Нарушение функционирования и повреждение клеток в патологии

Нарушение функционирования клетки, вызванное действием неблагоприятных факторов, например недостатком кислорода или действием токсических соединений, может вначале и не привести к повреждению клетки: как только восстановятся нормальные окружающие условия клетка вновь вернется в состояние, близкое к исходному. Следовательно, нарушение функционирования данной конкретной клетки еще не есть ее повреждение. Ввиду фундаментальной значимости понятия "повреждение" для патологии клетки остановимся на определении этого понятия.

Повреждение клетки. Повреждением называется изменение функционирования клетки, которое сохраняется некоторое время после удаления повреждающего агента. В основе повреждения лежит разрушение части структурных элементов клетки, вследствие чего клетка в целом хуже выполняет свои функции. Из данного определения следует, что повреждение клетки может быть частичным либо полным, обратимым либо необратимым. Необратимое повреждение может привести к прогрессирующей деструкции клетки и ее гибели. Несмотря на то, что любая живая клетка подвержена влиянию нервных, гормональных, метаболических, энергетических и других воздействий со стороны целого организма, нарушение ее функций связано в конечном счете с изменениями химического состава раствора в ее непосредственном окружении: концентрацией ионов, метаболитов и т.д. Все эти изменения могут рассматриваться как факторы, оказывающие воздействие на функционирование клетки. Эти факторы могут в принципе либо улучшать, либо ухудшать условия жизнедеятельности клетки; в последнем случае их называют неблагоприятными. Следует различать прямое действие неблагоприятного фактора на данную клетку и косвенное его влияние, опосредованное воздействием на другие клетки, органы, ткани и организм в целом. К прямому действию относится повреждающее действие ядов, направленное непосредственно на клетку, например цианистого калия, который угнетает клеточное дыхание, ингибирует фермент цитохромоксидазу. Прямое нарушение жизнедеятельности клетки и ее повреждение могут быть вызваны отсутствием кислорода, чрезмерно низким значением рН, низким осмотическим давлением в окружающей среде, недостатком ионов кальция, действием ультрафиолетовой или ионизирующей радиации и т. д. В условиях целостного организма первичное действие повреждающего фактора на клетки-мишени (т. е. клетки, повреждаемые непосредственно) сопровождается изменениями и в других клетках. Эти изменения опосредованы нарушением функционирования клеток-мишеней и поэтому могут быть названы вторичными. Следовательно, обнаружив изменения в функционировании клеток того или иного органа при неблагоприятном воздействии, нельзя еще говорить о том, что данное воздействие само по себе вызвало наблюдаемые изменения в клетках. Одной из задач патологической физиологии является выяснение последовательности событий от момента воздействия повреждающего фактора на ту или иную систему организма до момента реализации этого повреждения, проявляющееся в нарушении функционирования клеток, органов, тканей и целого организма и сопровождается развитием болезни. Первичное, специфическое действие повреждающих факторов на клетки. Всякое повреждение клетки выражается в определенном нарушении ее структуры и функций. При этом различные повреждающие факторы вызывают неодинаковые специфические первичные нарушения в клеточных структурах. При механическом повреждении происходит нарушение целостности структуры ткани, клеток, межклеточных и субклеточных структур. Термическое повреждение связано с денатурацией белков и белково-липидных комплексов клетки, а также с изменением вторичной структуры нуклеиновых кислот. При действии ионизирующей и ультрафиолетовой радиации первичным является разрушение молекул, поглотивших энергию, с образованием свободных радикалов, что приводит к поражению многих внутриклеточных структур. При химическом (токсическом) повреждении первичным является торможение (ингибирование) отдельных клеточных ферментов или их комплексов, например подавление активности цитохромоксидазы цианидами, торможение сукцинатдегидрогеназы солями малоновой кислоты, угнетение холинэстеразы диизопропилфторфосфатом (нервный яд) или другими фосфорорганическими ингибиторами. В других случаях блокируются рецепторы на поверхности клеток или ионные каналы клеточной мембраны. Так, например, яд рыбы фугу тетродотоксин ингибирует натриевый канал мембраны, атропин - холинорецепторы различных клеток и т. д. Известны также многочисленные примеры специфического повреждения клеток, вызванного ингибированием отдельных ферментов, которые не сопровождаются гибелью клетки, но существенно изменяют характер ее обмена веществ. Сюда можно отнести торможение гликолиза монойодацетатом, торможение флоридзином фосфорилирования глюкозы в эпителии почечных канальцев. Специфическое подавление пируватоксидазной системы лежит в основе повреждающего действия боевых отравляющих веществ, содержащих мышьяк. С другой стороны, яды змей, скорпионов, пчел и других жалящих животных сами включают в свой состав ферменты, действующие на мембранные структуры клеток, главным образом различные фосфолипазы, которые гидролизуют фосфолипиды, разрушают мембраны, вызывая гемолиз эритроцитов, поражение нервных клеток. Но так или иначе все указанные воздействия могут быть отнесены к разряду химических. Часто первичные изменения, вызванные повреждающим воздействием, остаются неизвестными. Не вполне ясны, например, изменения в клеточных структурах, непосредственно вызванные действием магнитных полей, низких доз СВЧ, лазерного излучения в красной области и т. д., хотя само по себе действие этих факторов на уровне организма хорошо известно. Развитие повреждения клетки после первичного, специфического воздействия. Первичное, специфическое воздействие повреждающего фактора направлено на совершенно конкретные молекулярные структуры клетки. Нарушение этих структур вызывает целый каскад событий, заканчивающихся общим ответом клетки как целого. При этом можно различить несколько стадий ответа клеток на внешнее неблагоприятное воздействие. Вначале, как правило, имеет место неспецифическая реакция, характерная для всякого раздражения. В случае электровозбудимых клеток - это генерация мембранного потенциала действия, свойственная нервным клеткам и волокнам, мышечным клеткам и даже фагоцитам. Практически у всех клеток при действии повреждающих агентов наблюдается резкое увеличение проницаемости клеточных мембран для ионов, в частности для ионов кальция, с последующей активацией различных внутриклеточных систем: протеинкиназ, фосфолипаз, систем биосинтеза белков, фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов, аденилатциклазы, сократительного аппарата клетки и т. д. Эта первая, обратимая стадия в определенной степени направлена на компенсацию нарушений, вызываемых повреждающим агентом, будь то компенсация на уровне данной клетки или на уровне целого организма. При более сильном или более длительном воздействии повреждающего фактора имеет место также нарушение функций клеток, которое приводит к ухудшению функционирования ткани и органа в целом. Изменения, наблюдаемые при этом в клетке, напоминают изменения в погибших клетках, но они обратимы; такое состояние клеток называется паранекрозом. Внешне паранекроз проявляется в помутнении цитоплазмы, вакуолизации, появлении грубодисперсных осадков, увеличении проникновения в клетку различных красителей. Если часть клеток в ткани погибла окончательно, а другие продолжают функционировать, то такое состояние "между жизнью и смертью" называют некробиозом. Наконец, гибель клеток, т. е. такое их повреждение, которое в условиях организма необратимо, называют некрозом. Некроз сопровождается активацией ряда лизосомальных, ферментов (например, фосфолипаз и протеаз), разрушением других клеточных структур. Этот процесс называется аутолизом. Аутолиз необходим для удаления мертвых клеток и замены их новыми клетками или элементами соединительной ткани. Замечательной особенностью развития патологических изменений в клетках в ответ на самые различные неблагоприятные воздействия является сходство этих изменений, которое позволило Д. Н. Насонову и В. Я. Александрову выдвинуть в 1940 г. теорию о неспецифической реакции клеток на повреждение. Каким бы ни был повреждающий агент и на какие бы клетки он ни действовал, ответ клеток по ряду показателей является одинаковым. К числу таких показателей относятся: 1) уменьшение дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра; 2) увеличение вязкости цитоплазмы, которому иногда предшествует некоторое уменьшение вязкости; 3) увеличение сродства цитоплазмы и ядра к ряду красителей. Во многих случаях наблюдаются также увеличение клеточной проницаемости, появление флюоресценции, повышение кислотности цитоплазмы, нарушение многих клеточных функций и т. д. 'При изучении неспецифической реакции клеток на повреждения принципиальное значение имеет общий методический подход к исследованию функции клеток в патологии. Разумеется, выяснение патогенеза различных заболеваний требует использования разных методических приемов, тем не менее основные этапы работы обычно одинаковы. Для примера рассмотрим токсическое действие промышленного токсина - четыреххлористого углерода, который используется в некоторых производствах в качестве растворителя. Пары этого растворителя при неосторожном использовании могут вызвать отравление персонала.

1. Первым этапом изучения механизмов возникающих в клетке нарушений часто служат клинические наблюдения. Обследование людей, отравившихся четыреххлористым углеродом, показало, что при действии его на организм нарушаются функции печени.

2. На втором этапе исследуются изменения, происходящие в клетках печени, что можно сделать в опытах на лабораторных животных. В таких опытах обычно проводят всестороннее изучение изменений в различных структурах клеток печени после воздействия на организм разных доз ССl₄, используя весь арсенал современных методов биохимии, биофизики, цитологии, клеточной физиологии. Оказывается, что изменений в клетке много, но некоторые из них наступают раньше всех прочих. Так, на очень ранних стадиях интоксикации резко изменяются свойства мембран эндоплазматического ретикулума.

3. Полученные данные позволяют приступить к третьему этапу исследования: изучению механизма действия повреждающего фактора в модельных экспериментах. В нашем случае такое изучение целесообразно проводить с изолированными мембранами эндоплазматического ретикулума печени. Следует отметить, что и на изолированных мембранах четыреххлористый углерод оказывает токсическое действие, вызывая нарушение основной биохимической функции ретикулума - гидроксилирование чужеродных соединений (ксенобиотиков). Детальное изучение модельных систем позволяет сделать вывод, что важным звеном патогенеза является образование перекисей липидов, вызванное взаимодействием ССl₄ с цитохромом Р-450.

4. Изучение патогенеза интоксикации четыреххлористым углеродом в клинике, в опытах на животных и в модельных экспериментах с изолированными клеточными структурами позволило составить гипотетическую схему последовательности событий, начиная от первичного, специфического действия четыреххлористого углерода на систему гидроксилирования ксенобиотиков в эндоплазматическом ретикулуме клеток печени и заканчивая общей реакцией печеночных клеток и организма в целом. Эта гипотетическая схема предполагает в качестве этапа активацию процессов перекисного окисления липидов. Схематическое представление последовательности событий при действии четыреххлористого углерода на клетки печени:

А. Первичное специфическое действие ССl₄:

Б. Неспецифическая реакция клетки: перекисное окисление липидов -> нарушение барьерных свойств мембран -> нарушение ионного баланса -> нарушение биоэнергетических процессов -> нарушение клеточных функций -> внешние морфологические изменения в цитоплазме клеток. 5. Проверкой такой схемы могут послужить, в частности, опыты по действию антиоксидантов - ингибиторов перекисного окисления липидов. Оказалось, что в модельных опытах антиоксиданты снижают накопление перекисей липидов, вызванное ССl₄, а применение антиоксиданта до отравления четыреххлористым углеродом препятствует развитию интоксикации у животных и людей.

Таким образом, общая схема исследований по патологии клетки напоминает работу химика-органика при выяснении строения неизвестного вещества: сначала проводится анализ неизвестного соединения, а потом его предполагаемая формула окончательно доказывается путем синтеза этого вещества.