Danno cellulare e della morte cellulare

Si ha lesione cellulare quando le cellule sono sottoposte a sollecitazioni così gravi che non riescono più ad adattarsi oppure quando sono esposte ad agenti intrinsecamente dannosi o subiscono anomalie intrinseche. Il danno può progredire fino a superare la fase reversibile e culminare con la morte della cellula.
Danno cellulare reversibile. Nelle prime fasi o nelle forme lievi di danno, i cambiamenti funzionali e morfologici sono reversibili nel momento in cui si elimina la causa. Le caratteristiche peculiari della lesione reversibile sono una ridotta fosforilazione ossidativa con conseguente esaurimento delle scorte di energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP) e un rigonfiamento cellulare (swelling) provocato da modificazioni nella concentrazione di ioni e dall'afflusso d'acqua. Possono inoltre presentare alterazioni anche diversi organelli intracellulari, come i mitocondri e il citoscheletro.
Morte cellulare. Se il danno è permanente, la lesione diviene irreversibile, quindi la cellula non è recuperabile e muore. Nel corso della storia sono state identificate due tipologie principali di morte cellulare, la necrosi e l'apoptosi, che presentano differenze nella loro morfologia, nei meccanismi e nelle funzioni svolte in ambito fisiopatologico.

 La necrosi è considerata una forma "accidentale" e non regolata di morte cellulare, derivante dal danneggiamento delle membrane cellulari e dal venire meno dell'omeostasi ionica. Quando il danno alle membrane è grave, gli enzimi lisosomiali entrano nel citoplasma e digeriscono la cellula inducendo morte per necrosi. Gli elementi contenuti nella cellula penetrano attraverso la membrana plasmatica danneggiata e passano allo spazio extracellulare, dove provocano una reazione infiammatoria. La necrosi è la modalità di morte cellulare comunemente presente in molte lesioni, come quelle dovute a ischemia, a esposizione alle tossine, a diversi tipi d'infezione e a traumi.
A differenza della necrosi, quando le proteine o il DNA cellulare sono danneggiati senza possibilità di riparazione, la cellula uccide se stessa mediante apoptosi, una modalità di morte cellulare contraddistinta dalla dissoluzione del nucleo, dalla frammentazione della cellula senza la perdita completa dell'integrità della membrana e dalla rapida rimozione dei detriti cellulari. Poiché gli elementi contenuti nella cellula non si diffondono all'esterno, diversamente da quanto accade nella necrosi, non si ha alcuna reazione infiammatoria. Dal punto di vista meccanicistico, l'apoptosi è considerata un processo altamente regolato a livello genico e viene a volte indicato come "morte cellulare programmata".
Mentre la necrosi è sempre un processo patologico, l'apoptosi svolge diverse funzioni normali e non è necessariamente associata a una danno cellulare. Nonostante esistano diversi segni morfologici che contraddistinguono la necrosi e l'apoptosi, oggi appare chiaro che la differenza meccanicistica tra i due processi non è un preciso elemento distintivo come si credeva in passato. In certi casi, anche la necrosi è regolata da una serie di vie di segnalazione, benché fortemente distinte da quelle che interessano l'apoptosi. In altri termini, in alcune circostanze, la necrosi, come l'apoptosi, risulta essere una forma di morte cellulare programmata. In riconoscimento di tale somiglianza, questa forma di necrosi è stata chiamata necroptosi, come vedremo più avanti. Nonostante esistano possibilità di sovrapposizioni tra i meccanismi, è ancora utile trattare separatamente la necrosi e l'apoptosi, le due principali vie di morte cellulare, a causa delle differenti condizioni in cui si sviluppano. Le caratteristiche morfologiche, i meccanismi e la portata di queste vie di morte cellulare saranno trattati con maggiori dettagli più avanti in questo stesso capitolo. In primo luogo ci occuperemo delle cause di danno cellulare.

Agenti fisici. Gli agenti fisici in grado di provocare lesioni cellulari sono traumi meccanici, sbalzi estremi di temperatura (scottature e freddo estremo), cambiamenti improvvisi nella pressione atmosferica, radiazioni e scosse elettriche. Agenti chimici e farmaci. La lista di sostanze chimiche che possono generare danno cellulare è virtualmente infinita. Sostanze semplici come il glucosio o il sale a concentrazioni ipertoniche possono produrre una lesione cellulare direttamente o mediante l'alterazione dell'equilibrio elettrolitico nelle cellule. Perfino l'ossigeno può essere tossico a elevate concentrazioni. Piccole tracce di veleno, come l'arsenico, il cianuro o i sali di mercurio, possono danneggiare un sufficiente numero di cellule in pochi minuti o in alcune ore fino a provocare la morte. Altre sostanze potenzialmente nocive sono intorno a noi tutti i giorni: inquinanti dell'ambiente e dell'aria, insetticidi ed erbicidi, il monossido di carbonio e l'asbesto nell'ambiente di lavoro, le bevande alcoliche e la crescente varietà di sostanze stupefacenti.
Agenti infettivi. Tali agenti vanno dai virus submicroscopici a vermi lunghi diverse decine di centimetri. Tra un estremo e l'altro si trovano le rickettsie, i batteri, i funghi e forme di parassiti più elevate. Le modalità con cui questi agenti biologici provocano lesioni sono diverse.

Reazioni immunologiche. Il sistema immunitario svolge un ruolo essenziale nella difesa da patogeni infettivi, ma anche le reazioni immunologiche possono generare danno cellulare. Le reazioni dirette verso autoantigeni endogeni sono responsabili di varie malattie autoimmuni. Anche le reazioni immunologiche a molti agenti esterni, come virus e sostanze ambientali, sono importanti cause di lesioni a cellule e tessuti.

Cause di danno cellulare

Le cause di danno cellulare vanno dal danno traumatico subito in un incidente automobilistico a lievi anomalie cellulari, come l'effetto di una mutazione che provoca l'assenza di un enzima vitale pregiudicando il normale funzionamento metabolico. Gli stimoli lesivi possono essere in gran parte suddivisi nelle seguenti macrocategorie.

Carenza di ossigeno.

 L'ipossia è una mancanza di ossigeno che causa lesione cellulare riducendo la respirazione aerobica ossidativa. L'ipossia è una ragione estremamente importante e comune di danno e di morte cellulare. Tra le cause di ipossia vi sono la riduzione del flusso sanguigno (ischemia), un'insufficiente ossigenazione del sangue dovuta a collasso cardiorespiratorio e una diminuzione della capacità del sangue di trasportare ossigeno, come nell'anemia o nell'avvelenamento da monossido di carbonio (nel quale si produce una stabile carbo-monossiemoglobina che impedisce il trasporto di ossigeno) o in seguito a gravi perdite di sangue. In base alla gravità dello stato ipossico, le cellule possono adattarsi, subire un danno o morire.

Per esempio, se un'arteria si restringe, il tessuto che riceve sostanze da quel vaso sanguigno può semplicemente ridurre le proprie dimensioni (atrofia), mentre in caso di ipossia più grave o improvvisa si hanno un danno e la morte cellulare.

Alterazioni genetiche

 Anche le anomalie genetiche più evidenti, come un cromosoma in più nella sindrome di Down, o le più sottili, come un'unica sostituzione di una coppia di basi che conduce a una sostituzione di un amino-acido nell'anemia falciforme, possono produrre fenotipi clinici molto caratteristici che vanno dalle malformazioni congenite alle anemie. I difetti genetici possono provocare danno cellulare a causa della carenza di proteine funzionali, come l'assenza di enzimi negli errori congeniti del metabolismo oppure nella concentrazione di DNA danneggiato o di proteine ripiegate incorrettamente; in entrambi i casi si ha morte cellulare quando si supera il limite di riparazione. Le varianti nel corredo genetico del DNA che sono comuni nelle popolazioni umane (polimorfismi) possono anche influenzare la predisposizione delle cellule a subire danni da parte di agenti chimici e di altri insulti ambientali.

Squilibri nutrizionali.

Gli squilibri nutrizionali continuano a essere la causa principale di lesioni cellulari. I deficit proteico-calorici provocano uno spaventoso numero di morti, soprattutto tra le popolazioni indigenti. I deficit di specifiche vitamine si trovano in tutto il mondo. I problemi legati alla nutrizione possono essere autoindotti, come nell'anoressia nervosa (inedia autoindotta). Per ironia della sorte, anche gli eccessi nutrizionali sono divenuti gravi cause di danno cellulare. L'eccesso di colesterolo predispone all'aterosclerosi, mentre l'obesità è associata a una crescente incidenza di malattie gravi, come il diabete e il cancro. L'aterosclerosi è di fatto endemica negli Stati Uniti e l'obesità dilaga. Oltre ai problemi di denutrizione e ipernutrizione, la composizione della dieta contribuisce in maniera significativa a numerose malattie.

Alterazioni morfologiche nel danno cellulare

Prima di trattare i meccanismi biochimici del danno cellulare, che provocano mutazioni, risulta utile descrivere le alterazioni fondamentali che si verificano nelle cellule danneggiate. Tutti gli stimoli nocivi o che producono stress esercitano i loro effetti in primo luogo a livello molecolare o biochimico. Tra l'esposizione allo stress, l'insorgenza di mutazioni e la comparsa di modificazioni morfologiche o di morte cellulare si ha un certo lasso di tempo, la cui durata può variare in funzione della precisione dei metodi di indagine utilizzati per la rilevazione di tali cambiamenti. Mediante tecniche istochimiche o ultrastrutturali, i cambiamenti possono essere rilevati nel giro di pochi minuti e fino ad alcune ore dopo la lesione; tuttavia, è possibile che ci voglia un tempo notevolmente più lungo (da alcune ore a giorni) prima che i cambiamenti possano essere osservati al microscopio ottico o a un esame macroscopico. Come è logico aspettarsi, le manifestazioni morfologiche della necrosi impiegano più tempo a svilupparsi di quelle legate a un danno reversibile. Per esempio, nell'ischemia del miocardio, il rigonfiamento cellulare è un'alterazione morfologica reversibile che può verificarsi nel giro di pochi minuti e può evolvere in uno stato irreversibile in una o due ore. La rilevazione delle alterazioni morfologiche della morte cellulare mediante microscopia ottica sono tuttavia rilevabili dopo 4-12 ore dall'inizio dell'ischemia.  Il danno reversibile è caratterizzato da un rigonfiamento diffuso della cellula e dei relativi organelli, dalla presenza di estroflessioni della membrana plasmatica (bleb), dal distacco dei ribosomi dal RE e dalla condensazione della cromatina nucleare. Tali variazioni morfologiche sono associate a una diminuzione della produzione di ATP, a una perdita d'integrità della membrana cellulare, a difetti nella sintesi delle proteine, a un danneggiamento del citoscheletro e del DNA. Entro certi limiti, la cellula riesce a riparare questi danni e, se lo stimolo lesivo cessa, può tornare alla normalità. Una lesione persistente o eccessiva, tuttavia, spinge le cellule a superare un non precisato "punto di non ritorno" e a passare allo stadio di lesione irreversibile nonché di morte cellulare. Differenti stimoli lesivi possono indurre la morte mediante necrosi o apoptosi. Un grave danno dei mitocondri, accompagnato da deplezione dell'ATP nonché dalla rottura della membrana lisosomiale e di quella plasmatica, è di norma associato alla necrosi. La necrosi, quale esito del danno cellulare, è presente in diverse lesioni comuni, come quella prodotta dall'ischemia, dall'esposizione a tossine, da varie infezioni e da un trauma. L'apoptosi presenta molte caratteristiche uniche.

Danno reversibile

Il rigonfiamento cellulare è la prima manifestazione di quasi tutte le forme di danno delle cellule. Si tratta di una alterazione morfologica difficile da riconoscere al microscopio ottico; può essere maggiormente visibile a livello dell'organo completo. Quando interessa molte cellule, produce un certo pallore, un aumento del turgore e un maggior peso dell'organo. All'esame microscopico si possono osservare piccoli vacuoli chiari all'interno del citoplasma, che rappresentano segmenti dilatati e staccati del RE. Questo modello di lesione non letale è chiamato alterazione idropica o degenerazione vacuolare. Il rigonfiamento delle cellule è reversibile. Le cellule possono anche presentare un aumento della colorazione eosinofila, che diviene più pronunciata con l'avanzare della necrosi (descritta più avanti).
I cambiamenti ultrastrutturali del danno cellulare reversibile comprendono:
1. Alterazioni della membrana plasmatica, come la comparsa di estroflessioni e perdita di microvilli.
2. Cambiamenti mitocondriali, come rigonfiamenti e comparsa di corpi densi amorfi.
3. Dilatazione del RE, con distacco dei polisomi; possono esserci anche figure mieliniche intracitoplasmatiche (si veda oltre).
4. Alterazioni del nucleo, con disaggregazione di elementi granulari e fibrillari.
Al microscopio ottico si possono osservare due caratteristiche proprie del danno cellulare reversibile: il rigonfiamento cellulare e la steatosi. Il rigonfiamento cellulare è presente tutte le volte che le cellule non riescono a conservare l'omeostasi degli ioni e dei fluidi, ed è causato dall'insufficienza delle pompe ioniche ATP-dipendenti. La steatosi si evidenzia nel danno ipossico e in diverse forme di danno conseguente all'esposizione a sostanze tossiche o ad alterazioni metaboliche. Si riconosce per la comparsa di vacuoli lipidici nel citoplasma. Si osserva principalmente in cellule coinvolte nel metabolismo dei grassi e da esso dipendenti, come gli epatociti e le cellule del miocardio.

Necrosi

L'aspetto morfologico della necrosi così come della necroptosi è il risultato della denaturazione di proteine intracellulari nonché della digestione enzimatica della cellula danneggiata in modo letale. Le cellule necrotiche sono incapaci di conservare l'integrità della membrana e il loro contenuto spesso fuoriesce, un processo che può provocare infiammazione nel tessuto circostante. Gli enzimi che digeriscono la cellula necrotica provengono dai lisosomi delle medesime cellule morenti e dai lisosomi dei leucociti che partecipano alla reazione infiammatoria. La digestione dei contenuti cellulari e la risposta dell'ospite possono impiegare ore, quindi le alterazioni morfologiche possono non essere facilmente rilevabili nelle cellule nel caso in cui, per esempio, un infarto del miocardio provocasse una morte improvvisa. La prima evidenza istologica di necrosi del miocardio potrebbe essere visibile solo 4-12 ore dopo. Tuttavia, a causa della perdita d'integrità della membrana plasmatica, gli enzimi cardiaci specifici e le proteine sono rapidamente liberati dal muscolo necrotico e possono essere osservati nel sangue già dopo 2 ore dalla necrosi della cellula miocardica. Le cellule necrotiche presentano aumento di eosinofilia alla colorazione ematossilina eosina, attribuibile in parte alla perdita di RNA citoplasmatico (che si lega al colore blu, ematossilina) e in parte alle proteine citoplasmatiche denaturate (che si legano al colore rosso, eosina). La cellula necrotica può avere un aspetto più omogeneo e vitreo rispetto alle cellule normali, soprattutto a causa della perdita di particelle di glicogeno. Quando gli enzimi hanno digerito gli organelli citoplasmatici, il citoplasma diventa vacuolizzato e si presenta "tarmato". Le cellule morte possono essere sostituite da ampie masse di fosfolipidi a spire dette figure mieliniche provenienti dalle membrane cellulari danneggiate. Questi precipitati di fosfolipidi sono poi fagocitati da altre cellule o ulteriormente degradati ad acidi grassi; la calcificazione di tali residui di acido grasso produce saponi di calcio. Quindi, le cellule morte alla fine possono essere calcificate. All'osservazione al microscopio elettronico, le cellule necrotiche mostrano discontinuità nella membrana plasmatica e in quella degli organelli, e sono caratterizzate da una spiccata dilatazione dei mitocondri, che assumono l'aspetto di ampie aree dense e amorfe, da figure mieliniche intracitoplasmatiche, da detriti amorfi e da aggregati di materiale soffice costituito, probabilmente, da proteine denaturate. Le alterazioni del nucleo sono caratterizzate dalla presenza di tre pattern specifici conseguenti alla degradazione non specifica del DNA. La basofilia della cromatina può attenuarsi (cariolisi): tale cambiamento rispecchia presumibilmente la perdita di DNA a causa della degradazione enzimatica mediata dalle endonucleasi. Una seconda modificazione (osservabile anche nella morte cellulare per apoptosi) è la picnosi, caratterizzata da una condensazione nucleare e da un aumento della basofilia. In questo caso, la cromatina si condensa in una massa basofila solida e raggrinzita. Nell'ultima modificazione, la cariorressi, il nucleo picnotico subisce una frammentazione. Con il passare del tempo (un giorno o due), il nucleo scompare completamente dalla cellula necrotica.

Modelli di necrosi del tessuto

Gli studi sulla necrosi si sono concentrati principalmente sulle modificazioni delle singole cellule. Quando muoiono grandi quantità di cellule, il tessuto o l'organo viene definito necrotico; pertanto, un infarto del miocardio è la necrosi di una parte del cuore provocata dalla morte di molte cellule miocardiche. La necrosi dei tessuti presenta vari pattern morfologicamente distinti, che è importante riconoscere poiché possono fornire indizi sulla causa soggiacente. Sebbene i termini che descrivono tali modelli siano piuttosto antiquati, sono ancora molto utilizzati e le loro implicazioni sono comprese da anatomopatologi e clinici. La necrosi coagulativa è una forma di necrosi in cui l'architettura dei tessuti morti viene preservata almeno per qualche giorno. I tessuti interessati presentano una consistenza compatta.
 

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