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Le esperienze di Leonard Hayflick le quali dimostrarono che le colture in
vitro non si mantenevano indefinitamente, ma si esaurivano
spontaneamente dopo un certo numero di duplicazioni aprì la strada verso
lo studio di questo tipo di morte fisiologica. Nel 1965 John Kerr, studiando
i diversi quadri di morte che si verificavano negli epatociti descrisse un
nuovo tipo di morte che aveva caratteristiche diverse da quelle della necrosi
e che successivamente, nel 1972, egli stesso definì con il termine apoptosi,
da una parola greca, άπώπτόσις, che indica la caduta dei petali dei fiori o
delle foglie dalle piante [1, 2] [figura 1].
Figura 1: morte cellulare per via apoptotica e necrotica
L’apoptosi è stata anche definita morte cellulare programmata
(pcd,programmed cell death) o suicidio cellulare. Da allora gli studi
sull’apoptosi si sono moltiplicati esponenzialmente e nel corso degli anni ne
hanno definito le caratteristiche morfologiche e biochimiche mentre molto
3
ancora resta da scoprire sui meccanismi genetici di segnalazione,
regolazione e induzione.
E’ stato dimostrato che questo programma di morte è presente nel codice
genetico di tutti gli organismi eucarioti multicellulari e in questi la maggior
parte,se non tutte le cellule, hanno la capacità di auto distruggersi mediante
l’attivazione di un programma di suicidio al quale sembrano fare eccezione
solo le cellule particolarmente specializzate quali quelle del muscolo
cardiaco e del tessuto nervoso [3]. Recentemente, in modo interessante,
l’esistenza di fenomeni in certa misura comparabili all’apoptosi sono stati
descritti anche in organismi unicellulari ed in cellule di procarioti sottoposte
a diversi tipi di insulti [4, 5].
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1.1 SIGNIFICATO BIOLOGICO
La morte cellulare apoptotica è un processo finemente regolato in tutti i
suoi aspetti (molecolari, biochimici e morfologici) ed è inoltre un processo
svolto attivamente dalla cellula, richiede infatti dispendio di energia,
attivazione della sintesi proteica con coinvolgimento di numerosi geni e può
essere considerata una “morte altruistica”, che si verifica cioè tutte le volte
che il sacrificio di singole cellule risulta vantaggioso per l’organismo nel
suo complesso [6, 7]. Perciò l’apoptosi non è da considerarsi come un
qualcosa di negativo, ma come un processo necessario e vantaggioso, come
è messo in evidenza dalla vasta gamma di patologie derivanti da una
alterata apoptosi. Una delle funzioni più importanti del processo apoptotico
in un organismo pluricellulare è quello di contribuire insieme alla mitosi al
mantenimento dell’omeostasi numerica. Limitare a ciò l’importanza del
processo apoptotico è comunque riduttivo in quanto essa interviene in tutta
una serie di processi, dallo sviluppo fetale fino alla morte dell’individuo.
Nello sviluppo embrionale e fetale, così come nella metamorfosi negli
animali, attraverso l’apoptosi vengono eliminate tutta una serie di cellule e
strutture che hanno un proprio ruolo solo in una data fase dello sviluppo [8,
9]. Sono cioè eliminate con questo processo nei mammiferi le membrane
interdigitali che residuano dopo la formazione delle dita a partire da un arto
a paletta, oppure, la coda del girino quando subisce la metamorfosi in rana
[figura 2].
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Figura 2 : l’apoptosi nello sviluppo embrionale e nella metamorfosi degli animali
Muoiono per apoptosi anche un numero elevatissimo di neuroni durante lo
sviluppo morfogenetico del sistema nervoso centrale [10]. Infatti muoiono
per apoptosi le cellule che non sono state in grado di stabilire tra loro o con
le cellule bersaglio le corrette relazioni. Il normale turn-over tissutale si
avvale dell’apoptosi per l’eliminazione delle cellule in fase di senescenza: a
tale riguardo il tessuto epiteliale di rivestimento e l’apice dei villi intestinali
sono luoghi di intensa apoptosi [11,12].
Nel sistema immunitario, sia l’eliminazione selettiva delle cellule timiche
autoreattive , sia l’eliminazione di cloni Ag specifici alla fine di una
risposta immunitaria si avvalgono dell’apoptosi [13, 14, 15].
Inoltre anche l’uccisione della cellula target nelle reazioni di citotossicità
avviene per induzione a livello delle cellule citotossiche di meccanismi
apoptotici responsabili poi dell’ eliminazione della cellula target,
inserendovi un enzima analogo alle caspasi (granzyme B, una caspasi già
attiva che induce la formazione di pori transmembrana nelle cellule
6
bersaglio, è in grado di attivare caspasi effettrici come la caspasi 3 oppure
può andare ad agire direttamente su ICAD/CAD) [15] [figura 3].
Figura 3 : il ruolo del granzyme B nell’apoptosi
L’assenza di fattori di crescita o di ormoni trofici può indurre alcuni tipi di
cellule ad avviare un processo apoptotico [3].
Inoltre è tramite l’attivazione di un processo apoptotico che vengono
eliminate le cellule emopoietiche pluripotenti prodotte dal midollo osseo in
numero superiore alla necessità basali a seguito di infezioni o emorragie.
Tale evento apoptotico è innescato da carenza di fattori di crescita.
L’apoptosi a cui vanno incontro le cellule delle ghiandole mammarie alla
fine della lattazione per assenza di prolattina è un esempio di apoptosi
regolata da un controllo ormonale.
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Molte sostanze tossiche, farmaci, radicali liberi dell’ossigeno e radiazioni
ionizzanti causano danni al DNA o gravi stress al reticolo endoplasmatico o
ai mitocondri portando all’insorgenza di apoptosi [16].
Infine il processo apoptotico può attivarsi anche nel corso di infezioni
virali, in tal caso può essere considerato un meccanismo di difesa per l’
organismo intero dalla propagazione virale [17].
Linfociti T infettati dal virus HIV, ad esempio, sono eliminati tramite un
processo apoptotico portando alla caratteristica immunodeficienza che
segue l’infezione [18,19].
I virus, però, possono anche essere in grado di mettere in atto delle modalità
finalizzate all’evasione di tali meccanismi, inducendo la sintesi di inibitori
dell’apoptosi.
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1.2 APOPTOSI E NECROSI
Le vie che possono portare alla morte delle cellule sono due e sono tra loro
ben distinte e riconoscibili.
In particolare si è giunti a distinguere con precisione le caratteristiche e i
meccanismi di regolazione della cosiddetta morte cellulare programmata, o
apoptosi, rispetto a quelli della morte cellulare non programmata, nota con
il nome di necrosi.
A differenza dell’apoptosi che è un tipo di morte cellulare attivo e
finemente regolato dalla cellula stessa, la necrosi è un evento accidentale e
si verifica in risposta ad un’ampia varietà di agenti aggressivi, di natura
chimico-fisica, batteriologica-virale e patologica (ipossia, ipertermia,
ischemia, reazioni immunitarie, virus, traumi cellulari, radiazioni, sostanze
tossiche, etc).
Inoltre la necrosi è un fenomeno acuto, che si completa in alcuni minuti e,
fino ad un certo punto, può regredire, permettendo alla cellula di recuperare
le sue funzioni.
L’apoptosi è al contrario un processo irreversibile, che per attuarsi richiede
dei tempi relativamente più lunghi (una/tre ore), a causa della fine
regolazione del processo in tutte le sue fasi a livello genico [20].
Inoltre come già evidenziato la morte cellulare programmata è un fenomeno
che interessa singole cellule, o un ristretto gruppo di esse in modo
asincrono, a differenza della necrosi che coinvolge gruppi rilevanti di
cellule fino ad interessare interi tessuti o organi.
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È possibile individuare quattro principali tipi di necrosi:
- Necrosi coagulativa, è il tipo di morte più frequente prodotta da
disturbi ischemici. L’ architettura cellulare e tissutale viene
conservata per un certo periodo di tempo.
- Necrosi colliquativa, in questo caso prevalgono i fenomeni litici (auto
ed eterolitici) che portano a dissoluzione l’area colpita; il fenomeno si
verifica ad esempio tipicamente nel cervello. Un’ area di necrosi
colliquativa in un punto circoscritto e delimitato da una capsula viene
definito ascesso.
- Necrosi caseosa, così chiamata per l’aspetto del tessuto coinvolto. E’
caratteristica della lesione tubercolare.
- Necrosi adiposa, coinvolge il tessuto adiposo (è causata soprattutto da
pancreatite). E’ caratterizzata dalla digestione dei grassi ad opera
delle lipasi che successivamente precipitano sotto forma di saponi di
calcio, dando all’area colpita un aspetto amorfo.
La cellula che va incontro a necrosi perde in modo peculiare la selettività
ionica del sistema delle membrane cellulari. Inizialmente si osserva
rigonfiamento citoplasmatico e degli organuli cellulari (mitocondri, reticolo
endoplasmatico, lisosomi, etc) con conseguente perdita della loro
organizazione strutturale.
I fenomeni a livello nucleare sono più tardivi e si esprimono dapprima
come picnosi (nucleo più piccolo, con cromatina addensata), poi come
frammentazione in zolle ed infine come scomparsa totale per espulsione o
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dissoluzione nel citoplasma. Conseguenza di questa dissoluzione nucleare e
di questo rigonfiamento abnorme è la lisi cellulare, con rilascio nei tessuti
del contenuto cellulare [21].
Il materiale cellulare così disperso determina nell’area una risposta
infiammatoria, che può arrivare nel tempo ad innescare anche reazioni auto-
immuni nel caso di ripetuti episodi di necrosi, in quanto le cellule del
sistema immunitario sono meno tolleranti al materiale presente all’interno
delle cellule dell’organismo.
L’ apoptosi può essere considerata al contrario della necrosi un processo di
morte cellulare pulito con danno minimo delle cellule e dei tessuti
circostanti poiché la completa eliminazione delle cellule apoptotiche non
provoca risposta infiammatoria.[22]. Infatti a differenza della cellula
necrotica quella apoptotica perde rapidamente volume, si stacca dalle
cellule vicine perdendo i contatti sia con esse che con la matrice
extracellulare ed assume una forma più marcatamente sferica [figura 4].
L’organizzazione interna è mantenuta almeno nelle fasi precoci del
processo; gli organuli cellulari, come mitocondri, reticolo endoplasmatico,
lisosomi, etc, sembra rimangano intatti almeno finchè il processo non è ad
uno stadio avanzato.
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Figura 4 : morfologia della cellula nel corso del processo apoptotico
A livello nucleare, invece, si osserva la disgregazione del/dei nucleolo/i, la
condensazione ed il taglio della cromatina. Questo è un processo
particolarmente delicato e avviene in 3 fasi:
inizialmente si hanno dei tagli in corrispondenza delle rosette, strutture
formate da anse di cromatina ancorate alle lamine nucleari (circa 300
kilobasi), successivamente si ha il taglio a livello delle singole anse di
cromatina delle rosette (50 kilobasi) infine in tratti di 180-200 paia di basi o
multipli interi di questi numeri, lunghezza che corrisponde a quella dei tratti
di DNA internucleosomale [figura 5].
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