Гибель клетки при ее необратимом повреждении

Смерть клетки может наступить мгновенно при температурном, грубом механическом или токсическом воздействии, под влиянием электрического тока, химических веществ.

Менее интенсивное продолжительное действие вызывает постепенное умирание клеток, в течении которого выделяют ряд периодов:

1. Преддепрессионная гиперактивность, которая характеризуется всплеском всех защитно-приспособительных механизмов, не приводящих, однако, к сохранению клетки.

2. Агония, которая характеризуется прогрессирующим нарушением всех энергозависимых процессов, приводящим к гиперосмии, отеку, внутриклеточному ацидозу.

3. Смерть клетки. Морфологическим выражением смерти клетки является ее некроз. В этом периоде исчезает градиент концентраций основных ионов по обе стороны цитоплазматической мембраны, происходит денатурация внутриклеточных белков.

4. Некролиз — растворение погибшей клетки, может быть трех видов: аутолитическим, гетеролитическим и смешанным.

Аутолиз связан с разрушением структур погибшей клетки собственными ферментами, главным образом лизосомальными. В норме этот процесс лежит в основе физиоло­гической регенерации.

Гетеролитический механизм основан на действии чужеродных для погибшей клетки ферментов. Их источником чаще всего являются фагоциты и микроорганизмы. Как правило, в целостном организме оба вида некролитических процессов протекают сочетанно, но в разных соотношениях в зависимости от типа клетки и характера повреж­дающего фактора.

5. Элиминация. После некролиза запускаются механизмы образования хемотоксических веществ, целой группы БАВ, включая лейкокинины, тромбоксаны; активируется система комплемента, благодаря которым происходит возбуждение микро- и макрофагов, в конце концов уничтожающих погибшую и разрушенную клетку.

На гибель клетки ткань реагирует компенсацией путем замещения (чаще — соединительнотканными клетками или гиперплазией).

Наиболее общие компенсаторные и защитные механизмы при повреждении клетки:

• активация гликолиза и тканевого дыхания;

• усиление работы мембранных АТФ-аз (Са++; Na+ ; К+; Мg++ и др);

• активация репаративных ферментов;

• усиление синтетических процессов в клетке;

• снижение функциональной активности клетки;

• гипертрофия клетки или ее отдельных органоидов.

В последние десятилетия была показана важная роль так называемых белков теплового шока (БТШ) в реализации защитных механизмов при воздействии на клетку повреждающих факторов. Появление защитных белков впервые было обнаружено в ответ на действие гипертермии. В дальнейшем было показано, что их синтез активируется при действии целого ряда экстремальных факторов (ишемии и гипоксии, при воспалении, при бактериальной и гельминтной инфекции, при воздействии различных ксенобиотиков и активных форм кислорода, при воздействии УФЛ и др). БТШ сейчас разделяют на шесть семейств (в зависимости от молекулярной массы). Важнейшей особенностью БТШ является исключительная быстрота, с которой осуществляется индукция их синтеза при действии на клетку экстремального фактора. Спустя 1–2 мин после стрессорного воздействия запускается транскрипция генов, кодирующих БТШ. Спустя 10–15 мин после начала воздействия повреждающего фактора можно зарегистрировать в клетках появление первых молекул новосинтезированных БТШ. Функциональная роль БТШ сводится, главным образом, к энергозависимой защите и регуляции формирования нативной пространственной структуры разнообразных клеточных белков, в том числе ферментов. Предполагают, что внутри ядра БТШ участвуют в регуляции созревания мРНК и предохранении предшественников РНК от деградации.

Основным целевым принципом функционирования всех систем организма является поддержание его биологической целостности. На клеточном уровне этот процесс реализуется за счет регуляторного влияния эфферентных сигналов, поддерживающих сложное равновесное состояние между интегративными физиологическими процессами: пролиферацией, дифференцировкой и физиологической клеточной гибелью, или апоптозом. Важность и место каждого из этих процессов определяется их ролью в функционировании различных систем в каждый конкретный момент развития и жизни организма. В этом плане исследование процессов апоптоза представляет новый этап развития биологии и медицины, хотя его отдельные проявления были известны и описаны еще в начале двадцатого столетия.

В клетках взрослого организма апоптоз является повсеместным и постоянно происходящим процессом.

Первое гистологическое описание смерти клеток было сделано Рудольфом Вирховым в 1859 г. В настоящее время принято выделять два типа гибели клеток: некроз и апоптоз. В итоге оба процесса имеют один результат — смерть клетки, но по своей природе эти два процесса различны. Некроз — это патологический процесс, возникающий в результате воздействия на организм патогенного агента, а апоптоз в нормальных условиях является физиологическим процессом, в основе которого лежит генетически запрограммированная гибель клетки. В связи с этим апоптоз имеет и второе название — программированная клеточная гибель (ПКГ).

Физиологическую смерть клеток у эмбрионов в 1950 г. детально описал Л. Глусман, назвав ее ПКГ. Этот исследователь отчетливо понимал, что имеет дело с особым видом клеточной смерти, но посчитал, что данное явление присуще только эмбриогенезу и принципиально отличается от клеточной гибели, характерной для взрослого организма. В связи с этим возникли две концепции физиологической гибели клеток — ПКГ, свойственная эмбриогенезу, и апоптоз, свойственный взрослому организму. Большинство авторов считают эти два понятия синонимами, однако некоторые исследователи полагают, что между двумя процессами есть различия.

Между апоптозом и некрозом имеется ряд существенных различий, результирующим эффектом которых является то, что при апоптозе возможна фармакологическая коррекция, т. е. терапевтическое вмешательство, а при некрозе попытки такой коррекций неэффективны, даже если она проводится на самых ранних стадиях повреждения клетки. При апоптозе наблюдаются следующие, идущие друг за другом изменения:

1) исходно интактная клетка;

2) уплотнение и сегрегация хроматина в ядре;

3) распад ядра на фрагменты и образование апоптозных телец;

4) фагоцитоз апоптозных телец соседней клеткой.

Таким образом, самый ранний признак апоптоза, выявляемый на электронно-микроскопическом уровне, — это резко очерченные уплотнения ядерного хроматина в виде гомогенной массы. Кроме того, наблюдается некоторая конденсация (уплотнение) цитоплазмы. Затем ядро и цитоплазма распадаются на фрагменты, причем цитоплазматические фрагменты разделяются цитоплазматической мембраной, т. е. сохранность мембраны является одним из признаков апоптоза. В результате апоптоза клетка превращается в совокупность окруженных мембраной апоптозных тел, в которых плотно упакованные органеллы могут выглядеть интактными.

Апоптозные тельца быстро поглощаются соседними клетками, где утилизируются с помощью лизосом. Окружающие клетки при этом сближаются, так что изменений цитоархитектоники тканей не происходит. Также полностью отсутствуют признаки воспаления. Некоторые апоптозные тельца (например, в поверхностном эпителии) слущиваются.

Было установлено, что в культуре тканей процесс конденсации цитоплазмы и ее распада на апоптозные тельца происходит в течение нескольких минут. В организме процесс апоптоза также происходит достаточно быстро: фагоцитоз и утилизация апоптозных телец протекают в течение нескольких часов, в связи с чем процесс апоптоза исследователи часто не могут уловить.

Ультраструктурные проявления некроза значительно отличаются от характерной для апоптоза картины. Главным образом они сводятся к сморщиванию органелл и дезинтеграции цитоплазмы. Хотя хроматин в некротизирующихся клетках так же, как и при апоптозе, конденсируется у ядерной мембраны, его компактные массы менее однородны и значительно менее четко очерчены по краям ядра. После образования таких масс (или даже параллельно с этим процессом) происходит разрушение клеточных и внутриклеточных мембран, в том числе и мембран лизосом, что приводит к высвобождению лизосомальных энзимов, протеолизу и распаду клетки. На более поздней стадии некроза хроматин из ядра исчезает, т. е. развивается кариолизис. Некроз обычно сопровождается экссудативным воспалением и, если в процесс вовлечено большое количество клеток, заканчивается образованием рубца.

Другими словами, в отличие от апоптоза, при некрозе восстановления цитоархитектоники ткани не происходит.

Между ПКГ и апоптозом есть некоторые различия, но по главным морфологическим и биохимическим признакам эти состояния однотипны. В соответствии с этим обычно под термином «апоптоз» понимают и сам процесс (у взрослых организмов), и ПКГ (в процессе эмбриогенеза).

Проявления апоптоза можно разделить на пять основных типов:

1. Смерть клетки в процессе онтогенеза.

Апоптоз играет жизненно важную роль в процессе эмбриогенеза высших позвоночных животных, поскольку он включен в реализацию многих морфогенетических процессов. Однако гибель клетки в процессе онтогенеза не является жестко детерминированной: клетки должны заблаговременно получить сигнал к включению программы гибели.

2. Смерть клеток в интактных тканях взрослых особей.

Апоптоз характерен как для медленно пролиферирующих клеточных популяций (гепатоцитов, клеток эпителия, коры надпочечников), так и для быстро пролиферирующих (клеток кишечного эпителия, сперматогоний в период дифференцировки). В первом случае апоптоз уравновешивает процессы митоза, а во втором — большая часть митозов компенсируется, вероятно, потерей клеток за счет миграции, а не только в связи с апоптозом.

Гомеостатическая регуляция нормального объема клеток осуществляется циклической продукцией факторов роста, стимулирующих митоз, и «факторов смерти», запрограммированных в генах и индуцирующих апоптоз.

Очень важной функцией иммунной системы является разрушение лимфоцитов путем апоптоза. Мегакариоциты, распадающиеся на кровяные пластинки, претерпевают апоптоз.

Значительное количество инволюционных процессов в норме, включая разрушение овариального фолликула, инволюцию волосяного фолликула и др., осуществляется путем апоптоза. Триггером этого процесса во многих тканях являются гормоны.

3. Смерть клеток в процессе патологической атрофии при гиперплазии.

Апоптоз включен в процесс патологической атрофии в так называемых эндокринно зависимых тканях, как, например, в процессы атрофии простаты после кастрации и коры надпочечников после супрессии секреции АКТГ с помощью глюкокортикоидов. Патологическое разрастание или гиперплазия тканей вызывается путем стимуляции митозов, а возвращение ее к нормальному объему — путем стимуляции апоптоза.

4. Альтруистический суицид клеток.

Смерть клеток может играть биологически полезную роль в элиминации тех клеток, выживание которых вредно для организма в целом: например, клеток-мутантов, клеток, пораженных вирусом. Проникающая радиация вызывает апоптоз в популяции пролиферирующих клеток эпителия крипт кишечника, в непролиферирующих клетках лимфоидных органов, где лимфатические клетки, превратившиеся после облучения в мутанты, могут стать причиной аутоиммунных заболеваний.

Апоптоз стимулируется химическими препаратами, применяемыми при лечении опухолевых заболеваний; уничтожение пораженных вирусами клеток путем апоптоза обеспечивает минимальное повреждение тканей по сравнению с гибелью клеток некротическим путем.

5. Клеточная смерть, вызванная минимальным повреждением.

Этот тип клеточной смерти возникает при слабом воздействии на клетки тех агентов, которые могут вызвать некроз. Данный тип апоптоза определяется силой воздействия, а не его природой. Так, нагревание клеток в культуре тканей до температуры +43... +44 °С в течение тридцати минут вызывает апоптоз отдельных клеток, а гипертермия до +46°... +47 °С приводит к массированному некрозу.

Генетический контроль клеточной гибели

В настоящее время описаны три пути активации генома при апоптозе: индукция (экспрессия новых генов появляется после приложенного стимула); трансдукция (экспрессия генов не обязательна во время стимула) и высвобождение (активирование апоптоза связано с ингибированием экспрессии генов). Существует также ряд генетических механизмов, активность которых изменяется при большинстве видов клеточной гибели: гены c-myc, c-jun, c-fos, nur 77, противоопухолевые гены (р53), блокаторы апоптоза (Вс1₂). В настоящее время именно этим генам отводится регулирующая роль в процессах апоптоза. Активация данных генов отмечается и при других физиологических состояниях клетки — пролиферации и дифференцировке, однако в этих случаях направленность их активности изменяется и происходит в иные временные промежутки (укорочение периода активности).

Апоптоз лежит в основе патогенеза многих заболеваний, которые можно разделить на две группы:

Заболевания, связанные с ингибированием апоптоза:1) опухоли; 2) аутоиммунные болезни; 3) вирусные инфекции (герпес, аденовирусы); 4) заболевания, протекающие с гиперэозинофильным синдромом; 5) нейропролиферативные заболевания (шизофрения).

Заболевания, связанные с усилением апоптоза: 1) СПИД; 2) нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, боковой амиотрофический склероз, атрофия мышц спины); 3) болезни крови (миелодиспластический синдром, апластическая анемия); 4) ишемические повреждения (инфаркт миокарда, инсульт, реперфузионные повреждения); 5) токсические повреждения печени; 6) заболевания почек.