Смерть клітин в організмі може відбувається 2 шляхами: некрозу та апоптозу.
Апоптоз - це такий тип загибелі клітин, при якому сама клітина активно бере участь в процесі своєї загибелі, тобто відбувається самознищення клітини. Апоптоз, на відміну від некрозу, є процесом активним, після впливу етіологічних чинників запускається генетично запрограмований каскад реакцій, що супроводжується активацією певних генів, синтезом білків, ферментів, що призводять до ефективного та швидкого видалення клітини з тканини.
1. Під час ембріогенезу апоптоз відіграє важливу роль в руйнуванні різних тканинних зачатків і формуванні органів.
2. Апоптозу піддаються старіючі клітини, які закінчили цикл свого розвитку, наприклад, вичерпали запас цитокінів лімфоцити.
3. У зростаючих тканинах певна частина дочірніх клітин піддається апоптозу. Відсоток тих, хто гине клітин може регулюватися системними і місцевими гормонами.
4. Причиною апоптозу може бути слабкий вплив факторів, які при більшій інтенсивності можуть привести до некрозу (гіпоксія, іонізуюче випромінювання, токсини і ін.)
Клітка піддається апоптозу, якщо в ядрі відбувається пошкодження ДНК, яке не може бути виправлено системою репарації. За даним процесом стежить білок, який кодується геном р53. При неможливості усунення дефекту ДНК під дією р53-протеїну активується програма апоптозу.
На багатьох клітинах є рецептори, вплив на які викликає активацію апоптозу. Найбільш вивченими є Fas-рецептор, виявлений на лімфоцитах, і рецептор до фактору некрозу пухлин-альфа (TNF-α), виявлений на багатьох клітинах. Дані рецептори відіграють велику роль у видаленні аутореактівних лімфоцитів і регуляції сталості розміру клітинної популяції за типом зворотного зв'язку.
Активувати апоптоз можуть різні метаболіти і гормони: протизапальні цитокіни, стероїдні гормони, окис азоту (NO) і вільні радикали.
Апоптоз клітин активується при нестачі кисню в тканинах. Причиною його активації може бути дію вільних радикалів, порушення енергетично залежних процесів репарації ДНК і ін.
Апоптозу піддаються клітини, що втратили зв'язок з міжклітинних матриксом, базальноїмембраною або сусідніми клітинами. Втрата даного механізму апоптозу в пухлинних клітинах призводить до появи здатності метастазировать.
Деякі вірусні білки можуть активувати апоптоз клітин після самозборки вірусу в зараженій клітині. Поглинання апоптотичних тілець сусідніми клітинами веде до їх зараження вірусом. Вірус СНІДу також може активувати апоптоз незаражених клітин, що мають на своїй поверхні CD4-рецептор.
Також існують чинники, що перешкоджають апоптозу. Сповільнювати апоптоз можуть багато метаболіти і гормони, наприклад, статеві гормони, прозапальні цитокіни. Апоптоз може різко сповільнюватися при дефектах в механізмі загибелі клітини, наприклад, при мутації в гені р53 або активації генів, які гальмують апоптоз (bcl-2). Багато віруси мають здатність пригнічувати апоптоз після вбудовування власної ДНК в геном клітини на період синтезу власних структурних білків.
Морфологічні прояви апоптозу
Апоптоз має свої характерні морфологічні ознаки, як на світлооптичному, так і на ультраструктурному рівні. Найбільш чітко морфологічні ознаки виявляються при електронній мікроскопії. Для клітини, що піддається апоптозу характерно:
^ Стиснення клітини. Клітка зменшується в розмірах; цитоплазма ущільнюється; органели, які виглядають відносно нормальними, розташовуються більш компактно. Передбачається, що порушення форми і об'єму клітини відбувається в результаті активації в апоптотичних клітинах трансглютамінази і цистеїнових протеаз (каспаз). Перша група ферментів викликає утворення перехресних зв'язків в цитоплазматичних білках, що призводить до формування своєрідної оболонки під клітинною мембраною, подібно ороговевающим клітин епітелію, а друга група ферментів руйнує білки в цитоплазмі.
^ Конденсація хроматину. Це найбільш характерний прояв апоптозу. ДНК розщеплюється ендонуклеаза в місцях, які зв'язують окремі нуклеосоми, що призводить до утворення великої кількості фрагментів, в яких число пар основ ділиться на 180-200, які потім конденсуються під ядерною мембраною. Ядро може розриватися на два або кілька фрагментів.
^ Формування апоптотичних тілець. У апоптотической клітці формуються глибокі впячивания клітинної мембрани, що призводить до відшнуруванням фрагментів клітини, тобто формування оточених мембраною апоптотичних тілець, які складаються з цитоплазми і щільно розташованих органел, з або без фрагментів ядра.
Фагоцитоз апоптотичних клітин або тілець здійснюється навколишніми здоровими клітинами, як макрофагами, так і паренхіматозними. Апоптотичні тільця швидко руйнуються в лізосомах, а навколишні клітини або мігрують, або діляться, щоб заповнити звільнене після загибелі клітини.
При забарвленні гематоксиліном і еозином апоптоз визначається в поодиноких клітинах або невеликих групах клітин. Апоптотичні клітини мають округлу або овальну форму, інтенсивно еозинофільну цитоплазму з щільними фрагментами ядерного хроматину. Оскільки стиснення клітини і формування апоптотичних тілець відбувається швидко і також швидко вони фагоцитуються, розпадаються або викидаються в просвіт органа, то на гістологічних препаратах апоптоз виявляється у випадках його значної вираженості. До того ж апоптоз - на відміну від некрозу - ніколи не супроводжується запальною реакцією, що також ускладнює його гістологічне виявлення.
Для виявлення клітин, що знаходяться на ранніх етапах апоптозу, використовують спеціальні імуногістохімічні дослідження, наприклад, визначення активованих каспаз або TUNEL-метод, що візуалізує розірвану ендонуклеаза ДНК.
1. Апоптоз має величезне значення в ембріогенезі (включаючи імплантацію і органогенез). Порушення загибелі клітин в міжпальцевих проміжках може привести в синдактилії, а відсутність апоптозу зайвого епітелію при злитті піднебінних відростків або тканин, що оточують нервову трубку, призводить до порушення злиття тканин з двох сторін, що проявляється розщепленням твердого піднебіння і дефектом в тканинах, що обмежують спинномозковий канал, (spina bifida), відповідно.
2. Апоптоз відіграє важливу роль у підтримці сталості клітинного складу, особливо в гормон-чутливих тканинах. Сповільнення апоптозу призводить до гіперплазії тканин, прискорення - до атрофії. Він бере участь у відторгненні ендометрію під час менструального циклу, атрезії фолікулів в яєчниках в менопаузі і регресії тканини молочної залози після припинення лактації.
3. В даний момент досліджується величезна кількість лікарських препаратів, спрямованих на регуляцію апоптозу в певних тканинах. Так, прискорення апоптозу імунокомпетентних клітин можна використовувати для лікування аутоімунних захворювань і запобігання відторгнення трансплантата, сповільнення апоптозу може використовуватися для запобігання апоптозу в тканинах, що зазнають ішемію, підвищений зовнішній тиск або тимчасово бездіяльних тканинах. Сповільнення апоптозу при вірусних інфекціях запобігає поширенню інфекції на сусідні клітини.
4. У всіх пухлинах спостерігається порушення апоптозу в пухлинних клітинах. Ця поломка може відбуватися на різних етапах апоптозу, наприклад, може відбуватися мутація гена р53, що приведений до того, що мутантний протеїн-р53 буде накопичуватися в клітці в надмірній кількості, але не буде викликати апоптоз незважаючи на дефекти в геномі клітини, що призведе до проліферації клітин з порушеним геномом, причому з кожним наступним розподілом порушення в ДНК будуть накопичуватися. Іноді в пухлинних клітинах може накопичуватися і нормальний, або «дикий», протеїн р53, якщо поломка в механізмі апоптозу відбувається на інших рівнях. При хронічних лімфоїдних лейкемиях спостерігається накопичення продуктів гена bcl-2, що призводить до патологічного подовження терміну життя пухлинних клітин і резистентності клітин до різних проапоптотическим факторам. Іноді порушується передача сигналів від рецепторів загибелі клітин, наприклад, з рецептора до TNF-α. TNF-α бере участь в регуляції клітинної популяції за типом зворотного зв'язку. Всі клітини в популяції виділяють TNF-α в невеликих кількостях; чим більше клітин в тканини, тим вище концентрація TNF-α, а значить і рівень апоптозу. Таким чином досягається баланс між проліферацією і загибеллю клітин. Пухлинні клітини втрачають здатність піддаватися апоптозу під дією цього цитокіну, при цьому він накопичується у великій кількості в пухлинної тканини. В результаті цього TNF-α починає у великій кількості потрапляти в кровотік і викликати апоптоз паренхіматозних клітин у багатьох органах, приводячи до кахексії.