Интегральные механизмы гибели и повреждения клетки

Мы обсудили механизмы и последствия повреждения некоторых частей программного и исполнительного аппарата клетки. Перейдем теперь к интегральному рассмотрению процесса повреждения клетки. И здесь, прежде всего, надо договориться о терминах, связанных с описанием этого процесса.

Согласно точке зрения, принятой большинством современных патофизиологов, функционирование живых клеток представляет собой реализацию определенных генетических программ применительно к ограничивающим условиям, связанным с влиянием внешней среды и микроокружения. В многоклеточном организме этот процесс контролируется различными местными и системными биорегуляторами. Интактная клетка находится в неком стабильно-динамическом состоянии гомеореза, поддерживая оптимальный метаболический уровень, соответствующий текущим требованиям среды.

При стимуляции различными сигналами клетка может перейти на новый уро­вень интенсивности своего функционирования, не снижая своей жизнеспособности. При этом ее функциональные резервы уменьшаются, но остаются достаточно существенными. Интенсивность метаболизма и функционирования клеточных структур увеличивается. Если это не сопровождается ограничением поставки или относительной нехваткой необходимых метаболитов, то гомеорез сохраняется на новом стабильно-динамическом уровне и повреждений не возникает. В общем виде такой ответ может быть назван клеточной адаптацией. Включаются новые программы и происходит учащенное считывание старых. Это приводит к увеличению синтеза и сборки органоидов. Результатом является увеличение размера клетки и числа функционирующих структур в ней – то есть адаптация в форме гипертрофии. Примером может служить увеличение массы миокарда и диаметра кардиомиоцитов при гиперфункции сердца, сопровождаемое внутриклеточным увеличением числа миофибрилл, митохондрий и других исполнительных элементов, полиплоидизация клеточных ядер.

В ряде случаев управляющий сигнал позволяет клетке включить программу деления, и происходит адаптация в форме пролиферации клеток с увеличением их числа – гиперплазия.Так, при дефиците йода и пониженном синтезе гормонов щитовидной железы тиреотропный гормон гипофиза, секретируемый в ответ на гипотиреоз, симулирует пролиферацию тиреоцитов и развитие зоба. Если адаптационные возможности недостаточны или, если применяемые для адаптации и защиты программы вследствие своего несовершенства сами порождают вторичные нарушения, следует повреждение клетки Судьба клетки, претерпевающей повреждение, может быть различной.

Процессы, предшествующие гибели клетки и представляющие собой начальные, обратимые стадии ее повреждения именуются паранекрозом. Паранекроз рассматривают как начальный этап повреждения клетки. Некоторые изменения, свойственные паранекрозу, например, повышение сорбционных свойств цитоплазмы, отмечаются и при адаптации клеток к действию физиологических раздражителей.

Понятие «паранекроз» введено в цитопатологию в 1940 году. Авторы указывали на ряд неспецифических признаков паранекроза, включая внутриклеточный ацидоз, исчезновение гранул гликогена, набухание клеток и потерю ими калия и фосфатов, усиленную люминесценцию клеточных ядер, диффузное распределение суправитальных красителей в цитоплазме и ядре. По современным представлениям, последний признак отражает повышение проницаемости лизосомальной мембраны и вряд ли может во всех случаях трактоваться как ранний. Тем не менее, положения о паранекрозе как обратимой ранней стадии более длительного и глубокого процесса клеточного повреждения сохраняют свою значимость и поныне. Иногда паранекроз характеризуют как «преднекроз». Глубокая, частично необратимая стадия повреждения клетки, непосредственно предшествующая моменту ее смерти, именуется некробиозом. Некробиоз иногда отождествляется с собственно процессом гибели клетки. По И.В.Давыдовскому, некробиоз – это процесс отмирания клеток.

Некробиоз, по сути, острый процесс. Для обозначения затяжного течения некробиоза, которое наблюдается в клетках, относительно устойчивых к гипоксии, применяется предложенный Хюбнером термин «патобиоз». Примером патобиоза могут служить изменения тканей при индуративном отеке и при «траншейной стопе». По цитологическим критериям клетку принято считать погибшей, если в ней отмечены конденсация ядра (кариопикноз) с последующим его растворением (кариолизис) или распадом на конденсированные глыбки (кариорексис). Указанные изменения ядра не всегда стадийны, и могут быть альтернативны. По биохимическим критериям клетка считается погибшей с момента полного прекращения производства свободной энергии. Посмертные изменения необратимого характера, заключающиеся в постепенном ферментативном разрушении клетки и денатурации ее белков, называются некрозом. Некроз, впервые описанный Р.Вирховом в 1859 г, это результат процесса умирания, деструкция клетки после полного прекращения ее жизнедеятельности. Соотношение понятий некробиоз и некроз может быть демонстративно показано на примере огнестрельных ран. В военно-полевой хирургии принято различать вокруг раневого канала зону первичного некроза – умершие к моменту первичной хирургической обработки ткани, подлежащие иссечению, а также более обширную и локализованную периферийнее «зону молекулярного сотрясения», клеточные элементы которой, по существу, находятся в некробиозе и жизнеспособны, но впоследствии могут частично формировать очаги вторичного некроза, если некробиотический процесс прошел точку необратимости. Ю.А.Владимиров употребляет термин «некроз» как синоним «гибели клеток или такого их повреждения, которое в условиях организма необратимо». Это расходится с трактовкой некроза как посмертных изменений, принятой в большинстве руководств, и при таком подходе понятие некробиоза «повисает в воздухе». Поэтому используется термин некробиоз только по отношению к надклеточным системам для обозначения жизни органа, в котором «часть клеток погибла окончательно, а другие продолжают функционировать».

Некоторые вещества, известные в гистологии как фиксаторы, блокируют ферменты, участвующие в реализации некроза и обезвоживают клетку. Это препятствует некротической деструкции и делает клетки мертвыми, но лишенными морфологической картины некроза. Подобные изменения наблюдаются не только при консервации тканей в лаборатории, но и, частично, при естественной мумификации. Символично, что древние египтяне, стараясь остановить умирание, нашли средства, тормозящие посмертный некроз. Но консервация не есть бессмертие, так как некроз это процесс, относящийся к морфологическим изменениям, регистрируемым после гибели клетки, а не механизм самой гибели.

Выделяют две основные разновидности некроза – коагуляционный и колликвационный. При коагуляционном или сухом некрозе в клетке развивается выраженный ацидоз и идет коагуляция белков и выраженное накопление кальция с агрегацией элементов цитоскелета. Очаги такого некроза легко кальцифицируются. Ядро удаляется, а протеолиз блокируется или носит ограниченный характер, касаясь предшественников воспалительных медиаторов, вокруг возникает воспаление с выраженным отложением фибрина и фибриноидным набуханием межклеточного вещества. Данный тип некроза – самый частый. Он провоцируется тяжелой гипоксией в клетках миокарда при инфаркте, моделируется при действии концентрированной кислоты и высокой температуры на ткани. Считается, что этот тип некроза характерен для богатых белком и кальцием тканей и предусматривает ранние и серьезные повреждения митохондрий. Разновидность бактериального некроза с преобладанием коагуляции носит название сухой гангрены.

При колликвационном некрозе доминируют гидролитические процессы лизосомального аутолиза или гетеролиза при участии фагоцитов. Ткань размягчается, процессы коагуляции и фибринообразования менее выражены, отмечается значительное накопление активных гидроксильных радикалов и эндогенное омыление клеток, разрушающее мембраны. Не исключено, что данный тип некроза сопровождается менее значительным избытком кальция в клетках. Он отмечается в ткани мозга при инсульте, в тканях, богатых липидами, где может принимать характер жирового некроза (как при травме жировой клетчатки или панкреатогенном перитоните). Колликвационный некроз моделируется действием сильных щелочей, его элементы отмечаются при обморожениях. Бактериальные очаги некроза также часто дают колликвационную картину, так как лейкоциты вызывают выраженные цитолитические процессы. Очаги колликвационного некроза являются основой для формирования кист и пустот. Разновидностью бактериального некроза с преобладанием колликвационного процесса является влажная гангрена.

Границы этих типов некроза не абсолютны, так как их механизмы, во многом, общие. Творожистый (казеозный) некроз при туберкулезе некоторые авторы считают комбинацией обоих типов некроза. Колликвационный элемент, по мнению Роббинса, вносится из-за богатства турберкулезных бугорков гидролазами лейкоцитов и липидами микобактерий. Как колликвационный процесс, казеоз может закончиться формированием каверн. Однако классическая точка зрения относит казеоз к коагуляционному некрозу из-за плотного характера детрита и тенденции к кальцификации (И.В.Давыдовский). Казеозный некроз, как и близкий к нему гуммозный тип некроза, характерны для центральной части гранулём, обусловленных хроническим продуктивным воспалением в ходе гиперергигеских реакций замедленного типа (туберкулез, лепра, гистоплазмоз, кокцидиоз, сифилис). В центре гранулём происходит как аутолиз и гетеролиз клеток, так и отложение коагулятов и белковых депозитов, например иммунных комплексов, что придает казеозу его двойственную специфику.

Некробиоз с последующим некрозом – не единственный путь, приводящий к разрушению клеток в живом организме. Рассматривая проблему клеточной гибели, можно использовать судебно-медицинскую терминологию, в частности, понятия естественной и насильственной смерти. Все случаи клеточной гибели могут быть отнесены к одной из двух основных категорий, обозначаемых как насильственная и естественная (программируемая) клеточная гибель.

Насильственная гибель возникаеткак следствие лишения клеток источников питания и кислорода или необратимого подавления важнейших метаболических путей химическими и физическими факторами. Многообразие патогенных факторов, провоцирующих паранекроз и некробиоз, кажется безграничным. Неоценимое значение имеет тот факт, что вне зависимости от природы повреждающего фактора молекулярно-клеточные изменения, обнаруживаемые при гибели, в значительной степени стандартны. Убийственные для клеток факторы поддаются классификации и, на наш взгляд, принципиально важно различать гипоксическое повреждение клетки, механизм которого запускается любыми воздействиями, вызывающими более или менее продолжительное кислородное голодание и свободно-радикальное повреждение клетки, при котором она может подвергаться разрушению без первичной гипоксии, иногда даже в условиях избытка кислорода.

Указанные механизмы могут комбинироваться и взаимопроникать – так, например, реперфузия или восстановление кровоснабжения ишемизированного участка миокарда сопровождается продукцией активных кислородных радикалов в поврежденных на стадии ишемической гипоксии митохондриях. Эти радикалы вызывают деструкцию клеточных мембран и вносят вклад в некробиотические процессы, спровоцированные гипоксией.

При остром отравлении кислородом основным механизмом повреждения считается действие активных кислородных радикалов на мембраны. Однако в финальной стадии повреждения деструкция митохондрий приводит к невозможности утилизировать кислород и развитию сопутствующей глубокой тканевой гипоксии. Хотя между двумя основными паттернами насильственной гибели клетки нет никакой строго разделяющей «китайской стены», во многих случаях тот или иной механизм резко преобладает. Так, повреждение гепатоцитов четыреххлористым углеродом имеет, по преимуществу, свободно-радикальный механизм, а их некроз при шоковой печени – гипоксический.

При аутоиммунных процессах в организме насильственная гибель клеток может происходить и по механизму аутофагоцитоза с последующим гетеролизом клеток-мишеней внутри фагоцитов.

Физиологическая (программируемая) гибель интактной клетки имеет более сложную природу, чем смерть в результате дезинтеграции, так как она реализуется, по-видимому, путем индукции генной активности и синтеза специфических белков (факторов), способных выступать в качестве триггеров клеточной гибели.

МЕХАНИЗМЫ ГИПОКСИЧЕСКОГО НЕКРОБИОЗА

Не будет преувеличением отметить, что самый частый и распространенный типовой патологический процесс – это гипоксия. В самом деле, если смерть организма, по определению, является стойким прекращением спонтанного кровообращения и дыхания, значит, в конце любой смертельной болезни наступает независимо от ее причин острая гипоксия.

Стресс как механизм неспецифической адаптации увеличивает выживаемость при действии самых разных причин – от механической травмы до облучения и снижает неспецифический риск острой гибели, каковы бы ни были ее причины. Откуда такой универсализм этого защитного процесса и на каких метаболических изменениях он основан? Внимательно рассматривая гормонально-метаболические сдвиги в фазу адаптации при стрессе, мы приходим к выводу, что данный процесс увеличивает транспорт кислорода и глюкозы в жизненно важные инсулинонезависимые ткани и органы. Это означает, что стресс защищает от крайне широкого круга патогенных факторов путем защиты от острой гипоксии. Но это было бы невозможно, не будь последняя обязательным компонентом действия любого из этих патогенных факторов. Широкое применение глюкокортикоидов при лечении экстремальных состояний тоже обусловлено именно их антигипоксическим действием, хотя клиническая литература нередко избегает столь прямой характеристики и маскирует ее под традиционными эвфемизмами: дезинтоксикация, стабилизация мембран, повышение неспецифической резистентности. Трудно себе вообразить что-нибудь более неспецифическое в мире патологических процессов, чем острое кислородное голодание.

Авторы берут на себя ответственность за рискованное утверждение, что острая гипоксия присутствует чуть ли не при любом другом патологическом процессе, многих повреждениях клетки и, практически, при самом широком круге болезней (хотя бы для каких-то органов или клеток, и, если не в начале и не в середине процесса, то в конце-то уж точно).

Споря с этой точкой зрения, читатель может прибегнуть к парадоксальному вопросу – а как же смерть от избытка кислорода? И будет прав, в том смысле, что свободно-радикальное поражение клетки действительно отличается рядом особенностей (почему и рассматривается ниже отдельно). Однако, как уже указывалось ранее, деструкция клетки свободными кислородными радикалами при гипероксии все равно предусматривает на определенном этапе нарушение ими структуры и функции митохондрий и тканевую гипоксию на фоне гипероксии.

Значение острой гипоксии для повреждения клетки усиливается тем фактом, что любой из ее многочисленных видов (коих, по классификации И.Р.Петрова и С.Н.Ефуни, имеется ровно 8: гипоксическая, дыхательная, гемическая, циркуляторная, гипероксическая, гипербарическая, тканевая, смешанная) при длительном существовании имеет тенденцию переходить в тканевую. Понятие «смешанная гипоксия» чаще всего расшифровывается как смешанная с тканевой. Дело в том, что само длительное отсутствие кислорода нарушает работу митохондрий и делает их неспособными к тканевому дыханию.

Рассмотрим типовые особенности некробиоза при острой гипоксии клетки. На начальном этапе при кислородном голодании любой этиологии в митохондриях снижается скорость аэробного окисления и окислительного фосфорилирования. Это ведет к понижению количества АТФ и возрастанию содержания аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинмонофосфата (АМФ). Уменьшается коэффициент АТФ/АДФ+АМФ. Снижаются функциональные возможности клетки, например, сократимость кардиомиоцитов, но для клетки это еще не смертельно. При низком соотношении АТФ/АДФ+АМФ активируется фермент фосфофруктокиназа (ФФК). Это позволяет резко увеличить пропускную способность реакций анаэробного гликолиза. Клетка расходует гликоген, обеспечивая себя энергией за счет бескислородного распада глюкозы. Происходит адаптация к гипоксии и поставка энергии стабилизируется. Однако это сопровождается истощением запасов гликогена в клетке. Морфологически на этой стадии процесса в клетках отмечается исчезновение гликогеновых гранул, и цитоплазма перестает прокрашиваться реактивом Шиффа – периодной кислотой.

На системном уровне в организме гипоксия провоцирует стресс, и гормоны стресса – катехоламины и глюкокортикоиды – усиливают гликолиз, гликогенолиз, глюконеогенез и транспорт экзогенной глюкозы в наиболее жизненно важные органы и ткани. Цена данной адаптации высока не только вследствие меньшей энергетической эффективности анаэробного пути (35%), по сравнению с аэробным (45%). Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Если кислород доступен, то лактат можно окислить до конца. Острая гипоксия создает условия, когда содержание лактата и свободного фосфата в клетках (и в крови) значительно возрастает. Это вызывает в клетке ацидоз, и рН цитоплазмы понижается. Считается, что ацидоз, сам по себе, не разрушает клеточных мембран. Более того, его можно рассматривать в качестве защитной реакции клетки, т.к. снижение рН оказывает стабилизирующее действие на клеточные мембраны.

Однако прогрессирующий ацидоз внутриклеточной среды может вызвать денатурацию некоторых белков и формирование в цитоплазме зерен, что, как считается, проявляется в появлении при гипоксии помутнения цитоплазмы (ср. термины «мутное набухание», «зернистая дистрофия», применяемые в патологической анатомии для обозначения начальных степеней острой гипоксии органа). Изменение внутриклеточного рН, по-видимому, лежит также в основе образования хроматиновых глыбок, формирование которых происходит достаточно быстро и легко обратимо. Усиленное освобождение лактата при гипоксии дает метаболический лактоацидоз. Но наиболее фундаментальное значение для клетки имеет влияние ацидоза на ФФК. В зрелых клетках ФФК – кислотоугнетаемый фермент. Это лимитирует адаптацию: гипоксия усиливает гликолиз, гликолиз порождает ацидоз, ацидоз тормозит гликолиз! В этой стадии гипоксии в клетке формируется настоящий дефицит АТФ, поскольку аэробный механизм не работает из-за кислородного дефицита, а анаэробный – из-за ацидоза.

В незрелых клетках ФФК представлена иными изоферментами, которые куда менее чувствительны к ацидотическому ингибированию. Именно это лежит в основе повышенной устойчивости эмбриональных и фетальных тканей к острой гипоксии и обусловливает большую выживаемость маленьких детей по сравнению с взрослыми при экстремальных состояниях, сопровождаемых острым кислородным голоданием. Известны многочисленные случаи из акушерской практики, когда роженица погибает от гипоксии, а плод остается жив. Показано, что срок клинической смерти у детей больше, чем у взрослых.

Так или иначе, но при значительном дефиците АТФ процессы клеточного повреждения углубляются. Наибольшие проблемы возникают у главных клеточных потребителей энергии — градиентсоздающих и сократительных систем клетки. Как уже неоднократно упоминалось выше, наиболее энергоемким ферментом в клетках является калий-натриевая АТФ-аза. Дефицит энергии не дает этому ферменту нормально работать, и результат выражается в утрате нормального калий-натриевого градиента. Это порождает несколько последствий. Клетки теряют ионы калия, а вне клеток возникает его избыток. Выходом калия из клеток отчасти обусловлена гиперкалиемия, наблюдаемая при многих экстремальных гипоксических состояниях, например, при шоке.

Утрата калий-натриевого градиента для клетки означает уменьшение потенциала покоя. Вследствие этого положительный поверхностный заряд, свойственный нормальным клеткам, уменьшается и может меняться на отрицательный. Приобретая отрицательный поверхностный заряд, многие клетки, например форменные элементы крови, делаются менее устойчивы к агрегации и адгезии. На тканевом уровне это способствует таким процессам, как сладж эритроцитов, формирование белых тромбов и краевое стояние лейкоцитоз, развивающимся в очаге повреждения.

Частичная утрата потенциала покоя делает клетки менее возбудимыми. Это способно нарушить коммуникацию между ними, что и происходит при глубокой гипоксии. Так, например, при глубокой тканевой гипоксии клеток головного мозга, чем бы она ни была вызвана (барбитуровым отравлением, судорогами, кетоацидозом, уремией, рассмотренной выше гипераммониемией, гиперосмолярным состоянием, ишемией, механической травмой и т.д.), развивается глубокое торможение нейронов. Внешне оно проявляется синдромом комы с потерей сознания и утратой рефлексов, вплоть до отсутствия ряда базальных рефлексов. Патогенетическая суть этого процесса – утрата калий-натриевой разности потенциалов и, следовательно, возбудимости нейронов. Именно из-за своей гипоксической сути комы разной этиологии так схожи по клиническим проявлениям.

Важнейшим из прямых последствий повреждения калий-натриевого насоса является проникновение избытка натрия в клетку. Из-за осмотической активности натрия возникает гипергидратация клеток. На этой стадии картина прогрессирующей гипоксии характеризуется морфологически как «мутное набухание» или при дальнейшем образовании вакуолей «баллонная дистрофия».

Хотелось бы подчеркнуть, что употребляемый иногда термин «клеточный отек» не вполне строг с обще патологической точки зрения. Отеком в патофизиологии называется лишь внеклеточный избыток жидкости и натрия. Для описываемого типового проявления клеточной гипоксии применяется название «набухание клетки». Образная характеристика этого процесса как клеточного отека, вероятно, восходит к незабываемой исторической последней фразе умирающего И.П.Павлова. Великий ученый, по свидетельству современников, умер, мужественно наблюдая за развитием гипоксии собственного мозга со словами: «Это отек... это отек коры!».

Одним из проявлений набухания клетки служит расширение цистерн эндоплазматического ретикулума. Возможно, в развитие внутриклеточной гипергидратации известный вклад вносит и накопление осмотически активных продуктов разрушения и усиленного катаболизма полимерных клеточных молекул, но это, скорее, относится к более глубоким стадиям баллонной дистрофии.

Дефицит энергии при клеточной гипоксии расстраивает работу цитоскелета. Нарушаются процессы сборки микротрубочек, что отражается на форме клеточной поверхности. Клетки могут терять микроворсинки или наоборот, развивать поверхностные выступы-вздутия. Слабость цитоскелета может способствовать дезинтеграции некоторых надмолекулярных комплексов в клетке. Так, происхо­дит отсоединение рибосом от мембран ШЭР и насыщение цитоплазмы утратившими свой адресный маршрут белковыми молекулами. Белковые молекулы денатурируют. Происходит, в частности, разборка липопротеидных частиц и уменьшается их растворимость. Мембраны могут формировать миелиновые фигуры, а денатурация и сшивка элементов цитоскелета – промежуточных филаментов – способна вызвать внутриклеточный гиалиноз. Процессы денатурации, декомпозиции и коагуляции придают набуханию «мутный» вид. Таким образом, мы рассмотрели патофизиологические механизмы обоих компонентов понятия «мутное набухание».

Внутриклеточная гипергидратация служит наиболее частым и типичным, но не единственным сценарием обратимой стадии некробиоза. При гипоксии некоторых клеток, которым свойственны активные процессы липолиза и липогенеза, ранние стадии некробиоза сопровождаются накоплением липидов, особенно, нейтральных жиров, в клетках. Этот процесс носит название жировой трансформации. В отличие от жирового перерождения, при котором в строме органа появляются истинные адипоциты, жировая трансформация сопровождается накоплением жировых вакуолей в цитоплазме паренхиматозных нежировых клеток.

В миокарде данный тип некробиоза происходит при нарушении митохондриальной утилизации жирных кислот. Типичным примером служит упоминавшийся выше дифтерийный миокардит, при котором экзотоксин бациллы Леффлера блокирует кофактор митохондриального окисления жирных кислот – карнитин. Подобные изменения могут происходить в миокарде и при глубокой гипоксии (например, перифокально по отношению к очагам некроза), а также при некоторых гликогенозах и т.д., то есть являются неспецифическими.

Жировая трансформация гепатоцитов также может быть вызвана многими механизмами: сниженным синтезом апопротеинов (при отравлении четыреххлористым углеродом и квашиоркоре), нарушением экскреции липопротеидов очень низкой плотности (при недостатке липотропных веществ и избытке ниацина и оротовой кислоты), усиленным притоком жирных кислот в печень (при голодании), увеличением синтеза и ускорением этерификации жирных кислот и замедлением их распада (при алиментарном ожирении), а также комбинацией этих факторов. Ведущая причина, приводящая к повреждению гепатоцитов по типу жировой трансформации – алкоголизм. Шведские авторы в опытах на добровольцах показали, что ежесуточный прием 400-500 грамм 40% алкоголя за 21 день ведет к возникновению обязательной выраженной жировой трансформации печени. Механизм этого явления комбинированный – имеет место и усиление транспорта жира в печень, и возрастание этерификации жирных кислот за счет избытка глицерофосфата, и сниженное окисление жирных кислот, и нарушение экскреции липопротеидов.

Принципиально важно, что этот процесс ныне трактуется не как «дистрофия», а как вариант течения некробиоза, относительно благоприятный для клетки, так как даже далеко зашедшая жировая трансформация полностью обратима. Если отложение жирных кислот сопровождается накоплением натрия и кальция, то происходящий эффект омыления может разрушать мембранные структуры клетки и приводить к некрозу. Некротизируются, формируя жировые кисты, также и клетки, накопившие очень много жировых вакуолей, и претерпевшие процессы разрыва и слияния. Поэтому, при всей своей относительной благоприятности, жировая трансформация тоже гипоксемический процесс и может иметь некроз своим исходом. Не случайно, зачастую некроз и стеатоз наблюдаются в печени совместно.

Рассматривая механизмы гипоксического некробиоза, патологи пришли к мнению о ключевой роли избытка ионизированного внутриклеточного кальция в этом процессе, особенно, на его глубоких стадиях. Кальций в данном случае выступает не просто как электролит, а как мощный модулятор клеточных функций, избыток которого токсичен для клетки. Внутриклеточная концентрация кальция поддерживается на уровне 10^-7 М, что в 10000 раз меньше, чем в межклеточной жидкости. При функционировании здоровых клеток прием внешних химических или электрических сигналов сопровождается кратковременным повышением внутриклеточной концентрации кальция, что необходимо для ответа на стимул. Кальций проникает внутрь через потенциал-зависимые входные кальциевые каналы. Кроме того, раздражение кальций-мобилизующих рецепторов ведет к активации фосфолипазы С и продукции липидных внутриклеточных посредников – диацилглицерина и инозитолтрифосфата.

Последний взаимодействует с мембранами кальцисом и вызывает выход депонированного там кальция в цитоплазму. Эти явления описываются как функция рецепторзависимых кальциевых каналов. Цитоплазматический кальций переходит в активную форму путем взаимодействия со своим белковым внутриклеточным рецептором – кальмодулином. Комплекс кальций-кальмодулин активирует кальмодулинзависимые протеинкиназы, которые вместе с протеинкиназой С активизируемой диацилглицерином, осуществляют включение тех или иных клеточных ферментов. Характерно, что сами кальций-зависимые посредники, в частности, кальмодулин, усиливают при накоплении внутриклеточного кальция работу уравновешивающих механизмов.

Мощные механизмы инактивации цитоплазматического кальция (АТФ-зависимый кальциевый насос, натрий-кальциевый обменный механизм) быстро стабилизируют при ответе на внешние раздражения его уровень, выбрасывая этот катион из клетки, связывая и секвестрируя его в кальцисомах и митохондриях. Один из классических вопросов, поставленных еще в ранний период развития учения о повреждении клетки – это вопрос о грани между реактивным раздражением и повреждением. Где для клетки, подвергнутой внешнему воздействию, кончается одно и начинается другое? Пытаясь найти ответ, и чувствуя общее между этими процессами, И.М.Сеченов писал о «повреждающем раздражении», а Д.Н.Насонов и В.Я.Александров даже предположили, что процессы физиологического возбуждения представляют собой прообраз изменений, вызванных повреждением ткани. Согласно современным патохимическим данным, важное отличие между ответом клетки на раздражение и повреждением заключается в том, что при реактивном раздражении стабилизация уровня кальция возможна, а при повреждении емкость стабилизирующих механизмов недостаточна, и концентрация внутриклеточного кальция продолжает расти и сохраняется повышенной долго.

Увеличение внутриклеточной концентрации кальция вначале обусловлено нехваткой энергии для работы кальций-магниевого насоса. Затем, при углублении гипоксии, кальций попадает в клетку не только через входные кальциевые каналы наружной мембраны, но и, особенно, массивным потоком – из его внутриклеточных резервуаров – митохондрий и цистерн гладкого ЭПР, а также через поврежденные клеточные мембраны. Это приводит к критическому нарастанию его концентрации.

Показательно, что яд тапсигарджин, высвобождающий кальций из ЭПР в цитоплазму, индуцирует гибель клеток (путем апоптоза), а протоонкоген bcl-2, защищающий клетку от гибели, кодирует онкобелок, присущий цитозольной стороне мембраны ЭПР, комплексу ядерных пор и митохондриям, который удерживает кальций внутри ЭПР и перинуклеарного пространства. Блокаторы входных кальциевых каналов, а также перфторуглеродные эмульсии тормозят накопление кальция в цитоплазме поврежденных клеток и таким способом продлевают выживание клеток в условиях гипоксии.

Избыток кальция активирует ядерные эндонуклеазы, фрагментирующие ДНК в межнуклеосомных участках. Это является важным элементом апоптоза, придающим процессу запрограммированной гибели клеток необратимость. Ионы цинка служат антагонистом кальция и блокируют этот фермент, оказывая цитопротекторный эффект. При избытке кальция нарушается синтез АТФ и усиливается продукция активных кислородных радикалов в митохондриях: При высоком уровне кальция в клетке активируется нейтральные протеазы – кальпаины. Активность кальпаинов, до известной степени, может сдерживаться их блокаторами кальпстатинами, запас которых небезграничен. Длительный избыток кальция в цитоплазме ведет к прогрессирующему цитоплазматическому протеолизу. Кальпаины способны разрушать цитоскелет, в частности, его белки фодрин и b-актин, что ведет к формированию поверхностных выступов на мембране гибнущей клетки. Кальпаины нарушают передачу информации в клетке, лизируя рецепторы и протеинкиназу С.

Участие кальция в активации внеклеточного каскадного протеолиза хорошо известно и убедительно показано на примере сторожевой полисистемы плазмы крови. Вокруг гибнущих клеток при гипоксическом некробиозе происходит кальцийзависимая активация системы фибрина, комплемента, фибринолиза и киников. Не исключено, что и внутриклеточные каскадные протеолитические системы, такие как система ICE и гранзим В, известные своим участием в механизмах апоптоза и некроза, могут активироваться избытком кальция.

Кальцийзависимый фермент трансглутаминаза может при избытке кальция осуществить сшивку белков цитозоля, что способствует формированию апоптотических телец и механизмам коагуляционного некроза, а также, вероятно, формированию внутриклеточного гиалина.

Активация кальцием мембранных фосфолипаз способствует дезинтеграции клеточных мембран и выработке липидных медиаторов воспаления – производных арахидоновой кислоты. Этот механизм вносит вклад в развитие перифокального воспаления в очаге некробиоза.

При необратимом повреждении клетки митохондрии захватывают значительные количества кальция, это приводит к инактивации их ферментов, денатурации белков, стойкой утрате способности к продукции АТФ даже при восстановлении притока кислорода, образованию в этих органоидах аморфных электронноплотных хлопьев. Наряду с набуханием митохондрий, обусловленным проникновением в них калия, фосфата и воды и рассмотренным выше, эти процессы делают гипоксию тканевой. Такая стадия некробиоза уже не может быть обращена путем простого восстановления притока кислорода или при реперфузии.

Глубоко поврежденные митохондрии перестают быть акцепторами кислорода и субстратов. Из-за неспособности митохондрий окислять жирные кислоты их ацилы остаются в цитоплазме, где и формируют эндогенные мыла с натрием и кальцием. Омыление приводит к возрастанию детергентной активности цитозоля, который, в буквальном смысле, растворяет липидные мембраны. Эндогенный детергентный эффект замыкает цепь фатальных событий, ведущих к «точке необратимости» некробиоза. Мыла разрушают мембраны органоидов, и на клетку обрушивается удар гидролаз, активных радикалов и других метаболитов, изолированных до этого момента в различных отсеках клетки. С этого момента, по-видимому, можно считать клетку мертвой, а процесс некротического аутолиза – начатым.

Таким образом, длительное повышение цитоплазматической концентрации активного кальция – это центральное звено клеточной гибели. Из-за этого нарушения запускаются несколько перечисленных выше патогенных механизмов, актуальных для гипоксемического и свободнорадикального некробиоза, а также апоптоза. Митохондрии погибших клеток продолжают быть кальциевыми ловушками и нередко становятся первичными центрами формирующегося кальциноза. Дистрофическая кальцификация происходит на месте некроза при нормальном уровне кальция в плазме.

Дата добавления: 2015-07-20