細胞凋亡的病理形態(tài)學研究

細胞凋亡的病理形態(tài)學研究

細胞死亡是一個過程，“積極參與細胞自殺”。它是1965年Kerr等人在研究肝臟的供血與肝組織結構時發(fā)現(xiàn)的。Kerr等人首先結扎大鼠肝門脈左側支,隨即肝左葉出現(xiàn)大片缺血性壞死,并逐漸被吸收。14天以后,肝的左葉仍見有部分肝細胞發(fā)生壞死,肝臟體積變小,一直到與肝細胞的供血水平相適應為止。經(jīng)細致的觀察,他們驚奇地發(fā)現(xiàn)此時的肝細胞死亡與缺血性壞死不大相同,未發(fā)現(xiàn)細胞壞死時的腫脹和溶解卻見到細胞逐漸變小、變圓,細胞膜皺縮,并逐漸凹陷。染色質變的致密,最后形成一個個小碎片,并都被細胞膜包裹。另一個重要的特點就是在肝細胞“壞死”區(qū)始終沒有發(fā)現(xiàn)炎性細胞浸潤。因此,Kerr等人認為這是一種特殊的細胞死亡,有必要進行深入細致的研究。他們還是以大鼠的肝臟為模型,對死亡的肝細胞進行了酸性磷酸酶染色。缺血性壞死的肝細胞呈彌漫性著染,說明其中的溶酶體等小細胞器已發(fā)生破裂,包裹在其中的酸性磷酸酶溢出,呈彌漫性分布,而檢測受累及,但為適應其供血水平而死亡的肝細胞,其酸性磷酸酶著色呈非連續(xù)性的特點。這表明此種肝細胞雖然有死亡,并被裂解為小細胞碎片,但這種細胞碎片外包裹有細胞膜,其內(nèi)的細胞器仍能保持完好的結構。這一發(fā)現(xiàn)促使Kerr等人對這種細胞死亡的認識,終于在1972年將這種細胞死亡現(xiàn)象歸為一種嶄新的細胞死亡類型——細胞凋亡。在這一概念提出后的前幾年中并沒有得到足夠的重視。但最近年,由于各種生化及生物學技術應用到這一研究領域中,揭示了細胞凋亡不僅是一種重要的生物學現(xiàn)象,而且對于疾病發(fā)生的機制及新的治療研究都有重要的意義,因而又成為生物學和醫(yī)學研究中的一個熱門課題。2凋亡小體的檢測自1972年細胞凋亡作為一種特殊的細胞死亡類型被確定下來以后,人們用光學顯微鏡、電子顯微鏡和特殊的形態(tài)學染色方法對凋亡的細胞進行了全面的形態(tài)學研究,并與細胞壞死進行了細致的比較。研究發(fā)現(xiàn)細胞凋亡往往涉及單個細胞,即便是一小部分細胞凋亡也是非同步發(fā)生的。其特征性變化:初期是細胞之間的連接消失,同時細胞漿的密度增加,核質濃縮成一個或幾個大的團塊,進而細胞核裂解成碎塊。繼之,細胞被分割成數(shù)個由細胞膜包裹的,表面光滑的小體,稱之謂凋亡小體(Apoptoticbody)。凋亡小體中含有各種不同的、結構尚保持完整的細胞器和染色質的片斷。凋亡小體的大小差別很大,其數(shù)目則與原細胞的大小直接有關。原細胞大者形成的凋亡小體就大或數(shù)目較多,反之則凋亡小體的體積小或數(shù)量少。凋亡小體形成之后,可通過其表面的特殊分子給吞噬細胞發(fā)出一個強烈的信號。于是很快地被鄰近的單核巨噬細胞所吞噬。有人認為吞噬凋亡小體的細胞除了單核巨噬細胞外,還有正常的上皮細胞、血管內(nèi)皮細胞、甚至包括腫瘤細胞等。這是一個還須細致觀察,深入研究進一步商榷的問題。此外,人們的研究還發(fā)現(xiàn),作為細胞凋亡與細胞核有密切關系的變化就是細胞核染色質DNA的降解。凋亡的細胞,其染色質DNA的降解過程有以下幾個特點。(1)染色質DNA的降解發(fā)生在細胞凋亡的早期,是由內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶基因的活化和表達而引起的。(2)凋亡細胞的染色體DNA的斷片的大小是有規(guī)律的,均為200BP的倍數(shù)。因此,在進行瓊脂糖凝膠電泳或進行氯化銫溴化乙錠超速離心時,可見到特征性的梯形(Ladder)現(xiàn)象。(3)凋亡細胞染色質DNA斷裂,大部分為單鏈斷裂,內(nèi)源性核酸酶僅在一個位置上切割單鏈,極少有一個位置上同時切割雙鏈的情況。(4)染色質DNA斷裂的位置,大部分位于核小體間的連接部位。因此容易造成核小體間散布著一系列的單鏈切口。這種染色質DNA的斷裂方式,同時也是應用原位缺口翻譯技術進行檢測或是定量檢測的理論依據(jù)。(5)凋亡細胞的染色質DNA斷片,可以被胞膜包裹形成凋亡小體。后者用吖啶橙(AO)和溴化乙錠雙染色后,在熒光顯微鏡下清晰可辨。3死亡原因和細胞破碎壞死(Necrosis)的概念,在一般的教科書和參考書中大都這樣論述,即活體內(nèi)局部組織、細胞的死亡稱為壞死?，F(xiàn)在看來這一概念需要修改,為了將細胞的凋亡與壞死嚴格區(qū)分開,壞死的概念應為:壞死是指活體內(nèi)局部組織或細胞在致病因素的作用下而發(fā)生的死亡。與凋亡一樣,壞死組織或細胞內(nèi)的正常的物質代謝完全停止,所以壞死是一種不可復性的病理變化,除少數(shù)壞死是由強烈的致病因子作用而造成組織急速死亡之外,大多數(shù)均是在變性、萎縮的基礎上發(fā)展而來的,是一個由量變到質變的發(fā)展過程,所以壞死又稱為漸進性壞死。引起組織和細胞壞死的原因很多,但它們干擾破壞代謝的途徑是不同的。任何致病因素只要它的作用達到一定的時間和強度,能使組織或細胞的物質代謝嚴重障礙時,均可引起壞死。引起壞死常見的原因概括起來有:理化因素、機械性因素和生物因素,除此之外神經(jīng)營養(yǎng)障礙,免疫機能紊亂等也常能引起組織和細胞的壞死。壞死組織局部的主要變化為細胞內(nèi)合成代謝停止,而各種組分卻在酶的作用下發(fā)生分解、自溶,導致細胞破壞、組織結構異常。急速死亡或剛壞死的組織,即便范圍較大,肉眼觀察時也難以將之與健康組織相互區(qū)分,通常將這種組織稱為失活組織。一般而言,失活組織缺乏光澤、比較渾濁,失去正常的組織彈性,提起或切斷時組織回縮不良。鏡檢時,剛壞死組織的形態(tài)結構雖然與壞死前的相似,但隨著時間的推移,它必然要產(chǎn)生一系列形態(tài)結構和生化方面的自溶性變化。首先是細胞質發(fā)生變化,其內(nèi)糖原減少、核糖核酸含量降低、胞漿被伊紅深染。這說明胞漿中蛋白質多肽鏈的正電荷增多,因伊紅帶負電荷,故結合而使胞漿紅染。另一方面是細胞漿的嗜堿性喪失,表現(xiàn)為核蛋白體從粗面內(nèi)質網(wǎng)上脫落并散在于胞漿內(nèi)。在胞漿發(fā)生退行性變化中,溶酶體常受損破壞釋放大量的酸性磷酸酶、脫氧核糖核酸酶、核糖核酸酶及其他水解酶類,再加之細胞內(nèi)的酸度增高,更使這些酶的活性增大,從而使細胞內(nèi)和各種微細結構很快破壞,出現(xiàn)種種異常形態(tài)。例如,線粒體腫脹成嗜伊紅小體;胞膜邊緣不整,有突起,形成小泡;隨著細胞器的消失,胞漿中出現(xiàn)不規(guī)則的空隙。鏡下判定組織和細胞是否發(fā)生壞死,通常是以細胞核的變化為依據(jù)的。細胞核在壞死過程中的主要變化為:(1)核濃縮(Pyknosis)即核體積變小,染色質濃縮、深染。這可能是由于核蛋白分解、釋放出核酸使堿性染色加深之故。(2)核碎裂(Karyorrhexis)即核染色質凝集,崩解呈碎粒狀聚體在核膜處,隨著核膜的破裂,染色質的顆粒就直接地分散于胞漿中。倘若細胞膜亦破壞,則核碎粒就可分布于細胞外。(3)核溶解(Karyolysis)即核失去對堿性染料的著色反應。這是由于脫氧核糖核酸酶的作用使染色質的DNA裂解之故。鏡下看不見胞核或僅看到細胞的輪廓。最后僅留下陰影。若殘留的蛋白質被蛋白溶解酶分解,核就完全消失。壞死的組織除上述細胞變化之外,還有間質的變化。在各種溶解酶的作用下,基質發(fā)生解聚,膠質纖維腫脹、崩解、斷裂或液化。這樣壞死的細胞與間質融合起來,形成一片模糊的顆粒狀,無結構的伊紅著染物質常與周圍健康組織間存有明顯的炎性反應帶。4細胞凋亡和死亡通過上述對細胞凋亡和死亡的形態(tài)變化分析,我們知道細胞凋亡是一種細胞主動死亡過程,而細胞死亡則是一種被動的死亡過程。它們雖然在形態(tài)學、生化代謝、發(fā)生機制、結局和意義等方面均有很大的區(qū)別,但卻沒有本質的不同,因為它們均為細胞的退行性變化,只是不同形式罷了。茲將細胞凋亡和壞死的主要形態(tài)學區(qū)別列表比較如下:死亡的形式不同,有的是生理死亡,我們稱之為凋亡或程序性細胞死亡;有的則為病理性死亡,被叫做壞死。以前人們對細胞的壞死的研究傾注了大量心血,現(xiàn)在卻相反,人們[1～5]十分重視對細胞凋亡的研究。這是因為凋亡不僅是一種特殊的細胞死亡類型,而且具有重要的生物學意義及其復雜的分子生物學機制。它使人們對正常的或異常的生命活動認識從整體水平、器官水平、細胞水平、亞細胞水平和分子及基因水平聯(lián)系起來,把人們對整體生命活動的認識提高到一個新階段。深入研究細胞的凋亡,不僅有助于人們對疫病過程中細胞死亡及其機制的全面了解,而且還會導致治療疫病的新方法問世,使現(xiàn)在的一些不治之癥被人類征服。1細胞凋亡與程序性細胞死亡細胞凋亡(Apoptosis,APO)是指細胞接受某種信號或受到某些因素刺激后為了維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定而發(fā)生的一種主動性消亡過程,是一種細胞的自殺性死亡。細胞凋亡,又稱之謂程序性細胞死亡(Programmedcelldeath,PCD)。因它常涉及一系列的基因激活、表達以及調控等作用。雖然目前人們常習慣于將細胞凋亡和程序性細胞死亡互用,但實際上二者在概念上是有區(qū)別的。細胞凋亡是一種形態(tài)學概念,描述細胞在一定生理條件下像秋天的樹葉或花瓣凋謝一樣悄然死去的悲慘情景,借助希臘的凋謝“Apoptosis”一詞來表示;而程序性細胞死亡則是機