DANNO CELLULARE Nabissi 16

Riduzione della fosforilazione ossidativa, Deplezione di ATP, DANNO CELLULARE Danno cellulare reversibile: modificazioni funzionali e morfologiche, che sono reversibili se lo stimolo dannnoso viene rimosso. Riduzione della fosforilazione ossidativa, Deplezione di ATP, Danno mitocondriale Aumento del Calcio intracellulare ROS (specie reattive dell’ossigeno) Danno della membrana citoplasmatica e lisosomiale Danno alle macromolecole (DNA, Proteine, Lipidi) Danno irreversibile e morte cellulare: la lesione diventa irreversibile perchè la cellula ha terminato la capacità di recupero. NECROSI APOPTOSI Nabissi 16

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PERDITA DELL’OMEOSTASI DEL CALCIO Il Ca2+ intracellulare è mantenuto ad una concentrazione molto bassa rispetto ai livelli extracellulari, e la maggior parte del Ca2+ è sequestrato nei mitocondri e nel reticolo endoplasmatico. Un aumento del Ca2+ intracellulare, causato da un danno come l’ischemia, porta all’attivazione di enzimi con potenziali effetti deleteri per la cellula, come ATPasi (che degradano ATP), fosfolipasi (che promuovono il danno di membrana), endonucleasi (frammentano il DNA) Degradazione del citoscheletro L’aumento di Ca2+ intracellulare induce anche permeabiltà mitocondriale ed apoptosi Nabissi 16

control Ca2+ -inducer low dose Ca2+ -inducer high dose Nabissi 16

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La deplezione di ATP inibisce la funzionalità della pompa Na/K Nabissi 16

GLICOLISI Carenza di O2 Ciclo di Krebs Nabissi 16

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MECCANISMI DI DANNO CELLULARE Le conseguenze del danno dipendono dal tipo di cellula, dallo stato e dalla capacità di adattamento Nabissi 16

La riparazione non corretta dei danni al DNA puo’ portare alla sopravvivenza di cellule danneggiate a livello genetico (mutazioni) aumentando il rischi di tumori o in alternativa la non corretta riparazione puo’ indurre morte cellulare.

global genome nucleotide-excision repair (NER) system transcription-coupled NER system (TC-NER) system Nabissi 16

DNA double-strand breaks and chromatin in irradiated hypoxic cells. Nabissi 16

L’ipossia acuta induce migrazione cellulare e potenziali metastasi Nabissi 16

Nelle cellule ben ossigenate HIF viene portato a degradazione dal fattore von Hippel–Lindau (VHL) che recluta una ubiquitina E3 ligase. portando HIF verso la degradazione proteosomiale In condizioni ipossiche HIF si accumula, migra nel nucleo e attiva vari geni (EPO, VEGF, PDK1 (piruvato deidrogenasi, ed altri), inducendo angiogenesi, metabolismo del glucosio).

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per anemica quella causata da difetti nel trasporto di ossigeno Anossia ed Ipossia Per anossia s’intende la mancanza totale di ossigeno, mentre comunemente si ha una carenza parziale di ossigeno (ipossia). L’ipossia viene classificata come ipossica, stagnante, anemica ed istotossica; per ipossica s’intende quella causata dalla diminuzione della pressione parziale di ossigeno nel sangue arterioso, per stagnante quella dovuta al ristagno di sangue nei tessuti causato da rallentamento del circolo sanguigno, per anemica quella causata da difetti nel trasporto di ossigeno per istotossica quella causata da inibitori della respirazione cellulare. Nabissi 16

Nel caso, piu’ comune di avvelenamento da ossido di carbonio, oltre alla maggiore affinità del CO al ferro dell’emoglobina (a scapito dell’ossigeno), il CO blocca la respirazione cellulare inibendo la citocromo ossidasi. Altre condizioni di ipossia si hanno in condizioni di patologie respiratorie, come nell’insufficienza respiratoria ipossica. Nel’insufficienza respiratoria ipoventilatoria (ipercapnico-ipossica), il polmone non è in grado di eliminare correttamente la CO2 che aumenta la sua concentrazione plasmatica a scapito dell’ossigeno. Nabissi 16

Infarto anemico splenico. Gli effetti dell’ipossia, oltre al danno respiratorio cellulare, comportano anche danni ad altre vie metaboliche (come il ciclo di Krebs) portando ad un accumulo intracellulare di metaboliti acidi (acido lattico, acetone) con conseguente acidosi. Inoltre sono estremamente importanti i danni neurologici che conseguono a pochi minuti di stato ipossico, con conseguenze a volte irreversibili o la cianosi, cioè il colorito bluastro della cute e delle mucose visibili causato da un’eccessiva concentrazione di emoglobina non ossigenata nel sangue capillare. Infarto anemico splenico. Nabissi 16

IPOSSIA ANEMICA Nabissi 16

Anemia Falciforme Emoglobinopatia ereditaria dovuta a mutazione puntiforme del sesto codone della b-globina che porta a sostituzione dell’aminoacido glutammato con valina. Le proprietà fisico-chimiche della risultante emoglobina falciforme (HbS) sono responsabili della malattia. Nabissi 16

Manifestazioni cliniche: Anemia cronica Occlusioni microvascolari Se deossigenate le molecole di HbS vanno incontro a polimerizzazione, formano aggregati assemblandosi in lunghe fibre simili ad aghi e producono un eritrocita falciforme. Manifestazioni cliniche: Anemia cronica Occlusioni microvascolari Danno cellulare Nabissi 16

Interazioni della HbS con altri tipi di Hb HbA (a2b2) negli individui eterozigoti interferisce con HbS evitando la polimerizzazione, quindi gli eritrociti non diventano falciformi Concentrazione corpuscolare media di emoglobina (MCHC) alte concentrazioni di HbS aumentano la probabilità di polimerizzazione in qualsiasi episodio di deossigenazione. Episodi di disidratazione intracellulare aumentano MCHC facilitando la falcizzazione. ph intracellulare. La diminuzione di pH facilita la polimerizzazione, in quanto diminuisce l’affinità della Hb per l’ossigeno Nabissi 16

Sindromi talassemiche Gruppo eterogeneo di malattie causate da mutazioni ereditarie che riducono la sintesi di HbA. La b-talassemia è causata difetti nella sintesi della catena beta. Le conseguenze ematologiche sono causate sia dalla carenza di una catena che dall’eccessiva presenza della catena piu’ espressa. I difetti della sintesi influiscono anche sulla produzione di eritrociti. Patogenesi molecolare: Mutazioni nello splicing Mutazioni nella regione del promotore Mutazioni che determinano un’interruzione prematura della catena Nabissi 16

Il deficit di sintesi della catena beta produce globuli rossi ipocromici, microcitici e con minore capacità di trasporto dell’ossigeno. Minore sopravvivenza degli eritrociti Eritropoiesi inefficace, con aumento della sintesi di eritropoietina e iperplasia eritroide midollare e una estesa emopoiesi extramidollare. La massa eritroide erode la corticale ossea compromettendo la crescita ossea. Eccessivo assorbimento di ferro alimentare, in quanto l’eritropoietina riduce i livelli di epcidina (regolatore negativo dell’assorbimento di Fe), con conseguente sovraccarico di Fe. Nabissi 16

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Caratterizzazione in base alla morfologia dei globuli rossi Caratteristiche morfologiche che forniscono indizi eziologici mediante l’analisi delle dimensioni dei globuli rossi, il grado di emoglobinizzazione che si riflette sul colore dei globuli rossi e la forma. Dimensioni: normociti, microciti, macrociti Colore: normocromici o ipocromici Anemia microcitica ipocromica Casuata da anomalie nella sintesi di emoglobina Anemia macrocitica Anomalia nella sintesi dei precursori eritroidi Nabissi 16

Caratteristiche cliniche I pazienti anemici mostrano delle caratteristiche comuni: Pallore, debolezza, malessere e facile affaticabilità La diminuzione del contenuto di ossigeno nel sangue porta a dispnea (difficoltà respiratoria) in seguito a sforzi di lieve entità Ipossia che puo’ portare degenerazione grassa nel fegato, miocardio e rene. L’ipossia del miocardio porta ad insufficenza cardiaca, con conseguente ipossia tissutale. Si puo’ manifestare come angina pectoris. L’ipoperfusione renale causata da perdite ematiche puo’ causare oliguria o anuria L’ipossia del sistema nervoso causa cefalea, difficoltà nella vista e debolezza. Nabissi 16

Sferocitosi ereditaria Causata da deficit intrinseco causata da mutazioni nei geni che codificano per le proteine del citoscheletro dell'eritrocita, tra cui spectrina, ankirina,dei globuli rossi, che li rende sferoidali meno deformabili e soggetti a sequestro splenico e distruzione. Le mutazioni interessano soprattutto la regione anchirinica Nabissi 16

Malattia emolitica da deficit di glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) Alterazioni nello shunt dell’esoso monofosfato o nel metabolismo del glutadione, che riducono la capacità dei globuli rossi di proteggersi da danni ossidativo, causando emolisi. Il deficit di G6PD è un carattere recessivo del cromosoma X, per cui I maschi hanno maggiore possibilità di sviluppare la malattia sintomatica. Gli episodi di emolisi sono provocati da episodi che producono stress ossidativo (infezioni) o alcuni farmaci ossidanti (clorochina), e alcuni cibi come la fava ed altri legumi (che metabolizzata produce agenti ossidanti, FAVISMO). Nabissi 16

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ISCHEMIA L’ischemia è una condizione che si verifica in conseguenza di una riduzione o interruzione di apporto sanguigno ad un’area piu’ o meno vasta di tessuto causata da fattori estrinsechi (compressione) o intrinsechi (occlusione) di un vaso arterioso o come risultato di una drastica caduta della pressione arteriosa dovuta ad una emorragia. Gli effetti dell’ischemia dipendono dalla sua durata, dalla gravità, dalle caratteristiche dei singoli tessuti e dalle condizioni cellulari nel momento in cui si verifica l’ischemia (contenuto in glicogeno, attività e stato dei mitocondri). L’ischemia impedisce l’arrivo, nei tessuti, di ossigeno e di sostanze nutritizie compromettendo la produzione di energia (ATP) attraverso la glicolisi, a differenza dello stato di ipossia. Nabissi 16

La conseguenza biochimica dell’arresto della glicolisi, cioè della scomparsa del glicogeno e del mancato apporto sanguigno di glucosio, comporta un aumento di acido lattico nei tessuti con conseguente acidificazione dell’ambiente cellulare. Per questo motivo il danno ischemico è maggiore del danno ipossico. Shock-induced injury of the stomach. The stomach in this photograph has been opened, revealing the gastric mucosa. The gastroesophageal junction and distal esophagus are in the right upper corner. The innumerable punctate hemorrhages of the gastric mucosa (red-black spots) are due to shock. Nabissi 16

L’intervento terapeutico, piu’ ovvio, per evitare i danni causati da una condizione ischemica prolungata, è il ripristino del flusso sanguigno che comporta comunque (dipende dall’intensità e dalla durata dell’insulto ischemico) la morte di una parte delle cellule del tessuto ischemico. Questo fenomeno viene indicato come danno ischemico da riperfusione. Nabissi 16

Il danno da riperfusione avviene principalmente per la formazione di radicali liberi dell’ossigeno, che si originano per opera dell’enzima xantina ossidasi che, con il ripristino del flusso sanguigno e della portata di ossigeno, trasforma l’ipoxantina (derivata dalla formazione di AMP durante il danno ischemico che viene convertito in inosina ed ipoxantina) in acido urico e formando contemporaneamente anione superossido. La superossido dismutasi converte l’anione in H2O2 dalla quale si puo’ formare OH-, creando un danno da stress ossidativo. Nabissi 16

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Il danno ischemico si associa, spesso, a flogosi con produzione di citochine infiammatorie e molecole d’adesione leucocitarie ed endoteliali. La riperfusione comporta l’arrivo dei leucociti, presenti nel circolo sanguigno, nel tessuti ischemico con conseguente aumento dell’adesione leucocitaria. I leucociti adesi alle cellule endoteliali del tessuto ischemici producono ROS e tendono a formare dei tappi ostruenti che ostacolano il ripristino del flusso sanguigno. In ultimo, anticorpi IgG tendono a depositarsi nei tessuti ischemici e quando il flusso sanguigno viene ripristinato, la frazione del sistema del complemento si legano agli anticorpi attivando un danno cellulare ed una reazione infiammatoria.

Danno mitocondriale  I mitocondri sono i bersagli principali di molti tipi di danni cellulari, sia di natura endogena che esogena, che interferiscono con la respirazione cellulare, provocando alterazioni morfo-funzionali che coinvolgono la fosforilazione ossidativa e la produzione di ATP. Le forme primarie di lesione sono quelle causate da difetti genetici che comportano patologie mitocondriali (citopatie) con evidenti manifestazioni cliniche. Le lesioni si definiscono secondarie, quando dipendono da fattori esterni che impediscono il metabolismo dei mitocondri, bloccano reazioni specifiche, riducono fattori essenziali per le funzioni mitocondriali o perché comportano l’accumulo di metaboliti che interferiscono con il metabolismo mitocondriale. Nabissi 16

Per quanto riguarda le lesioni primarie, bisogna ricordare che i mitocondri dello zigote derivano dall’ovocita e quindi il DNA mitocondriale (mtDNA) è di derivazione materna. Il mtDNA è di forma circolare, di piccole dimensioni e codifica per 13 proteine tutte coinvolte nella fosforilazione ossidativa. Inoltre il mtDNA è privo di istoni e molto suscettibile ai danni provocati dalle specie reattive dell’ossigeno (ROS) generate all’interno dei mitocondri, quindi il mtDNA è soggetto ad un elevato numero di mutazioni. Siccome le mutazioni coinvolgono solo alcuni mitocondri, nella stessa cellula possono essere presenti mitocondri mutati e sani (eteroplasmia), fenomeno che comporta lo sviluppo di una patologia mitocondriale solo quando il fenotipo mutato supera il fenotipo normale. Nabissi 16

Comunque la maggior parte delle mutazioni interessano il processo della fosforilazione ossidativa che comportano patologie di tre tipi: Deficit di produzione di energia, con dissesto energetico che colpisce principalmente il tessuto nervoso e muscolare. Eccessiva generazione di ROS, causato da un accumulo di elettroni che reagendo con l’ossigeneo comportano la produzione di ROS Innesco dell’apoptosi, che mediante una eccesiva produzione di ROS induce un ingresso di calcio che permette l’apertura di canali aspecifici nella membrana mitocondriale (poro di transizione di membrana) con conseguente rilascio di fattori apoptotici Nabissi 16

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