Morfogenesis Yleispatologia Solu- ja kudosvauriot Jarkko Hietanen professori, LKT, HLL, M.Sc Hammaslääketieteen laitos Hammaslääketieteellinen patologia Embryonaalisen kehityksen prosessi, jossa kudokset ja elimet kehittyvät oikeaan kokoon ja muotoonsa. On monimutkainen prosessi. Sisältää sarjan geneettisesti kontrolloituja tapahtumia. 29.8.2011 1 Differentiaatio Interaktiota epiteelin mesenkyymin, ekstrasellulaarisen matriksin ja kasvutekijöiden välillä. Tarpeettomat solut poistetaan apoptoosilla. Prosessin aikana solut saavat erityisen morfologian ja erityistehtävän. Tapahtuu sekä embryonaalisen että aikuiskehityksen aikana. Useita differentiaation vaiheita. Geneettisesti säädelty. Differentoituneet solut saavat erityisen ulkonäkönsä, esim. sylkirauhasen asinaariset solut. Kasvu Kasvuun liittyy solujen kudosten ja elinten kasvaminen. Solujen määrä lisääntyy mitooseilla. Solujen koko voi lisääntyä. Ekstrasellulaarimatriksin määrä voi lisääntyä, kasvua tapahtuu sekä kehityksen että paranemisprosessin yhteydessä. Remodellaatio tai kudosten uusiutuminen on tärkeä morfogeneesin ja kudosten ylläpidon kannalta. Kasvu ja kudosten ylläpito merkitsee tasapainoa soluproliferaation ja solukuoleman välillä. Aikuisiässä solut menettävät kykynsä nopeaan jakautumiseen. 1
Solut voidaan jakaa kolmeen luokkaan regeneratiivisen kykynsä perusteella Labiilit solut, jakaantuvat nopeasti ja pysyvästi koko aikuisiän läpi. Soluilla on lyhyt elinkaari ja kuolleet solut korvataan nopeasti. Esimerkkejä labiileista soluista suuontelon epiteliaaliset solut suolen solut eksokriiniset solut virtsarakon solut jne. Labiilit solut ovat erityisen alttiita säteilylle ja sytotoksisille lääkeaineille, esim. kuiva suu sädehoidon yhteydessä. Stabiilit solut, jakaantuvat harvoin, mutta solujen menetys tai vaurio stimuloi nopeaan mitoosiin. Stabiileja soluja ovat esim. luun solut, sidekudoksen solut, maksan solut ja munuaisen solut. Permanentit solut eivät normaalisti jakaudu aikuisiässä ja sen tähden ne eivät korvaannu, jos ne vaurioituvat tai niitä menetetään. Esimerkkejä ovat sydänlihassolut, luurankolihaksiston solut ja neuronit. Apoptosis Apoptoosin indusoijia ovat Ohjelmoitu solukuolema Eri asia kuin nekroosi Energiaa vaativa prosessi Embryonaalisen kehityksen aikana tavattava prosessi, mutta myös aikuisiässä esim. atrofian yhteydessä. Samoin ei-haluttuja soluja voidaan poistaa apoptoosilla. Kasvutekijöiden reduktio Glukokortikoidit Virukset Vapaat radikaalit Ionisoiva säteily Sytotoksiset lääkeaineet Immuunivälitteinen sytolyysi Kiinnityksen menettäminen ekstrasellulaariseen matriksiin 2
Apoptoosin inhibiittoreita ovat Apoptoosin morfologia Eräät kasvutekijät Kiinnittyminen ekstrasellulaariseen matriksiin Sukupuolisteroidit Eräät virusproteiinit Solut kutistuvat Soluun tulee eosinofiilinen sytoplasma. Solumembraanit hajoavat, näitä tapahtumia välittävät endogeeniset proteaasit ja endonukleaasit, jotka saavat aikaan DNAfragmentaation, solun tukirangan hajoamisen ja mitokondrioiden toiminnan loppumisen. Lisääntynyt apoptoosi johtaa Apoptoosi ei indusoi ympärilleen tulehdussolureaktiota. Nekroosin yhteydessä sen sijaan vapautuu kuolleista soluista lyyttisiä entsyymejä, jotka stimuloivat tulehdusta. Neurodegeneratiivisiin sairauksiin. Solujen menetyksiin sellaisissa tautitiloissa, joissa on alhainen valkosolujen määrä, esim. AIDS. HIV:ssä tavattavat virusproteiinit voivat aktivoida CD4 lymfosyyttejä ja tuhota infektoitumattomia soluja. Apoptoosilla on tärkeä merkitys ionisoivaan säteilyyn liittyvässä solujen menetyksessä. Vähentynyt apoptoosi johtaa Solujen määrän lisääntymiseen. Apoptoosin inhibiitio voi olla seurausta p53 proteiinin menetyksestä tai lisääntyneestä bcl-2 proteiinin lisääntyneestä ekspressiosta. Bcl-2 proteiini inhiboi apoptoosia. Apoptoosilla on tärkeä merkitys myös karsinogeneesissä, joka on moniportainen tapahtuma. Apoptoosilla on myös merkitystä autoimmuunisairauksissa, koska näiden tautien yhteydessä niiden solujen tuhoaminen epäonnistuu, jotka ovat kohdistuneet autoantigeeneja vastaan. 3
Soluvaurion syyt Useat kemialliset, fysikaaliset ja biologiset tekijät voivat aiheuttaa soluvaurion. Kemialliset aineet käsittävät lääkkeitä, myrkkyjä, toksisia kaasuja, jne. Esim. asetyylisalisyylihappo aiheuttaa paikallista solukuolemaa ja haavaumaa, jos sitä pidetään esim. tarpeettomasti suun limakalvolla. Myrkyt vaikuttavat annosriippuvaisella vaikutusmekanismilla, useat niistä ovat toksisia metaboliitti-inhibiittoreita, jotkut ovat hermo-, jotkut keuhkospesifisiä vaikutukseltaan. Myös happamat ja alkaaliset aineet aiheuttavat paikallista solukuolemaa nopeasti, ne koaguloivat proteiineja ja korrodoivat kudoksia. Fysikaaliset tekijät käsittävät mm. lämmön, kylmän, sähkövarauksen, ionisoivan ja ultraviolettisäteilyn, mekaanisen trauman. Lämpö- ja sähkötrauma denaturoivat solujen proteiineja, niiden sekundaarisesta vaikutuksesta mainittakoon lisäksi paikallisen verenkierron eliminaatio. Ionisoiva säteily ja ultraviolettisäteily aiheuttavat DNA-vaurioita, sen lisäksi vapaat radikaalit voivat vaikuttaa solujen sytoplasmaan ja solumembraaneihin. Mekaaninen trauma vaurioittaa myös solukalvoja ja voi aiheuttaa iskemiaa häiritsemällä kudosten verensaantia. Infektio aiheuttaa soluvaurioita monin eri mekanismein Usein kyseessä on metabolinen tuote tai eritetty toksiini, joka vaikuttaa suoraan soluihin, esim. hammasplakista vapautuneet proteiinituotteet aiheuttavat ikeniin tulehdusta. Intrasellulaariset infektiot vaurioittavat suoraan soluprosesseja. Usein infektoivan prosessin käynnistämä inflammatorinen eli tulehdus tai immuunivastaaine saa aikaan lisää tuhoa. Immunologiset reaktiot aiheuttavat solutuhoa. Immunologiset reaktiot voivat aiheutua infektiosta, autoimmuuniteetista tai allergiasta. Kaikkien näiden yhteydessä voidaan eri mekanismeilla saada aikaan elimistön soluvaurioita. 4
Soluvaurion mekanismit Toksiinit ja myrkyt voivat vaikuttaa spesifisiin metabolisiin aineenvaihduntateihin. Esim. syanidi sitoutuu sytokromioksidaasiin lopettaen soluhengityksen. Streptomysiini ja kloramfenikoli lopettavat tietyt proteiinisynteesit ja ovat sen tähden soluille toksisia. Tärkeiden metaboliittien deprivaatio. Glukoosi on välttämätön energian lähde ja tärkeä keskushermoston neuroneille, vrt. diabetes. Glukoosi on essentielli soluhengityksen kannalta. Alentunut verenvirtaus johtaa iskemiaan. Verenvirtauksen puute johtaa iskeemiseen nekroosiin eli infarktiin. Keskushermoston neuronit voivat elää ilman happea vain muutaman minuutin. Kun iskeemisille alueilla verenkierto palautuu on vaarana reperfuusiovaurio, jonka arvellaan syntyvän vapaista radikaaleista. Vapaat radikaalit ovat voimakkaasti reaktiivisia atomeja tai atomiryhmiä, jotka syntyvät ionisoivan säteilyn ja hapetus- ja pelkistysreaktioiden yhteydessä. Vapaat radikaalit vaurioittavat monityydyttä-mättömiä rasvahappoja, jotka puolestaan ovat välttämättömiä solukalvon toiminnan kannalta. Antioksidanttilääkkeitä voidaan käyttää minimoimaan edellä kuvatun kaltaisia soluvaurioita. Solukalvostot hajoavat esim. ionipumppujen toiminnan pettäessä, jolloin solu hajoaa osmoottisen paineen vaikutuksesta. Tekijät, jotka tyhjentävät solun ATP-varastot aiheuttavat solujen lyysistä edellä kuvatulla mekanismilla. Aktivoidun komplementin ja perforiinin sytotoksiset vaikutukset välittyvät solukalvovaurion kautta.. DNA-vaurio liittyy usein ionisoivaan säteilyyn, kemoterapiaan ja vapaiden radikaalien esiintymiseen. Nopeasti jakautuvissa soluissa kuolema tai soluvaurio on välitön. Mikäli solut jäävät henkiin voi olla seurauksena mutaatioita, jotka voivat välittyä tytärsoluun. Lämmön, kylmän, laserinkäytön ja mekaanisen trauman aiheuttama vaikutus voi vaurioittaa soluja ja sytoplasman sisältö vapautuu solusta ulos. Osmoottinen epätasapaino hajottaa soluja, kuten esim. ei-isotoonisen injektion antaminen. 5
Rasvamuutos Hydrooppinen muutos Lipidipisaroita kertyy solun sytoplasmaan. Maksan tavallisia rasvamuutoksen syitä ovat alkoholi ja sokeritauti. Soluvaurio aiheuttaa ribosomien toiminnassa häiriön sekä lipidi- ja proteiinimetabolian irtikytkeytymisen. Lievä rasvahäiriö on reversiibeli. Jos stimulus jatkuu, muutos voi olla palautumaton. Tarkoittaa nesteenkertymistä sytoplasmaan, joka muuttuu vaaleaksi ja turvonneeksi. Useat eri stimulukset voivat aiheuttaa kyseisen metabolisen häiriön. Samea turpoaminen on alkuvaiheen muutos, myöhemmin vaurio etenee sytoplasmassa aiheuttaen sen vakuolisoitumisen. Hydrooppinen muutos on yleensä reversiibeli, mutta jos aiheuttaja persistoi, voi kyseinen solu kuolla. Nekroosi Solujen ja kudosten kuolema on nimeltään nekroosi. Nekroosin syitä ovat vaurioittava stimulus iskemia trauma metabolinen syy Nekroottiset solut kokevat autolyysin ja vapauttavat entsyymejä ympäristöönsä. Tämä saa aikaan tulehdusreaktion. Nekroottinen kudos fagosytoidaan tai se rajataan ympäristöstään. Nekroosi on eri asia kuin apoptoosi. Useita eri nekroosi-tyyppejä tavataan sekä makroskooppisella että mikroskooppisella tasolla. Koagulaationekroosi Tavallisin nekroosityyppi. Voidaan tavata missä kudoksessa tahansa. Proteiini koaguloituu, joissakin tapauksissa nekroottiseen kudokseen voi tulla hemorragia. Alkuvaiheessa muutos on normaali tai jäykkä, ajan myötä nekroottinen alue pehmenee polymorfisten leukosyyttien ja makrofaagien vapauttamien entsyymien ansiosta. Mikroskooppisesti nekroottinen alue ottaa kudosleikkeen perinteisessä hematoksyliinieosiinivärjäyksessä runsaasti eosiinia. Yleensä tulehdussoluja nähdään runsaasti alkuvaiheessa, eniten neutrofiilejä. Myöhemmin tavataan soluja, jotka liittyvät organisoitumiseen ja paranemiseen. 6
Kollikvaationekroosi Kaseaationekroosi Tavataan aivoissa ja se on seurausta nekroottisen, hermokudoksen nesteytymisestä, josta puuttuu ekstrasellulaarinen tukimatriksi. Tämän tuhoutuneen alueen ulkopuolella todetaan gliasolukkoa (keskushermoston makrofaagi). Kyseinen kudos rajaa nekroottisen alueen ja lopulta voi muodostua kysta. Ympärillä olevat vitaalit, mutta vaurioitumattomat aivon osat voivat jossain määrin ottaa tuhoutuneen alueen tehtäviä hoitoonsa. Nimi johtuu juustomaisesta konsistenssista. Se on tyypillinen, mutta ei patognomooninen tuberkuloosi-infektion merkki. Mikroskooppisesti struuktuuriton alue, jossa nähdään eosinofiilistä amorfista materiaalia ja fragmentoituneita solujen tumia. Tuberkuloosissa se koostuu lähinnä kuolleista makrofaageista ja kudosnesteestä. Rasvanekroosi Gangreena Syntyy rasvasoluihin kohdistuneen trauman seurauksena, jotka vapauttavat lipidisisältönsä. Tämä saa aikaan voimakkaan tulehdusreaktion ja alueen myöhempi organisoituminen johtaa noduluksen muodostumiseen. Akuutissa haimatulehduksessa haiman lipaasi voi saada aikaan rasvanekroosin. Nekroosi on yleensä steriili, mutta kun se infektoituu lähinnä bakteereilla syntyy gangreena. Hajoava hemoglobiini värjää gangreenan mustaksi. Bakteerit voivat olla esim. klostriidioita esim. Cl welchii. Gangreena voi olla nekroosin komplikaatio esim. suolessa tai hampaan pulpassa. Klostriidiat ja bacteroides bakteerit voivat aiheuttaa primääriprosessin infektoituneissa haavoissa. Solujen vanheneminen ja ikääntyminen Clonal senescence theory Ihmissolut kykenevät noin viiteenkymmeneen solujakautumiseen soluviljelyolosuhteissa, jonka jälkeen ne vanhenevat ja kuolevat. Tunnetaan lähinnä kaksi vanhenemisen teoriaa. Kudosviljelyolosuhteissa on todettu, että mahdollisesti kromosomissa 1 on spesifisiä ikääntymiseen liittyviä geenejä. Vahvistusta ihmisillä on saatu myös Wernerin syndroomasta ja Downin syndroomasta. 7
Replication senescence theory Telomeerinen lyheneminen jokaisen solun jakautumisen yhteydessä viittaisi siihen, että solulla on tietyn ikäinen elinkaari. Telomeerit sijaitsevat jokaisen kromosomin päässä. Ainoastaan sukusolut ja embryonaaliset solut kykenevät telomeerien replikaatioon telomeraasientsyymin ansiosta. Tässä vanheneminen ja kuluminen johtaa subletaaliin soluvaurioon. Metabolian toksiset sivutuotteet, proteiinien ristisidokset, DNA-mutaatiot, DNAkorjausmekanismien menetys ja solukalvojen peroksidaatio ovat tekijöitä, joiden kaikkien on ajateltu olevan vastuussa mahdollisesti kumulatiivisista muutoksista. 8