Апоптоз

Апоптоз – это генетический механизм, посредством которого поддерживается количественное и качественное постоянство клеточной популяции путем сокращения избытка клеток, либо удаления нежизнеспособных клеток. Количественное постоянство поддерживается путем индивидуального и организованного удаления избытка клеток, популяция которых в данный момент превышает функциональные потребности (например, смерть миофибрилл при бездействии мышц, физиологическая инволюция органа – вилочковой железы, сокращение мышечной массы миометрия после родов). Качественное постоянство клеточной популяции поддерживается путем индуцированной смерти дефектных клеток, клеток, содержащих в геноме несовместимые с жизнью мутации, опухолевых клеток, клеток, инфицированных вирусами и т.д. Таким образом, апоптоз, хотя и инициируется клеточными патологическими процессами, представляет собой физиологический механизм регуляции тканевого гомеостаза.

Апоптоз – это реализация генетической программы клетки, запускающей контролируемую смерть – внутренней танатогенной программы, программы клеточного самоубийства в целях сохранения количественного и качественного клеточного гомеостаза всего организма. Апоптоз, в отличие от физиологической смерти и, особенно, в отличие от некроза, который охватывает целые клеточные популяции, является индивидуальным процессом, который разворачивается в отдельной клетке. Наряду с этим, в отличие от некроза, который провоцируется внеклеточными патогенными факторами (эндогенными и экзогенными), апоптоз инициируется внутренней генетической программой клетки.

Апоптоз может быть инициирован физиологическими факторами, но встречается также при патологических процессах.

Триггерные механизмы (механизмы инициирования апоптоза) – это различные сигналы отрицательного или положительного порядка. Специфическими положительными сигналами, запускающими процесс самоубийства клетки, могут быть клеточные повреждения, нанесенные разными патогенными факторами (механическими, физическими, химическими, биологическими и др.). Эти повреждения не приводят к немедленной смерти клетки, но являются необратимыми, что делает дальнейшее существование клетки невозможным. Положительными являются также и физиологические сигналы – например, глюкокортикоиды, которые элиминруют лимфоциты. К отрицательным апоптотическим сигналам относятся прекращение действия некоторых гормонов, которые в норме физиологически поддерживают существование определенных клеток. К отрицательным сигналам относятся факторы роста клеток, тестостерон, эстрогены, пролактин (при их отсутствии гибнут соответственно клетки простаты, эндометрия, молочной железы).

В патогенезе апоптоза выделяют несколько стадий.

На стадии инициации апоптоза происходит распознавание апоптотических (танатогенных) стимулов специфическими рецепторами, расположенными на клеточной мембране и последующая активация генетического механизма, контролирующего апоптоз.

В период исполнения генетической программы апоптоза происходит изменение проницаемости митохондриальной мембраны, уменьшение количества АТФ и образование активных форм кислорода, свободных радикалов.

В финальной стадии апоптоза происходит деградация клетки под действием многих факторов, главными из которых являются специфические энзимы (каспазы) и митохондриальные механизмы. Каспазы (название caspase происходит от названий аминокислот cysteine и aspartate) – это протеазы, каталитический центр которых представлен цистеином. Они расщепляют пептидные связи, следующие за аспарагиновой кислотой. Предшественники каспаз находятся в клетке в неактивной форме и активируются танатогенными сигналами. После запуска апоптоза митохондрии продолжают синтезировать АТФ. Это энергетически поддерживает процессы апоптоза, так как энергия необходима для поддержания целостности клеточной мембраны и предупреждения выхода клеточного содержимого во внеклеточное пространство, что является губительным для соседних клеток (при недостатке энергии, начавшийся апоптоз заканчивается банальным некрозом).

Биохимические апоптические процессы проявляются различными морфологическими изменениями в клетке. Соответственно, в процессе апоптоза выделяют несколько морфологических этапов.

Первый этап начинается с изоляции клетки, вступившей в процесс апоптоза, от соседних клеток путем дезорганизации клеточных структур – исчезают микроворсинки клеточной мембраны, десмосомы, комплексы межклеточной адгезии. Клетка теряет воду, а цитоплазма и ядро конденсируются, объем клетки уменьшается.

На следующем этапе происходит фрагментация (вакуолизация) клетки с образованием цитоплазматических включений, представляющих собой фрагменты клетки, заключенные в цитоплазматическую мембрану. Ядро конденсируется (кариопикноз), фрагментируется (кариорексис), а его части, в свою очередь, обволакиваются фрагментами ядерной мембраны.

На последнем этапе клетка полностью распадается на фрагменты, заключенные во фрагменты цитоплазматической мембраны – апоптические тельца. Последние фагоцитируются тканевыми макрофагами, эпителиальными клетками, гладкими миоцитами. Таким образом, вплоть до полного распада, клетки, подвергнутые апоптозу, сохраняют структурную и функциональную целостность клеточной мембраны, что требует затраты энергии. Целостность мембраны удерживает внутри клетки (или в пределах апоптического тельца) внутриклеточные компоненты (электролиты, энзимы, биологически активные вещества), которые губительны для соседних клеток, могут вызвать воспаление (что и происходит при обычном некрозе).

Апоптоз - феномен изначально физиологический, но может включаться также в патогенез различных болезней.

Существуют болезни, при которых, несмотря на наличие танатогенных стимулов (например, летальных мутаций, малигнизации клетки, появления запрещенного антигена non-self, инфицирования вирусами) клетка не вступает в процесс апоптоза, что своевременно устранило бы мутантные и опухолевые клетки, носительниц антигена non-self, носительниц вирусной инфекции и остановило бы развитие болезни. В этом случае клетка выживает, и в организме разворачиваются патологические процессы – размножение и инвазия мутантных клеток, опухолевых клеток, аутоиммунные реакции и повреждение здоровых клеток, размножение вирусных частиц – все это зачастую имеет фатальные последствия для организма.

Другую категорию представляют болезни, проявляющиеся усилением процессов апоптоза либо несанкционированным апоптозом, что приводит к сокращению клеточной популяции соответствующих тканей (например, остеопороз, СПИД, нейродегенеративные заболевания).

Некроз

Клеточная смерть представляет собой необратимое прекращение деятельности клетки в живом организме.

По биологической значимости клеточная смерть подразделяется на следующие виды:

а) физиологическая смерть;

б) патологическую смерть – некроз.

Клеточная смерть может охватывать одну клетку, клеточную популяцию и часть ткани либо целый орган в сочетании с дезинтеграцией межклеточных структур, производных от клетки. (Следует отметить, что термин “смерть” относится только к клеткам и не охватывает неклеточные структуры).

Физиологическая клеточная смерть представляет собой процесс удаления из организма старых клеток, которые полностью исчерпали функциональный потенциал в рамках генетической программы и которые должны заменяться молодыми клетками. Этот процесс называтся физиологической регенерацией. Большинство клеток имеет ограниченный срок жизни и активности, они умирают и удаляются из организма без патологических последствий, выделяясь в окружающую среду (десквамированные клетки эпителия кожи, гастроинтестинального и урогенитального тракта, бронхиального дерева) или фагоцитируются клетками макрофагальной системы (например, старые эритроциты).

Некроз – это необратимое прекращение деятельности клетки, смерть клетки в еще живом организме. Некроз можно охарактеризовать как насильственную смерть, возникшую в результате действия внеклеточных этиологических факторов – как эндогенных (из самого организма) так и экзогенных (факторов среды). Таким образом, некроз – это локальная смерть, в то время как смерть в широком смысле - это прекращение существования целого организма. Этим самым некроз отличается от посмертных изменений, возникающих уже после смерти организма.

Некрозу предшествует некробиоз – процесс умирания клетки, ткани, органа. Некробиоз представляет собой состояние перехода структуры от жизни к смерти (“клеточная агония”). Некробиоз включает совокупность патобиохимических, патогистологических и физиопатологических процессов, которые отражают изменения метаболизма, ультраструктуры и функции клетки, ткани, органов в процессе умирания, начиная от момента действия танатогенного фактора и до некроза. До определенной степени некробиотические изменения носят обратимый характер, что позволяет их коррекцию и возврат к жизни поврежденных структур – “клеточная реанимация”.

Этиология некроза. Некроз возникает вследствие воздействия различных этиологических экзогенных факторов с прямым патогенным действием на клетку (механические, физические, химические, биологические факторы). Эти факторы приводят к необратимым клеточным повреждениям. Некроз может быть также результатом других первичных патологических процессов – клеточных, тканевых органных и интегральных (дистрофия, воспаление, местные и общие изменения гемоциркуляции, гипоксия, дисгомеостазы, дисметаболизмы, нервные, эндокринные нарушения и т.д.).

В зависимости от фазы клеточного цикла, в который он происходит, некроз может быть митотическим (возникает в фазе митоза клетки) или интерфазным (возникает в интермитотический период). Митотический некроз связан с патологией митотического аппарата, при которой запускается патологический митоз, приводящий к возникновению нежизнеспособной клетки. Интерфазный некроз это смерть нормальных клеток под действием повреждающих факторов.

Этиологические факторы приводят к некрозу при повреждении жизненных функций клетки: рецепторных систем и систем вторичных посредников, структур, поддерживающих ионный гомеостаз, систем энергообеспечения, метаболизма, репаративных, репродуктивных, аутофагальных процессов и др.

Клеточный некроз неизбежно приводит к двум категориям реакций со стороны организма. К первой категории относится воспаление. Воспалительная реакция, возникающая в ответ на клеточное повреждение, направлена на демаркацию и изоляцию мертвых клеток, локализацию некроза, удаление остатков мертвых клеток, регенерацию и восстановление дефицита структур. Ко второй категории относятся реакции, возникающие вследствие дефицита структуры и функции органа, подвергнутого некрозу. Они направлены на поддержание биохимического, структурного и функционального гомеостаза органа – это компенсаторные, защитные, репаративные реакции. Следует отметить, что некроз включает не только смерть клетки, но и дезинтеграцию неклеточных структур – волокон соединительной ткани, основного вещества.

Таким образом, некробиоз органа включает и танатогенные и саногенетические механизмы, от количественного соотношения которых будет зависеть вектор процесса в органе – при преобладании саногенетических реакций он ведет к выздоровлению, а при преобладании танатогенных тенденций - к смерти органа.

Периоды некроза. Некроз проходит следующие периоды (Policard, Bessis, 1970):

1) период болезни клетки – характеризуется возникновением клеточных повреждений и изменений, ещё совместимых с жизнью (обратимые, восстановимые);

2) период клеточной агонии с необратимым повреждением некоторых субклеточных структур, в то время как другие структуры продолжают функционировать;

3) смерть клетки – необратимое прекращение функционирования клетки;

4) период посмертных изменений (аутолиз и аутофагия мертвых клеток).

Е. Ф. Лушников (1982) разделяет процесс некробиоза следующим образом:

1) пренекроз - представляет собой фон, на котором действует повреждающий фактор (структура, функции, биохимические свойства органа); фон может быть здоровым, либо измененным. При наличии предшествующей патологии адаптивные, компенсаторные, защитные и репаративные свойства органа снижаются, вследствие чего процесс умирания ускоряется;

2) период умирания – необратимые изменения некоторых клеточных структур;

3) период смерти – прекращение жизненной активности всей клетки;

4) период post-mortem – дезинтеграция мертвых клеток, отграничение их от живых тканей, аутолиз и аутофагия клеточных остатков.

Патогенез некроза

Некробиогенные этиологические факторы оказывают многостороннее действие на клетку, вызывая клеточные повреждения. Структурами клетки, на которые могут непосредственно действовать этиологические факторы - это цитоплазматическая мембрана, клеточное ядро, митохондрии, синтетический аппарат, лизосомы.

При действии патогенного фактора на клеточную мембрану нарушается специфическая реактивность клетки и восприятие внеклеточных стимулов, транспортная функция и селективная (избирательная) проницаемость. Это приводит к нарушению внутриклеточного ионного гомеостаза, электрогенеза и поддержания потенциала покоя, внутриклеточного осмотического давления, избыточной гидратации клеточной цитоплазмы, невозможности удержания внутри клетки специфических внутриклеточных энзимов с их выходом в интерстиций.

При повреждении митохондрий нарушаются процессы окисления, энергогенез и запасание энергии путем окислительного фосфорилирования, что впоследствии нарушает все энергозависимые процессы в клетке: анаболические, репаративные, защитные реакции и т.д.

Повреждение эндоплазматического ретикулума приводит к нарушению внутриклеточного гомеостаза кальция и активирует аутокаталитические процессы путем активации рибонуклеаз, протеаз, эндопептидаз, фосфолипаз.

Повреждение рибосом нарушает синтез белков и, таким образом, ограничивает возможности регенерации поврежденных структур клетки.

Повреждение лизосом приводит к выходу в цитоплазму и активации лизосомальных ферментов и усилению аутолитических процессов.

Повреждения клеточного ядра нарушает процессы репликации.

В процессе некробиоза условно выделяют следующую последовательность патологических явлений: биохимические изменения – ультраструктурные изменения клеточных органелл – изменения структуры клетки – функциональные нарушения.

Решающее патогенетическое значение в некробиозе имеют следующие патологические явления:

образование свободных радикалов, изменение содержания внутриклеточного кальция, клеточная гипоксия, увеличение количества внутриклеточного АМФ, истощение запасов и недостаток АТФ и дефекты мембраны.

Первоначально генераторами свободных радикалов являются непосредственно патогенные факторы: гипоксия, ионизирующее излучение, воспаление и др. В силу своего расположения и состава клеточная мембрана первой подвергается оксидативной атаке, что вызывает каскад повреждений: перекисное окисление мембранных липидов с образованием липидных пероксидов из полиненасыщенных жирных кислот, что усугубляет первичные повреждения цитоплазматической мембраны. Липидные пероксиды связываются с SH группами из состава белков (в результате белки фрагментируется), связываются с тиамином из состава ДНК (в результате разрывается цепь). Повреждения, вызванные оксидативным стрессом, усугубляются в условиях истощения защитных антиоксидативных систем, которые блокируют образованиие или элиминируют свободные радикалы (scavenger-эффект): витамин E, цистеин, глутамат, сывороточные белки, церулоплазмин, трансферин, селен, цинк, супероксиддисмутаза, каталаза, глютатионпероксидаза. Следует отметить, что в умирающей клетке процесс образования свободных радикалов ускорен, становясь одним из танатогенных факторов.

Концентрация кальция внутри клетки около 10^-7 М, в то время как концентрация его вне клетки и в цитоплазматическом ретикулуме - около 10^-3 М. Следовательно, существует градиент концентрации кальция в цитозоле и в межклеточной жидкости, который поддерживается мембранным ферментом Ca²⁺-АТФаза путем откачивания кальция из клетки и захвата кальция в эндоплазматический ретикулум. В условиях некробиоза падает энергогенез, уменьшается количество АТФ, необходимого для функционирования ионных насосов, включая и кальциевого. Как следствие, кальций скапливается в гиалоплазме в больших концентрациях. Это приводит к различным патологическим эффектам – активации фосфолипаз, которые расщепляют фосфолипиды и дезинтегрируют клеточные мембраны и мембраны органелл, АТФ-аз, которые расщепляют АТФ, протеиназ расщепляющих клеточные белки, эндонуклеаз с распадом нуклеиновых кислот.

Клеточная гипоксия, возникающая под действием первичного патогенного фактора или как результат повреждения клетки, снижает аэробный метаболизм (процессы окисления) и, одновременно, усиливаются анаэробные процессы (анаэробный гликолиз). Это оказывает тройной эффект: уменьшается количество АТФ из-за низкой эффективности гликолиза, увеличивается количество АМФ, неорганического фосфора и лактата. Создается дефицит энергии, накапливаются биологически активные метаболиты (АДФ и АМФ), устанавливается клеточный ацидоз.

Увеличение количества внутриклеточного АМФ активирует фосфофруктокиназу и, опосредованно, гликогенфосфорилазу, что приводит к усилению процессов гликогенолиза и гликолиза, накоплению лактата и неорганического фосфора. В итоге нарастает внутриклеточный ацидоз.

Истощение запасов и недостаток АТФ ограничивает все эндотермические (анаболические) обменные реакции в клетке (синтез белков, энзимов, фосфолипидов) и парализует все энергозависимые клеточные функции, включая и защитные реакции, необходимые для противопоставления некробиозу.

Дефекты цитоплазматической мембраны приводят к потере селективной проницаемости и активного транспорта веществ, потере внутриклеточных электролитов (K⁺) и накопление в клетке Na⁺ и Ca⁺⁺, потере внутриклеточных белков и энзимов. Как следствие устанавливается внутриклеточная гиперосмолярность, гипергидрататция клеток (набухание, клеточный отек).

Конечный итог всех описанных процессов – клеточное набухание, расширение эндоплазматического ретикулума, распад рибосом, диссоциация полисом, дезорганизация микроворсинок. Все эти изменения составляют ещё обратимую стадию некробиоза.

Дальнейшее продолжение некробиотических процессов приводит к необратимым изменениям. Это зависит как от интенсивности действия повреждающего фактора и длительности некробиоза, так и от предшествующего состояния клетки. Так, например, печень переносит 1-2 часа гипоксии, а мозг – только 3-5 минут.

Критической точкой перехода от обратимой фазы некробиоза к необратимой является повреждение митохондрий и их неспособность генерировать АТФ и поддерживать клеточные процессы. Как следствие, активность фосфолипазы A_2, которая расщепляет арахидоновую кислоту из состава фосфолипидов клеточной мембраны, начинает преобладать над действием синтазы фосфолипидов, что нарушает равновесие между процессами синтеза и распада (turnover) фосфолипидов - клеточная мембрана разрушается. Одновременно с этим происходит активация простагландин-синтетаз (PG-синтазы) и синтез лейкозаноидов. Последние в избытке продуцируют свободные радикалы кислорода, которые также повреждают клеточную мембрану. В процесс также включаются Ca⁺⁺-зависимые реакции, в результате которых происходит распад белков цитоскелета, деформация клетки (набухание).

Проявления некроза.

Проявления некроза включает биохимические, ультраструктурные, морфопатологические и функциональные изменения в различных субструктурах клетки.

Суммарно их можно представить следующим образом.

В цитоплазме происходит набухание, отек, плазморексис (фрагментация), плазмолиз (диструкция), повреждение субклеточных структур с соответствующими последствиями. В ядре происходит конденсация (кариопикноз), гиперхромия, фрагментация (кариорексис), деградация (кариолиз).

На уровне ткани или органа некробиоз проявляется колликвационным или коагуляционным некрозом.

Последствия некроза.

На уровне клетки некроз проявляется следующими явлениями post-mortem: лизис клетки, аутофагия и фагоцитоз с утилизацией усваиваемых веществ и экскрецией неусваиваемых продуктов.

На уровне органа некроз приводит к воспалению, делимитации (демаркации) некротизированной зоны лейкоцитами, макрофагами, фибробластами, инкапсуляции, секвестрации некротизированной части. Исходом некроза может также быть полная регенерация (реституция) либо неполная регенерация (склерозирование).

Последствия некроза для организма – это интегральные патологические процессы, развивающиеся под действием продуктов дезинтеграции (реакция острой фазы, лихорадка, токсемия, гиперкалиемия). Тяжесть последствий зависит от жизненной важности некротизированного органа, объема некроза, способности организма компенсировать функции некротизированного органа, способности к репарации некротизированных структур. Как следствие дефицита функции некротизированного органа возможна сердечная, почечная, печеночная, дыхательная недостаточность.