I neutrofili rilasciano ROS edenzimi idrolitici che danneggiano le cellule precedentemente in ischemia.

’i h i / i f i i l i l’ i id i i i i ( OS) hL’ischemia/riperfusione, inoltre, attiva l’enzima ossido nitrico sintasi (NOS), cheporta alla produzione di ossido nitrico (NO) il quale reagisce con i ROS formandospecie reattive tossiche (perossinitrito).p (p )

Intervengono inoltre IL-1, TNF-a, PAF e endotelina che provocanovasocostrizione;– vasocostrizione;

– aumento della adesività di neutrofili e piastrine all’endoteli;,– chemiotassi dei neutrofili;

ff tti di t lt i i i t i h d ll f i l– effetti a distanza con alterazioni sistemiche della funzione vascolare.