Typy a příčiny poškození buňky a tkání Nekróza a apoptóza Osud poškozené tkáně P. Dundr, 3.10.2013

Normální buňka Adaptace reakce buňky na stres (homeostáza) hypertrofie hyperplazie atrofie metaplazie příliš velký škodlivý podnět extra či intracelulární stres změna prostřední, vnitřní a zevní stimuly, regulace … Adaptace reakce buňky na stres Autofagocytóza nekróza Proteiny teplotního šoku reverzibilní apoptóza „Unfolded protein response“ pyroptóza Odpověď na poškození DNA ireverzibilní poškození Reakce na oxidativní stres 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)

hypertrofie hyperplazie atrofie metaplazie 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 … 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 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

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 - nekróza (nekroptóza) - autofagická buněčná smrt - pyroptóza

Buněčná smrt Nekróza Apoptóza patologická i fyziologická 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? 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 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: Účastní se spolu s apoptózou obnovy sliznice tenkého střeva (bez vzniku zánětlivé reakce) Zřejmě může zastoupit apoptózu během normálního vývoje 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

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

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 1) suchá gangréna: 2) vlhká gangréna: 3) plynatá 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

programovaná buněčná smrt Apoptóza programovaná buněčná smrt

Buněčná smrt Nekróza Apoptóza patologická i fyziologická 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 AIF – apoptosis inducing factor

Průběh apoptózy Fáze kontrolní a integrační Vlastní exekuce 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 AIF – apoptosis inducing factor

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