Пальцев М.А. Лекции по общей патологической анатомии

Подождите немного. Документ загружается.

Исчезновение АТФ ведет к острому набуханию (отеку) клетки —

одному из ранних проявлений ишемического повреждения. Отек

клетки связан с нарушением регуляции объема клетки со стороны

плазматической мембраны. Нарушение активного транспорта

натрия и калия ведет к аккумуляция натрия внутри клетки и диффу-

зии калия за ее пределы. Приток жидкости в клетку сопровождается

ее набуханием и расширением цистерн эндоплазматической сети.

Второй механизм набухания клеток при ишемии — увеличение вну-

триклеточной осмотической нагрузки, вызванное накоплением

катаболитов, таких как неорганические фосфаты, лактат и пуриновые

нуклеозиды. Наблюдается отделение рибосом от мембран шерохова-

той эндоплазматической сети и диссоциация полисом в моносомы.

Если гипоксия продолжается, развиваются и другие изменения,

отражающие повышенную проницаемость клеточной мембраны

и ослабление функции митохондрий. На поверхности клеток образу-

ются выпячивания, содержащие только цитозоль, а клетки, имеющие

Схема 2.2

Механизмы ишемического повреждения клеток (по Muir’s, 1994)

Ишемия

АТФ

Са

клетки

Разрушение

АТФ

Доставка О

в ткани

Окислительное

фосфорилирование

–

клетки

Повреждение

клеточных мембран

Активность

мембранных АТФаз

и РО

–

клетки

Митохондрий

Са

Фосфолипиды

Набухание клетки

↑

↑↑

↑

на поверхности микроворсинки, начинают их терять (эпителий про-

ксимальных канальцев почек). В цитоплазме клеток и вне их появля-

ются миелиновые фигуры, формирующиеся из цитоплазмы клеток

и мембран органелл. Наблюдается набухание митохондрий, связан-

ное с потерей контроля над их объемом. Цистерны эндоплазматиче-

ской сети остаются расширенными. Клетки выглядят сильно набух-

шими с повышенным содержанием воды, натрия и хлора, но

сниженной концентрацией калия. Все описанные изменения обра-

тимы при условии восстановления снабжения кислородом.

Если же ишемия продолжается, то развиваются необратимые

изменения, которые морфологически ассоциируются с выражен-

ной вакуолизацией митохондрий и их крист, повреждением плазма-

тических мембран и набуханием лизосом. В матриксе митохондрий

появляются крупные хлопьевидные аморфные уплотнения. В мио-

карде признаки необратимости повреждения наблюдаются через

30—40 мин после начала ишемии. Массивное поступление кальция

в клетку сопровождается потерей белков, ферментов и РНК. Клетки

могут также терять метаболиты, необходимые для восстановления

запасов АТФ. Повреждение лизосомальных мембран приводит к вы-

делению их ферментов в цитоплазму и активации кислых гидролаз.

Так как лизосомы содержат РНКазы, ДНКазы, протеазы, фосфатазы,

глюкозидазы и катепсины, происходит расщепление компонентов

клетки, которое сопровождается разрушением рибонуклеопротеи-

нов, дезоксирибонуклеопротеинов и гликогена, а также различными

изменениями в ядре.

Вслед за гибелью клетки ее компоненты прогрессивно разруша-

ются, происходит выброс ферментов клетки во внеклеточное прост-

ранство. Умершие клетки превращаются в образования, состоящие

из фосфолипидов в виде миелиновых фигур. Последние подверга-

ются фагоцитозу и разрушаются до жирных кислот. Проникновение

ферментов сквозь поврежденную клеточную мембрану в сыворотку

крови позволяет определять параметры смерти клетки клинически.

Сердечная мышца, например, содержит трансаминазы, лактатдегид-

рогеназу и креатинкиназу. Повышение содержания этих ферментов

в сыворотке крови является клиническим признаком инфаркта

миокарда (смерти кардиомиоцитов).

Таким образом, основными признаками необратимости поврежде-

ния клетки служат изменения митохондрий, приводящие к потере

АТФ, и плазматических мембран. Основным фактором патогенеза

необратимого повреждения клетки при гипоксии является разрушение

ее мембраны, в основе которого лежат биохимические механизмы.

Во-первых, в некоторых ишемизированных тканях, например

печени, необратимые изменения сопровождаются заметным

уменьшением содержания фосфолипидов в клеточной мембране, ко-

торое происходит под действием кальций-зависимых фосфолипаз.

Во-вторых, активация протеаз, связанная с повышением концентра-

ции кальция в цитозоле, ведет к повреждению цитоскелета, выпол-

няющего роль якоря между плазматической мембраной и внутрен-

ним содержимым клетки. В результате в процессе набухания клетки

происходит отслойка клеточной мембраны от цитоскелета, что делает

мембрану более податливой к растяжению и разрыву. В-третьих, при

ишемии появляется небольшое количество высоко токсичных сво-

бодных радикалов кислорода.

Таким образом, основными причинами гибели клетки при гипо-

ксии являются нарушение окислительного фосфорилирования,

приводящее к истощению АТФ, и повреждение мембран клетки,

а важнейшим медиатором необратимых биохимических и морфоло-

гических изменений является кальций.

2. Повреждение клетки, вызванное свободными радикалами кисло-

рода, чаще всего возникает под действием химических веществ, иони-

зирующего излучения, кислорода и других газов, при старении клеток,

разрушении опухолей макрофагами и в некоторых других случаях.

Свободные радикалы представляют собой молекулы кислорода,

имеющие один непарный электрон на внешней орбите. В таком

состоянии радикал исключительно активен и нестабилен и вступает

в реакции с неорганическими и органическими соединениями —

белками, липидами, углеводами и, особенно, с ключевыми молеку-

лами в мембранах и нуклеиновых кислотах. Более того, свободные

радикалы инициируют аутокаталитические реакции, в ходе которых

молекулы, с которыми они реагируют, также превращаются в сво-

бодные радикалы, вызывающие цепь разрушений.

Образование свободных радикалов в клетках может быть иници-

ировано ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами, эндогенны-

ми окислительными реакциями, связанными с нормальным метабо-

лизмом клетки, а также при ферментном расщеплении некоторых

химических веществ и лекарств, поступающих в клетку извне.

Непарный электрон может быть связан практически с любым ато-

мом, но в биологических объектах — чаще всего с кислородом, угле-

родом и азотом. В норме под воздействием цитохромоксидазы кисло-

род превращается в воду. Однако в клетке образуются и токсические

промежуточные соединения кислорода. Наиболее важными среди

них являются супероксид, перекись водорода и гипероксильные

ионы. Они образуются под влиянием различных окислительных

ферментов в цитозоле, митохондриях, лизосомах, пероксисомах

и плазматической мембране.

Перекисное окисление липидов мембран. Свобод-

ные радикалы в присутствии кислорода могут вызывать перекисное

окисление липидов плазматической мембраны и мембран органелл.

Липидно-радикальные взаимодействия приводят к образованию

перекисей, которые сами по себе являются активными соединениями,

инициирующими последующее повреждение других жирных кислот.

Таким образом, возникает цепь аутокаталитических реакций, приво-

дящая к обширному повреждению клеток.

Окислительное превращение белков. Свободные

радикалы вызывают перекисное связывание таких лабильных амино-

кислот, как метионин, гистидин, цистин и лизин, а также фрагмента-

цию полипептидных цепей. Окислительное превращение усиливает

разрушение ключевых ферментов посредством нейтральных протеаз,

содержащихся в цитозоле.

Повреждение ДНК. Свободные радикалы вступают в реак-

цию с тимином, входящим в состав ДНК, что приводит к гибели

клетки или ее злокачественному перерождению.

Конечный результат действия свободных радикалов зависит от

баланса между их образованием и разрушением.

3. Токсическое повреждение клетки возникает под действием

химических веществ. Во-первых, часть водорастворимых соедине-

ний может действовать непосредственно, связываясь с некоторыми

молекулами или органеллами. Например, при попадании в организм

хлорида ртути происходит связывание сульфгидрильных групп кле-

точной мембраны, которое приводит к повышению проницаемости

последней и торможению АТФаза-зависимого транспорта. В подоб-

ных случаях наиболее выраженные изменения наблюдаются в клет-

ках, которые используют, абсорбируют, выделяют или концентриру-

ют эти химические соединения. Поэтому при попадании в организм

хлорида ртути в наибольшей степени страдают клетки желудочно-

кишечного тракта и почек. Цианид действует непосредственно на

ферменты митохондрий. Многие противоопухолевые химиотера-

певтические препараты, в т.ч. антибиотики, также вызывают по-

вреждение клеток благодаря их цитотоксическому действию.

Во-вторых, большинство химических соединений, особенно

жирорастворимые токсины, биологически неактивно и вначале пре-

вращается в токсические метаболиты, которые затем действуют на

клетки-мишени. Хотя эти метаболиты могут вызывать повреждение

мембран и клеток путем прямого ковалентного связывания с мемб-

ранными белками и липидами, наиболее важным является образова-

ние свободных радикалов кислорода и последующее перекисное

окисление липидов.

Морфология повреждения и смерти клеток. Обратимые повреждения.

В классической морфологии нелетальное повреждение клеток назы-

вается дистрофией или обратимым повреждением клеток. Светооп-

тически различают два вида таких изменений: набухание и жировые

изменения. Набухание развивается тогда, когда клетки неспособны

поддерживать ионный и жидкостный гомеостаз. Для жировых изме-

нений характерно появление мелких или крупных липидных включе-

ний в цитоплазме. Они встречаются при гипоксических и различных

формах токсических повреждений, главным образом, в клетках, уча-

ствующих или зависящих от обмена жиров.

Некроз. Некроз наряду с апоптозом является одним из двух мор-

фологических выражений смерти клетки и представляет собой спектр

морфологических изменений, которые развиваются вслед за смертью

клетки в живой ткани. Это результат разрушающего действия фер-

ментов на летально поврежденную клетку. Фактически развиваются

два конкурирующих процесса: ферментное переваривание клетки и де-

натурация белков. Каталитические ферменты выходят из лизосом

гибнущей клетки (аутолиз) или из лизосом лейкоцитов (гетеролиз).

В зависимости от того, происходит денатурация белков или фермент-

ное переваривание, развивается одна из двух разновидностей некроза.

В первом случае наблюдается коагуляционный некроз, а во втором —

колликвационный (разжижающий) некроз.

На ранних этапах некротических изменений в ткани может раз-

виваться эозинофилия цитоплазмы погибающих клеток. Это связано

с утратой нормальной слабо выраженной базофилии, обеспечивае-

мой в цитоплазме РНК, а также с повышением оксифильности кле-

точных белков, подвергающихся прогрессирующей денатурации.

По мере ферментного переваривания органелл в цитоплазме на их

месте появляются вакуоли. Однако все эти процессы могут лишь

косвенно свидетельствовать о развивающемся некрозе.

Более надежными признаками гибели ткани являются измене-

ния ядер клеток. Так, в результате активности ДНКаз исчезают

не только базофилия хроматина, но и сами ядра. Развивается кари-

олизис — наиболее достоверный признак некроза. Другим призна-

ком служит кариопикноз — сморщивание и гиперхромность ядра,

вызванные конденсацией ДНК, третьим — кариорексис — фрагмен-

тация или распад ядра на глыбки. Скопление последних в некроти-

ческом поле называется детритом. Массы некротизированных кле-

ток формируют очаг некроза.

Различают пять видов некроза: коагуляционный, колликвацион-

ный, гангренозный (гангрена), казеозный и жировой.

Коагуляционный некроз подразумевает сохранение общих конту-

ров очага в течение по крайней мере нескольких дней. Предполага-

ется, что само повреждение или возрастающий впоследствии внут-

риклеточный ацидоз денатурирует не только структурные белки, но

и ферменты, тем самым блокируя протеолиз клетки. Коагуляцион-

ный некроз характерен для гипоксической гибели ткани во всех

органах, кроме головного мозга.

Колликвационный (влажный) некроз развивается в результате

аутолиза или гетеролиза (аутолиз — распад клеток под влиянием раз-

ных ферментов). Чаще всего он встречается в очагах поражений бак-

териальными инфекционными агентами и обусловлен разжижаю-

щим действием лейкоцитарных ферментов. Что касается влажного

некроза ткани головного мозга, то его развитие объясняют тем, что

ткань мозга богата водой и процессы аутолиза в ней преобладают над

коагуляционными изменениями.

Гангрена — некроз черного или очень темного цвета, развиваю-

щийся в тканях, прямо или через анатомические каналы соприкаса-

ющихся с внешней средой. Помимо конечностей, гангрена возникает

в легких, кишечнике, коже щек и других местах. При сухой гангрене

некроз имеет коагуляционный характер. Влажная гангрена развива-

ется при инфицировании погибшей ткани бактериями, обычно ана-

эробными, например, из группы клостридий. Темный цвет гангре-

нозной ткани создается сульфидом железа, образующимся из железа

гемоглобина и сероводорода воздуха. Разновидностью сухой или

влажной гангрены является пролежень. Изредка встречается газовая

гангрена, при которой пузырьки с сероводородом, произведенным,

обычно, микробом Clostridium welchii, находятся внутри некротизи-

рованной ткани.

Казеозный (творожистый, сыровидный) некроз, как частная раз-

новидность коагуляционного, чаще всего появляется в туберкулез-

ных очагах. Макроскопически он действительно напоминает творог

или мягкий сыр. Микроскопически для него характерна гранулема-

тозная реакция, представленная туберкулезными бугорками.

Жировой (ферментный), или стеатонекроз, представляет собой

очаги разрушенной жировой клетчатки замазкообразного вида раз-

ной формы и величины. Чаще всего это следствие освобождения

активированных липаз поджелудочной железы, действующих прямо

в брюшной полости при остром панкреатите. У живых людей боль-

шинство некротизированных клеток и их остатков исчезает в ре-

зультате комбинированного процесса ферментного переваривания

и фрагментации и последующего фагоцитоза остатков клеток лей-

коцитами. Если же клетки и их остатки полностью не разрушаются

и не реабсорбируются, они подвергаются кальцификации (дистро-

фическое обызвествление).

Исходы некроза связаны с реактивными изменениями: процессами

отграничения и репарации, распространяющимися из зоны демар-

кационного воспаления. Различают следующие варианты благопри-

ятного исхода некроза: организация, или рубцевание — замещение

некротических масс соединительной тканью; инкапсуляция — отгра-

ничение участка некроза соединительнотканной капсулой; петри-

фикация — пропитывание участка некроза солями кальция (дистро-

фическое обызвествление); оссификация — появление в участке

некроза костной ткани (встречается очень редко, в частности, в очагах

Гона — заживших очагах первичного туберкулеза); образование кисты

— при исходе колликвационного некроза.

При неблагоприятных обстоятельствах происходит гнойное рас-

плавление некротических масс, при этом возможно развитие сепсиса.

Апоптоз. Если некроз считается патологической формой кле-

точной смерти, возникающей в результате резкого повреждающего

воздействия на клетку, то апоптоз противопоставляется ему как кон-

тролируемый процесс самоуничтожения клетки.

Подробные данные об изменениях в клетках при апоптозе

и некрозе получены в результате электронно-микроскопических

и биохимических исследований. При некрозе на ранних стадиях

наблюдается конденсация хроматина, затем происходит набухание

клетки с разрушением цитоплазматических структур и последую-

щим лизисом ядра. Морфологическими проявлениями апоптоза

являются конденсация ядерного гетерохроматина и сморщивание

клетки с сохранением целостности органелл. Клетка распадается на

апоптозные тельца, представляющие собой мембранные структуры

с заключенными внутри органеллами и частицами ядра, затем апоп-

тозные тельца фагоцитируются и разрушаются при помощи лизосом

окружающими клетками (схема 2.3).

При некрозе в результате повреждающего воздействия на клетку

резко уменьшается синтез макроэргических фосфатов с последую-

щим нарушением проницаемости мембран и их целостности. Внут-

риклеточные антигены попадают в межклеточное пространство

и индуцируют воспалительный ответ.

При апоптозе повреждение ДНК, недостаток факторов роста,

воздействие на рецепторы, нарушение метаболизма ведут к акти-

вации внутренней самоуничтожающей программы (схема 2.4).

Синхронно с уплотнением хроматина под влиянием эндонуклеаз

начинается деградация ДНК до фрагментов в 180—200 пар осно-

ваний. Эндонуклеазы расщепляют двойную цепочку ДНК между

нуклеосомами. В результате активации цитоплазматических про-

теаз происходит разрушение цитоскелета, межклеточных контак-

тов, связывание белков и распад клетки на апоптозные тельца.

Быстрое распознавание и фагоцитоз апоптозных телец указыва-

ют на наличие на их поверхности специфических рецепторов,

облегчающих адгезию и фагоцитоз. Важнейшим свойством апоп-

тоза считается сохранение внутриклеточного содержимого

в мембранных структурах, что позволяет осуществить элимина-

цию клетки без развития воспалительного ответа. Характерные

признаки апоптоза связаны с характером воздействия и типом

клеток.

Нормальная

клетка

Апоптозное

тельце

Фагоцит

Некроз

Апоптоз

Схема 2.3

Некроз и апоптоз

Конденсация хроматина обусловлена расщеплением

ядерной ДНК, которое происходит в участках связей между нуклео-

сомами и приводит к образованию фрагментов. Такие фрагменты

создают характерную для апоптоза картину ядра в отличие от некро-

за, при котором ядро выглядит пятнистым. Эта интернуклеосомаль-

ная фрагментация ДНК развивается с участием кальций-чувстви-

тельной эндонуклеазы. Эндонуклеаза постоянно присутствует

в некоторых типах клеток, например тимоцитах, в других клетках

фермент образуется перед началом апоптоза.

Нарушение объема и размеров клеток объясняют

активностью трансглютаминазы. Этот фермент вызывает перекрест-

ное связывание цитоплазматических белков, образующих оболочку

под плазматической мембраной.

Фагоцитоз апоптозных телец макрофагами и другими

типами клеток обеспечивается рецепторами. Одним из таких рецеп-

торов у макрофагов является витронектиновый рецептор α

β3-инте-

грин, обеспечивающий фагоцитоз апоптозных нейтрофилов.

Схема 2.4

Механизмы апоптоза (по Е.Rubin, 1998)

Т-лимфоцит

Fas-лиганд

Fas-рецептор

Церамид Вах

p53

Эндонуклеазы

Фрагментация ДНК

Повреждение митохондрий

Каспазы

Апоптоз

Повреждение ДНК

Одной из важных особенностей апоптоза является его зависи-

мость от активации генов и синтеза белка. Индукция

апоптоз — специфических генов обеспечивается за счет специаль-

ных стимулов, таких как белки теплового шока и протоонкогены.

Некоторые гены (онкогены и супрессорные гены) играют

регуляторную роль в индукции апоптоза. Например,

онкоген р53 стимулирует апоптоз в норме.

Механизм запуска апоптоза и внутриклеточной передачи сигна-

ла от рецепторной системы, приводящий к запуску генетической

программы самоуничтожения клетки, связан с системой рецепторов

ФНОα (ФНОα-R1)/Fas.

Гены семейства Bcl-2 — Bcl-2, Bcl-X

, Bcl-w и др. — ингибируют

апоптоз, а Bax, Bik, Bad, Bid, Bcl-X

способствуют его индукции.

Эти белки в разных сочетаниях служат агонистами и антагонистами

друг другу, образуя гомо- и гетеродимеры. Протеины семейства Bcl-2

локализуются на мембранах митохондрий, эндоплазматической сети

и ядра. Механизмы действия Bcl-2, вероятно, связаны с регуляцией

транспорта Са

и каспазами. Помимо семейства Bcl-2, другие онко-

гены также участвуют в регуляции апоптоза.

Онкоген р53 играет важную роль в управлении клеточным цик-

лом, подавляя его до начала репликации ДНК. При повреждении

ДНК повышенный синтез р53 вызывает апоптоз клетки.

Апоптоз ответственен за многочисленные физиологические

и патологические процессы, идущие в организме: 1) удаление клеток

в процессе эмбриогенеза (включая имплантацию, органогенез и ин-

волюцию); 2) гормон-зависимую инволюцию клеток у взрослых, на-

пример, отторжение клеток эндометрия в процессе менструального

цикла, атрезию фолликулов в яичниках во время менопаузы, регрес-

сию лактирующей грудной железы после прекращения кормления

ребенка; 3) уничтожение клеток в пролиферирующих клеточных по-

пуляциях, таких как эпителий крипт тонкой кишки; 4) смерть кле-

ток в опухолях; 5) смерть аутореактивных клонов Т-лимфоцитов;

6) патологическую атрофию гормон-зависимых тканей, например,

атрофию простаты после кастрации и исчезновение лимфоцитов

в тимусе после введения глюкопротеидов; 7) патологическую атро-

фию паренхиматозных органов после перекрытия протока, напри-

мер: поджелудочной железы, околоушной слюнной железы, почки;

8) смерть клеток, вызванную цитотоксическими Т-клетками, на-

пример, при отторжении трансплантата; 9) гибель клеток при неко-

торых вирусных заболеваниях, например, при вирусном гепатите,

при котором фрагменты клеток при апоптозе известны как тельца