Nahezu die gesamte Medizin widmet sich entweder der Verhinderung des Zelltods bei Krankheiten wie Myokardinfarkt, Schlaganfall, Trauma und Schock oder seiner Verursachung, wie im Fall von Infektionskrankheiten und Krebs. Daher ist es wichtig, die Natur und die beteiligten Mechanismen zu verstehen. Der Zelltod wurde als „zufällig“, d. h. verursacht durch toxische Mittel, Ischämie usw., oder „programmiert“, wie er während der Embryonalentwicklung auftritt, einschließlich der Fingerbildung und der Resorption des Kaulquappenschwanzes, klassifiziert.
Zellverletzung und Zelltod sind daher sowohl in der Physiologie als auch in der Pathophysiologie wichtig. Der physiologische Zelltod ist während der Embryogenese und embryonalen Entwicklung äußerst wichtig. Die Untersuchung des Zelltods während der Entwicklung hat zu wichtigen und neuen Informationen über die beteiligte Molekulargenetik geführt, insbesondere durch die Untersuchung der Entwicklung bei wirbellosen Tieren. Bei diesen Tieren wurden der genaue Ort und die Bedeutung von Zellen, die zum Zelltod bestimmt sind, sorgfältig untersucht, und mithilfe klassischer Mutagenesetechniken wurden nun mehrere beteiligte Gene identifiziert. In erwachsenen Organen steuert das Gleichgewicht zwischen Zelltod und Zellproliferation die Organgröße. In manchen Organen, wie der Haut und dem Darm, findet ein ständiger Zellumsatz statt. In der Haut beispielsweise differenzieren sich Zellen, wenn sie die Oberfläche erreichen, und unterliegen schließlich einer endgültigen Differenzierung und einem Zelltod, wenn die Keratinisierung mit der Bildung von vernetzten Hüllen fortschreitet.
Viele Klassen toxischer Chemikalien sind in der Lage, eine akute Zellschädigung mit nachfolgendem Zelltod hervorzurufen. Dazu gehören Anoxie und Ischämie und ihre chemischen Analoga wie Kaliumcyanid; chemische Karzinogene, die Elektrophile bilden, die sich kovalent an Proteine in Nukleinsäuren binden; oxidierende Chemikalien, die zur Bildung freier Radikale und oxidativer Schädigung führen; Aktivierung des Komplements; und eine Vielzahl von Calciumionophoren. Der Zelltod ist auch ein wichtiger Bestandteil der chemischen Karzinogenese; Viele vollständige chemische Karzinogene erzeugen in karzinogenen Dosen akute Nekrose und Entzündung, gefolgt von Regeneration und Präneoplasie.
Definitionen
Zellverletzung
Eine Zellschädigung ist definiert als ein Ereignis oder Stimulus, wie z. B. eine toxische Chemikalie, der die normale Homöostase der Zelle stört und somit das Auftreten einer Reihe von Ereignissen verursacht (Abbildung 1). Die dargestellten Hauptziele der tödlichen Verletzung sind die Hemmung der ATP-Synthese, die Störung der Integrität der Plasmamembran oder der Entzug essentieller Wachstumsfaktoren.
Tödliche Verletzungen führen je nach Temperatur, Zelltyp und Stimulus nach unterschiedlicher Zeit zum Absterben einer Zelle; oder sie können subletal oder chronisch sein – das heißt, die Verletzung führt zu einem veränderten homöostatischen Zustand, der, obwohl anormal, nicht zum Zelltod führt (Trump und Arstila 1971; Trump und Berezesky 1992; Trump und Berezesky 1995; Trump, Berezesky und Osornio-Vargas 1981). Bei einer tödlichen Verletzung gibt es eine Phase vor dem Zeitpunkt des Zelltods
während dieser Zeit erholt sich die Zelle; Ab einem bestimmten Zeitpunkt (dem „Point of no return“ oder dem Zelltod) führt die Entfernung der Verletzung jedoch nicht zur Genesung, sondern die Zelle wird degradiert und hydrolysiert, wodurch schließlich ein physikalisch-chemisches Gleichgewicht mit der Zelle erreicht wird Umgebung. Dies ist die Phase, die als Nekrose bekannt ist. Während der präletalen Phase treten abhängig von der Zelle und der Art der Verletzung mehrere Haupttypen von Veränderungen auf. Diese sind als Apoptose und Onkose bekannt.
Apoptosis
Apoptose leitet sich von den griechischen Wörtern ab apo, was weg von und bedeutet Ptosis, bedeutet fallen. Der Begriff abfallen leitet sich aus der Tatsache ab, dass die Zellen während dieser Art von präletaler Veränderung schrumpfen und an der Peripherie eine deutliche Blasenbildung erfahren. Die Bläschen lösen sich dann und schweben weg. Apoptose tritt in einer Vielzahl von Zelltypen nach verschiedenen Arten von toxischer Verletzung auf (Wyllie, Kerr und Currie 1980). Es ist besonders ausgeprägt in Lymphozyten, wo es der vorherrschende Mechanismus für den Turnover von Lymphozytenklonen ist. Die resultierenden Fragmente führen zu den basophilen Körperchen, die innerhalb von Makrophagen in Lymphknoten zu sehen sind. In anderen Organen tritt Apoptose typischerweise in einzelnen Zellen auf, die vor und nach dem Tod schnell durch Phagozytose der Fragmente durch benachbarte Parenchymzellen oder durch Makrophagen beseitigt werden. Die in einzelnen Zellen auftretende Apoptose mit anschließender Phagozytose führt typischerweise nicht zu einer Entzündung. Vor dem Tod zeigen apoptotische Zellen ein sehr dichtes Zytosol mit normalen oder verdichteten Mitochondrien. Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist normal oder nur leicht dilatiert. Das Kernchromatin ist entlang der Kernhülle und um den Nukleolus deutlich verklumpt. Auch die Kernkontur ist unregelmäßig und es kommt zur Kernfragmentierung. Die Chromatinkondensation ist mit einer DNA-Fragmentierung verbunden, die in vielen Fällen zwischen Nukleosomen auftritt und bei der Elektrophorese ein charakteristisches Leiterbild ergibt.
Bei Apoptose erhöhte [Ca2+]i kann K stimulieren+ Ausfluss, der zu einer Zellschrumpfung führt, die wahrscheinlich ATP erfordert. Verletzungen, die die ATP-Synthese vollständig hemmen, führen daher eher zu Apoptose. Ein anhaltender Anstieg von [Ca2+]i hat eine Reihe schädlicher Wirkungen, einschließlich der Aktivierung von Proteasen, Endonukleasen und Phospholipasen. Endonuklease-Aktivierung führt zu Einzel- und Doppel-DNA-Strangbrüchen, die wiederum erhöhte Spiegel von p53 und Poly-ADP-Ribosylierung sowie von Kernproteinen stimulieren, die für die DNA-Reparatur wesentlich sind. Die Aktivierung von Proteasen modifiziert eine Reihe von Substraten, einschließlich Aktin und verwandter Proteine, was zur Blasenbildung führt. Ein weiteres wichtiges Substrat ist die Poly(ADP-Ribose)-Polymerase (PARP), die die DNA-Reparatur hemmt. Erhöhte [ca2+]i ist auch mit der Aktivierung einer Reihe von Proteinkinasen wie MAP-Kinase, Calmodulin-Kinase und anderen verbunden. Solche Kinasen sind an der Aktivierung von Transkriptionsfaktoren beteiligt, die die Transkription von Immediate-Early-Genen initiieren, beispielsweise c-fos, c-jun und c-myc, und an der Aktivierung von Phospholipase A2 was zu einer Permeabilisierung der Plasmamembran und von intrazellulären Membranen wie der inneren Membran von Mitochondrien führt.
Onkose
Onkose, abgeleitet vom griechischen Wort Ist s, anschwellen, wird so genannt, weil bei dieser Art von präletaler Veränderung die Zelle fast unmittelbar nach der Verletzung zu schwellen beginnt (Majno und Joris 1995). Der Grund für die Schwellung ist eine Zunahme von Kationen im Wasser innerhalb der Zelle. Das hauptsächlich verantwortliche Kation ist Natrium, das normalerweise reguliert wird, um das Zellvolumen aufrechtzuerhalten. In Abwesenheit von ATP oder wenn die Na-ATPase des Plasmalemmas gehemmt ist, geht jedoch die Volumenkontrolle aufgrund von intrazellulärem Protein verloren, und Natrium im Wasser nimmt weiter zu. Zu den frühen Ereignissen bei Onkosen gehören daher vermehrt [Na+]i was zu Zellschwellung und erhöhtem [Ca2+]i entweder durch Einströmen aus dem extrazellulären Raum oder Freisetzung aus intrazellulären Speichern. Dies führt zu einer Schwellung des Zytosols, einer Schwellung des endoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Apparats und zur Bildung wässriger Bläschen um die Zelloberfläche herum. Die Mitochondrien unterliegen zunächst einer Kondensation, zeigen aber später auch eine starke Schwellung aufgrund einer Schädigung der inneren Mitochondrienmembran. Bei dieser Art von präletaler Veränderung wird das Chromatin kondensiert und schließlich abgebaut; das charakteristische Leitermuster der Apoptose ist jedoch nicht zu sehen.
Nekrose
Nekrose bezieht sich auf die Reihe von Veränderungen, die nach dem Zelltod auftreten, wenn die Zelle in Trümmer umgewandelt wird, die typischerweise durch die Entzündungsreaktion entfernt werden. Zwei Typen können unterschieden werden: onkotische Nekrose und apoptotische Nekrose. Onkotische Nekrosen treten typischerweise in großen Zonen auf, zum Beispiel bei einem Myokardinfarkt oder regional in einem Organ nach chemischer Toxizität, wie dem proximalen Nierentubulus nach Verabreichung von HgCl2. Breite Zonen eines Organs sind betroffen und die nekrotischen Zellen lösen schnell eine Entzündungsreaktion aus, zuerst akut und dann chronisch. Falls der Organismus überlebt, folgt in vielen Organen der Nekrose die Abtragung der abgestorbenen Zellen und die Regeneration, beispielsweise in Leber oder Niere nach chemischer Toxizität. Im Gegensatz dazu tritt apoptotische Nekrose typischerweise auf einer Einzelzellbasis auf und die nekrotischen Trümmer werden innerhalb der Fresszellen von Makrophagen oder benachbarten parenchymalen Zellen gebildet. Zu den frühesten Merkmalen nekrotischer Zellen gehören Unterbrechungen in der Kontinuität der Plasmamembran und das Auftreten flockiger Dichten, die denaturierte Proteine innerhalb der mitochondrialen Matrix darstellen. Bei einigen Verletzungsformen, die anfänglich die mitochondriale Kalziumakkumulation nicht stören, können Kalziumphosphatablagerungen innerhalb der Mitochondrien gesehen werden. Andere Membransysteme sind ähnlich fragmentierend, wie das ER, die Lysosomen und der Golgi-Apparat. Letztendlich wird das nukleäre Chromatin einer Lyse unterzogen, die aus dem Angriff durch lysosomale Hydrolasen resultiert. Nach dem Zelltod spielen lysosomale Hydrolasen eine wichtige Rolle bei der Entfernung von Trümmern mit Cathepsinen, Nucleolasen und Lipasen, da diese ein saures pH-Optimum haben und den niedrigen pH-Wert nekrotischer Zellen überleben können, während andere zelluläre Enzyme denaturiert und inaktiviert werden.
Mechanismen
Anfänglicher Reiz
Bei tödlichen Verletzungen sind die häufigsten anfänglichen Wechselwirkungen, die zu einer Verletzung führen, die zum Zelltod führt, Störungen des Energiestoffwechsels, wie Anoxie, Ischämie oder Atemhemmer, und Glykolyse, wie Kaliumcyanid, Kohlenmonoxid, Jodacetat und bald. Wie oben erwähnt, führen hohe Dosen von Verbindungen, die den Energiestoffwechsel hemmen, typischerweise zu einer Onkose. Die andere häufige Art von anfänglicher Verletzung, die zu akutem Zelltod führt, ist die Veränderung der Funktion der Plasmamembran (Trump und Arstila 1971; Trump, Berezesky und Osornio-Vargas 1981). Dies kann entweder eine direkte Schädigung und Permeabilisierung sein, wie im Falle eines Traumas oder einer Aktivierung des C5b-C9-Komplementkomplexes, eine mechanische Schädigung der Zellmembran oder eine Hemmung des Natrium-Kalium (Na+-K+) Pumpe mit Glykosiden wie Ouabain. Calciumionophore wie Ionomycin oder A23187, die schnell [Ca2+] den Gradienten hinunter in die Zelle führen ebenfalls zu akuten tödlichen Verletzungen. In einigen Fällen ist das Muster der präletalen Veränderung Apoptose; in anderen ist es Onkose.
Signalwege
Bei vielen Arten von Verletzungen werden die mitochondriale Atmung und die oxidative Phosphorylierung schnell beeinträchtigt. Dies stimuliert in einigen Zellen die anaerobe Glykolyse, die in der Lage ist, ATP aufrechtzuerhalten, aber bei vielen Verletzungen wird dies gehemmt. Der Mangel an ATP führt dazu, dass eine Reihe wichtiger homöostatischer Prozesse nicht aktiviert werden, insbesondere die Kontrolle der intrazellulären Ionenhomöostase (Trump und Berezesky 1992; Trump, Berezesky und Osornio-Vargas 1981). Dies führt zu schnellen Anstiegen von [Ca2+]i, und erhöhte [Na+] und [Cl-] führt zu einer Zellschwellung. Erhöhungen von [Ca2+]i führen zur Aktivierung einer Reihe anderer unten diskutierter Signalmechanismen, einschließlich einer Reihe von Kinasen, die zu einer erhöhten unmittelbaren frühen Gentranskription führen können. Erhöhte [ca2+]i modifiziert auch die Zytoskelettfunktion, was teilweise zur Bildung von Bläschen und zur Aktivierung von Endonukleasen, Proteasen und Phospholipasen führt. Diese scheinen viele der oben diskutierten wichtigen Wirkungen auszulösen, wie z. B. Membranschäden durch Protease- und Lipaseaktivierung, direkten Abbau von DNA durch Endonukleaseaktivierung und Aktivierung von Kinasen wie MAP-Kinase und Calmodulin-Kinase, die als Transkriptionsfaktoren wirken.
Durch umfangreiche Entwicklungsarbeit bei Wirbellosen C. elegans und Drosophilasowie in menschlichen und tierischen Zellen wurde eine Reihe von Protodesgenen identifiziert. Es wurde festgestellt, dass einige dieser Wirbellosen-Gene Säugetier-Gegenstücke haben. Zum Beispiel das ced-3-Gen, das für den programmierten Zelltod essentiell ist C. elegans, besitzt Protease-Aktivität und eine starke Homologie mit dem Säuger-Interleukin-Converting-Enzym (ICE). Ein nahe verwandtes Gen namens Apopain oder prICE wurde kürzlich mit noch engerer Homologie identifiziert (Nicholson et al. 1995). In Drosophilascheint das Reaper-Gen an einem Signal beteiligt zu sein, das zum programmierten Zelltod führt. Zu den weiteren Protodesgenen gehören das Fas-Membranprotein und das wichtige Tumorsuppressor-Gen p53, das weitgehend konserviert ist. p53 wird nach einer DNA-Schädigung auf Proteinebene induziert und fungiert, wenn es phosphoryliert wird, als Transkriptionsfaktor für andere Gene wie gadd45 und waf-1, die an der Zelltodsignalisierung beteiligt sind. Andere unmittelbar frühe Gene wie c-fos, c-jun und c-myc scheinen ebenfalls an einigen Systemen beteiligt zu sein.
Gleichzeitig gibt es Anti-Todes-Gene, die den Pro-Todes-Genen entgegenzuwirken scheinen. Das erste davon, das identifiziert werden konnte, war ced-9 from C. elegans, das beim Menschen zu bcl-2 homolog ist. Diese Gene wirken auf eine noch unbekannte Weise, um das Abtöten von Zellen durch genetische oder chemische Toxine zu verhindern. Einige neuere Beweise deuten darauf hin, dass bcl-2 als Antioxidans wirken kann. Derzeit wird intensiv daran gearbeitet, ein Verständnis für die beteiligten Gene zu entwickeln und Möglichkeiten zu entwickeln, diese Gene je nach Situation zu aktivieren oder zu hemmen.