Dwa mechanizmy śmierci komórek w strefie zawału serca

Michał R. Żebrowski, Anna Kierus, Agnieszka Żebrowska
Klinika Kardiologii Instytutu Medycyny Wewnętrznej Akademii Medycznej w Łodzi
Dwa mechanizmy śmierci komórek
w strefie zawału serca
— martwica i apoptoza
Necrosis and apoptosis — two mechanisms of cell death in myocardial infarction zone
Two alternative mechanisms of cellular death are distinguished. The first one is necrosis — an accidental cell death; the second one is apoptosis — programmed cell death.
Necrosis is characterized by depletion of intracellular ATP stores and swelling of the cell with disruption
of organelles and rupture of the plasma membrane
whereas definition of apoptosis is based on distinct
morphological features and demonstration of internucleosomal DNA degradation, executed by selectively activated DNAses. The morphologic hallmarks of
apoptosis include chromatic margination, nuclear
condensation and fragmentation, and condensation
of the cell with preservation of organelles. The process is followed by fragmentation of the cell into
membrane-bound apoptotic bodies, which undergo
phagocytosis by nearby cells without associated inflammation. Apoptosis characteristically occurs in
isolated single cells.
In some situations, both types of cell death can occur simultaneously, but it seems to be important to
determine which type of cell death is dominant.
Key words: myocardial infarction, necrosis,
apoptosis
Choroba niedokrwienna serca ze swoją skrajną postacią, jaką jest zawał serca, jest podstawową przyczyną
zgonów w krajach uprzemysłowionych. Jednym z głównych zagadnień w terapii tej jednostki chorobowej jest
ograniczenie obszaru martwych komórek. Zgodnie
z obowiązującą definicją patomorfologiczną zawał ser-
ca jest to rozległa martwica skrzepowa (denaturacyjna)
[1], czyli śmierć tkanki spowodowana denaturacją białek w następstwie zwiększonej kwaśności [2]. Przyjęto,
iż zawałem określa się ognisko martwych komórek
o średnicy większej niż 1 cm [1].
Rozwój nauk podstawowych często następuje szybciej niż postęp nauk klinicznych. Widać to na przykładzie
niedostosowania używanego w praktyce klinicznej mianownictwa do nowo opisywanych faktów. W odniesieniu do zawału serca terminem takim jest powszechnie
stosowane pojęcie martwica mięśnia sercowego. Dla
lekarza klinicysty termin ten oznacza strefę martwych
komórek miokardium, podczas gdy zgodnie z obecną
nomenklaturą pojęcie „martwica” oznacza jeden
z dwóch znanych mechanizmów śmierci komórkowej.
Mechanizm ten może, ale nie musi, odpowiadać za
śmierć komórek w obszarze zawału serca.
Pod pojęciem martwicy (nekrozy) rozumie się przypadkową śmierć komórki. Jest to proces wywołany przez
uszkadzające czynniki zewnętrzne, np. niedotlenienie
w przypadku zawału serca. Mechanizm ten obejmuje zarówno pojedyncze komórki, jak i całe ich grupy. W początkowej fazie zmian dochodzi do uszkodzenia organelli
komórkowych odpowiedzialnych za energetykę komórki.
W obrazie mikroskopowym obserwuje się poszerzenie
siateczki śródplazmatycznej i obrzęk mitochondriów.
Dochodzi do zniesienia aktywnego transportu przez błonę komórkową. Zahamowanie błonowej pompy jonowej
powoduje przeładowanie cytoplazmy jonami sodu i wapnia, co doprowadza do obrzęku komórki. Następuje perforacja błony komórkowej, a w konsekwencji liza całej
Adres do korespondencji: dr med. Michał R. Żebrowski
Klinika Kardiologii IMW AM w Łodzi, Szpital im. Wł. Biegańskiego
ul. Kniaziewicza 1/5, 91–347 Łódź, e-mail: [email protected]
Copyright „ 2001 Via Medica, ISSN 1425–3674
[email protected]
165
Forum Kardiologów 2001, tom 6, nr 4
komórki [2, 3]. Jest to proces gwałtowny, polegający niejako na mechanicznym rozerwaniu komórki. Uszkodzona w procesie nekrotycznym błona komórkowa (jeszcze
przed rozerwaniem) i antygeny wewnętrzne, które w
wyniku jej perforacji wydostały się na zewnątrz jako
„obce” dla układu immunologicznego, wywołują reakcję z jego strony. W otoczeniu zmiany nekrotycznej powstaje naciek zapalny z udziałem komórek żernych
uprzątających uszkodzoną tkankę.
W odróżnieniu od martwicy rozumianej jako proces
prowadzący do śmierci komórkowej z wywołaniem odczynu immunologicznego, śmierć komórek niepowodująca takiego odczynu jest określana mianem apoptozy.
O ile nekroza może obejmować większy obszar tkanki,
o tyle apoptoza dotyczy pojedynczych komórek. Komórka nie ulega gwałtownemu rozerwaniu, ale obkurcza się,
a jej cytoplazma zagęszcza się. Jądro rozpada się na kilka fragmentów. Dochodzi do zmiany w budowie błony
komórkowej bez jej perforacji. Następnie na zewnątrz komórki odrywają się ciałka apoptotyczne — niewielkie
fragmenty zagęszczonej cytoplazmy wraz z rozfragmentowaną chromatyną i nieuszkodzonymi organellami,
otoczone fragmentami błony komórkowej. Proces ten
nosi nazwę blebbingu [1, 3–5]. Ciałka apoptotyczne są
fagocytowane bądź wydalane do jam ciała i światła przewodów. Co istotne, w mechanizmie tym błona komórkowa nie zmienia swojej antygenowości, a antygeny wewnętrzne nie wchodzą w kontakt z układem immunologicznym.
Opisano wiele czynników wprowadzających komórkę na drogę apoptozy, będących niejako starterami uruchamiającymi proces zapisany w genomie komórki.
Wykazano, że niedokrwienie powodujące niedotlenienie komórki oraz następcza reperfuzja wywołują kaskadę prowadzącą do apoptozy poprzez zwiększenie
ekspresji genów proapoptotycznych i obniżenie ekspresji genów antyapoptotycznych, np. antyapoptotyczne
białka z rodziny genu bcl-2 chronią komórkę, mając
wpływ na wiele istotnych procesów w niej zachodzących:
kontrolują poziom jonów, stan procesów utleniania i redukcji, regulują wypływ z mitochondriów czynników
proapoptotycznych, takich jak cytochrom c. [6, 7].
Jednym z głównych czynników proapoptotycznych
jest gen p53. Pod jego kontrolą znajduje się opisany powyżej bcl-2, którego czynność jest „wyciszana” przez gen
p53. Uważa się, iż wywołuje on apoptozę szczególnie
wtedy, gdy uszkodzenie genomu komórki jest zbyt duże,
aby mogła nastąpić naprawa [8]. Podobne działanie wykazuje gen Bax, którego wzrost ekspresji jest wywoływany przez niedotlenienie [4, 8, 13], oraz geny z grupy Ced
(cell death) [9–16].
Jednym z poznanych pozakomórkowych sygnałów
apoptotycznych jest stymulacja cytokinowa. Spośród
166
mediatorów cytokinowych wydzielanych w niedokrwionym miokardium stosunkowo najlepiej poznano wpływ
TNF-a na rozwój apoptozy. Cytokina ta jest produkowana przez niedokrwione kardiomiocyty oraz gromadzące
się w strefie niedokrwienia makrofagi i granulocyty obojętnochłonne. Wpływa ona na wywoływanie apoptozy
kardiomiocytów i komórek śródbłonka. Wykazano, że
TNF-a poprzez nasilenie apoptozy może wpływać na wielkość obszaru miokardium objętego zawałem [17, 18].
Cytokiny wprowadzają komórkę na drogę apoptozy,
przekazując sygnał do jej wnętrza poprzez receptory
znajdujące się na powierzchni błony komórkowej. Jednym z najlepiej poznanych receptorów powierzchniowych biorących udział w mediacji sygnału apoptotycznego do wnętrza kardiomiocyta jest cząsteczka Fas (Apo-1/CD95), która jest przezbłonową glikoproteiną należącą do nadrodziny receptorów dla TNF. Nie występuje
ona na powierzchni komórek spoczynkowych, natomiast
jej ekspresja, warunkująca wystąpienie apoptozy, zachodzi w wyniku aktywacji komórki [19–21]. Innym receptorem apoptotycznym opisanym na powierzchni kardiomiocytów jest receptor A3 dla adenozyny. Aktywując
związane z białkiem G enzymy, rozpoczyna cykl reakcji
prowadzących do programowanej śmierci komórki [22].
Wydaje się, że nowe kierunki terapii mającej na celu
ograniczenie obszaru zawału serca powinny uwzględniać oba mechanizmy śmierci komórkowej.
Wyróżnia się dwa rodzaje śmierci komórkowej. Pierwszym jest przypadkowa śmierć komórki — nekroza;
drugim, programowana śmierć komórki — apoptoza.
Nekrozę charakteryzuje ubytek wewnątrzkomórkowego ATP oraz uszkodzenie organelli i błony komórkowej. Apoptoza jest zorganizowanym procesem
prowadzącym do śmierci komórki. Jej definicja jest
oparta na typowych cechach morfologicznych, jak
wewnątrzjądrowa degradacja DNA zachodząca dzięki selektywnie aktywowanym DNAzom. Morfologicznymi cechami charakteryzującymi apoptozę są marginacja chromatyny, kondensacja i fragmentacja jądra komórkowego, co ostatecznie prowadzi do rozpadu komórki na otoczone błoną komórkową ciałka
apoptotyczne, które następnie są fagocytowane
przez sąsiadujące komórki. W odróżnieniu od nekrozy
apoptoza może dotyczyć nie całych obszarów tkanki, a pojedynczych komórek. Proces ten nie angażuje odpowiedzi zapalnej.
Obydwa typy śmierci komórkowej mogą występować równocześnie. Określenie, który z nich jest dominujący, może mieć istotne znaczenie dla postępowania terapeutycznego.
Słowa kluczowe: zawał serca, martwica, apoptoza
[email protected]
Martwica i apoptoza w strefie zawału serca
PIŚMIENNICTWO
1. Groniowski J., Kruś S. Podstawy patomorfologii. PZWL,
Warszawa 1991.
2. Kruś S., Skrzypek-Fakhoury E. Patomorfologia kliniczna.
PZWL, Warszawa 1996.
3. Sulejczak D. Apoptoza i metody jej identyfikacji. Post. Biol.
Kom. 2000; 4: 527–568.
4. Saraste A., Pulkki K. Morphologic and biochemical hallmarks
of apoptosis. Cardiovasc. Res. 2000; 45: 528–537.
5. Saraste A. Morphologic criteria and detection of apoptosis. Herz 1999; 24: 189–195.
6. Di Napoli P., Taccardi A.A., Vianale G., Soccio M., Gallina S.
i wsp. Systolic left ventricular wall stress modulates cardiomyocyte apoptosis in patients with severe dilated cardiomyopathy. Eur. Heart J. 2000; 21 (supl.): 366.
7. Jung F., Weiland U., Zeiher A.M., Dimmeler S. Chronic hypoxia induces apoptosis in cardiac myocytes: a possible role
for the apoptotic markers Bcl-2 and Bax. Eur. Heart J. 1999;
20 (supl.): 248.
8. Wang T.D., Chen W.J., Su S.S.Y., Cheng H.J., Su Y.P. i wsp.
Increased cardiomyocyte apoptosis following ischaemia
and reperfusion in experimental hypercholesterolaemia:
relation to overexpression of pro-apoptotic p53 and Bax
proteins. Eur. Heart J. 2000 (supl. 21): 602 (streszczenie).
9. Kang PM., Haunstetter A., Aoki H., Usheva A., Izumo S.
Morphological and molecular characterization of adult
cardiomyocyte apoptosis during hypoxia and reoxygenation. Circ. Res. 2000; 87: 118–125.
10. Okamura T., Miura T., Takemura G. Effect of caspase inhibitors on myocardial infarct size and myocyte DNA fragmentation in the ischemia-reperfused rat heart. Cardiovasc. Res.
2000; 45: 642–650.
11. Sabbah H.N., Gupta R.C., Sharov V.G., Mishra S., Todor A. i
wsp. Endonuclease activity and caspase-3 expression are
reduced in myocardium of dogs with heart failure following
chronic therapy with metoprolol. Eur. Heart J. 2000; 21
(supl.): 294.
12. Scarabelli T.M., Stephanou A., Brar B.K., Rayment N.B., Cooper T.J. i wsp. Processing of procaspase 9 and 3 during
[email protected]
ischaemic injury to cardiac myocytes. Eur. Heart J. 2000; 21
(supl.): 475.
13. Sharov V.G., Todor A., Gupta R.C., Mishra S., Silverman N.
i wsp. Exposure to hypoxia triggers increased expression of
c-jun and activation of caspase-3 in cardiomyocytes isolated from explanted failed human hearts of ischaemic etiology. Eur. Heart J. 2000; 21 (supl.): 294.
14. Stephanou A., Brar B.K., Scarabellli T., Knight R.A., Latchman D.S. Ischaemia-induced Stat-1 expression modulates
apoptosis in cardiac cell. Eur. Heart J. 1999; 20 (supl.): 160.
15. Wang J., Zhen L., Klug M.G., Wood D., Wu X. Involvement
of caspase 3- and 8-like proteases in ceramide-induced
apoptosis of cardiomyocytes. J. Card. Fail. 2000; 6: 243–249.
16. Yaoita H., Ogawa K., Maehara K., Maruyama Y. Apoptosis
in relevant clinical situations: contribution of apoptosis in
myocardial infarction. Cardiovasc. Res. 2000; 45: 630–641.
17. Hirschl M., Gwechemberger M., Binder T. Assessment of
myocardial injury by serum tumour necrosis factor alpha
measurements in acute myocardial infarction. Eur. Heart J.
1996; 17: 1852–1859.
18. Krown K., Page M.T., Nguyen C. Tumour necrosis factor
alpha — induced apoptosis in cardiac myocytes. Involvement of the sphingolipid signaling cascade in cardiac cell
death. J. Clin. Invest. 1996; 98: 2854–2865.
19. Jeremias I., Kupatt C., Martin-Villalba A. Involvement of
CD95/Apo1/Fas in cell death after myocardial ischemia. Circ.
2000; 102: 915–920.
20. Petrovic D., Zorc-Pleskovic R., Zorc M. Apoptosis and proliferation of cardiomyocytes in heart failure of different etiologies. Cardiovasc. Pathol. 2000; 9: 149–152.
21. Wollert K.C., Heineke J., Westermann J. The cardiac Fas
(APO-1/CD95) Receptor/Fas ligand system: relation to diastolic wall stress in volume-overload hypertrophy in vivo and
activation of the transcription factor AP-1 in cardiac myocytes. Circ. 2000; 101: 1172–1178.
22. Shneyvays V., Jacobson K.A., Li A.H. Induction of apoptosis
in rat cardiocytes by A3 adenosine receptor activation and
its suppression by isoproterenol. Exp. Cell. Res. 2000; 25,
257: 111–126.
167