1. PAFI Splosno

PAFI SPLOŠNA PATOLOŠKA FIZIOLOGIJA 08/O9

SPLOŠNA PATOLOŠKA FIZIOLOGIJA

1. Homeostaza

1. Naštejte elemente homeostatičnega sistema na primerih hipovolemije, pnevmonije in obremenitve z glukozo!

2. Nariši shemo homeostatičnega sistema “brez” homeostaze, s “šibko” in “dobro” homeostazo!Negativna povratna zanka deluje po načelu večje je ojačanje homeostatičnega sistema, manjša je sprememba uravnavane količine. V praksi običajno ne govorimo o spremembah, ker se uravnavana količina, dokler je negativna povratna zanka učinkovita, ves čas giblje v normalnem razponu.

3. Nariši shemo pozitivne povratne zveze in opiši primer iz patološke fiziologije.Primer pozitivne povratne zveze je circulus vitiosus, ki je natančno opisan pri vpr. 76.5.

4. Razloži homeostatični sistem uravnavanja arterijskega tlaka pri hipovolemiji!Glej vpr. 69.2. ali vajo 4, Krvavitev.

5. Razloži homeostatični sistem uravnavanja dihanja prek CO2 pri pljučnem šantu!Uravnavanje dihanja je razloženo v uvodu sklopa 6, Patološka fiziologija dihanja.

6. Razloži mehanizem Cheyne-Stokesovega periodičnega dihanja!Dihanje je uravnavano s koncentracijo pCO2 v krvi. Informacija o koncentraciji plina se s krvjo prenese iz pljuč v dihalni center, kar traja 1-2s. Odgovor iz dihalnega centra se prenese po živčnih vlaknih brez zamude. Kadar so prisotne okvare KVS, npr. močno zmanjšan MVS, se lahko 1-2s zamuda pri prenosu informacije iz pljuč v možgane dovolj podaljša, da pride do faznega zamika in pojava Cheyne-Stokesovega periodičnega dihanja.

Evpneja je prisotna, kadar v dihalni center prihaja kri z normalno ravnjo pCO2. V pljučih pCO2

medtem narašča. Ko kri s povišanim pCO2 priteče do dihalnega centra, se le-ta odzove s poglobljenim dihanjem, hiperpnejo. Koncentracija pCO2 v pljučnem krvnem obtoku se prične zmanjševati in sčasoma doseže normalno reven. Vendar možgani tega ne zaznajo takoj, zato z uravnavanjem dihanja 'streljajo preko cilja'. Sčasoma kri z normalnim pCO2 doseže dihalni center in dihanje ponovno preide v normalno stanje. Vendar je do takrat pCO2 v pljučih že močno znižan. Ko podatek o nizkem pCO2 pride do možganov, se dihanje zavre in pride do apneje. pCO2 v pljučih raste in sčasoma normalna vrednost pCO2 doseže dihalni center in oseba prične z normalnim dihanjem. Ker pa se vse še vedno dogaja s časovni zamikom, se cikel ponovi.

1


2. Nespecifični obrambni odziv organizma na stres

1. Opredeli stres, stresorje in nespecifični odziv organizma na stres!Skozi evolucijo so preživeli samo organizmi, ki so se bili sposobni prilagoditi na stalne spremembe okolja tako, da so ohranili homeostazo notranjega okolja.

Stres je stanje, ko je potencialno ali dejansko ogroženo zdravje ali življenje organizma zaradi ogroženega ravnovesja med organizmom in okoljem. Povzročajo ga stresorji, ki jih razdelimo na procesivne in sistemske. Sistemske stresorje povzroči porušenje homeostaze, kot so npr. rana, krvavitev, vnetje, bolečina ipd. Procesivni stresorji pa so tisti, ki jih prejmemo preko čutil in jih moramo nato še obdelati v možganih, npr. okolje je nevarno. Pogosto nastopata obe vrsti stresorjev hkrati ob spremljavi bolečine in intenzivnih čustev, kot sta jeza ali strah.

Sistemski in procesivni stresorji sprožijo sistemski odziv, ki zviša možnosti preživetja. V takšen način obrambe se vključi celoten organizem, govorimo o nespecifičnem (stereotipnem) odzivu. Sestavljen je iz živčnega, endokrinega in prirojenega imunskega sistema, ki se med seboj zavirajo in spodbujajo. Na ta način je prisotna regulacija, ki prepreči dodatne poškodbe. Sistemski odziv umetno razdelimo na adrenalinski, kortizolski in citokinski odziv, čeprav so v resnici tesno povezani in skupaj tvorijo celoto.

2. Kako se razvije simpatiko-adrenalinski odziv in kakšni so učinki adrenalina v okviru obrambnega odziva?Simpatiko-adrenalinski odziv imenujemo tudi 'boj ali beg' in je običajno prvi odziv, ki se pojavi v stresni situaciji. Stresno situacijo zaznamo s čutili, katerih podatke nato obdelamo v možganski skorji. Procesiranje podatkov se nadaljuje v limbičnem sistemu, predvsem v amigdali, ki ima poseben spominski mehanizem, ki shranjuje informacije o 'slabih' situacijah. Končne informacije pridejo po nevronih do hipotalamusa, ki preko simpatika aktivira sredico nadledvične žleze, ki nato poveča sproščanje adrenalina (in noradrenalina). Dodatno pot aktivacije tega sistema predstavlja bolečina ob poškodbi.

Adrenalin postavi naše telo v stanje pripravljenosti in nam da občutek zmožnosti. Vpliva na KVS in ima presnovni učinek. Zaradi povečane kontraktilnosti in srca se poveča MV. MVS dodatno poveča večji venski priliv, ki je posledica venokonstrikcije. Dodatna kri, ki jo prečrpa srce, se usmeri v dele telesa, ki so nujni za beg in boj. V teh delih, predvsem v mišicah 1, se poveča pretok krvi, O2 in hranil, drugod po telesu pride do vazokonstrikcije. Poveča se mišična moč in izboljša živčna koordinacija gibanja.

Presnovna učinka adrenalina sta povečana lipoliza v maščevju in glikogenoliza v jetrih, kar pripelje do povišane koncetracije glukoze in MK v krvi. Na ta način so zagotovljeni nujni energetski viri za nemoteno delovanje mišic v anaerobnih in aerobnih pogojih.

Adrenalin spodbudi tudi izločanje kortizola, delovanje imunskih celic in s tem povezano izločanje citokinov ter fibrinogena.

3. Kako se sproži kortizolski odziv in kakšni so učinki kortizola, ki se sprosti pri tem odzivu?Švicarski zdravnik Hans Selye je šele v 30. letih v medicino uvedel koncept stresa. Do njega je prišel z raziskovanjem glukokortikoidov, predvsem kortizola. Kortizol ima namreč pomembno vlogo pri sistemskem odzivu na stres. Aktivirajo ga nevrogena pot, citokini in adrenalin.

1 Vazodilatacija v mišicah je posledica vpliva adrenalina na žilne adrenergične receptorje in kasnejšega učinka lokalne avtoregulacije krvnega pretoka.

2


2

4. Kaj sproži citokinski odziv in kateri citokini so pri tem udeleženi?Citokinski odziv ali odziv akutne faze je del prirojenega imunskega odziva. Temelji na polipeptidih imenovanih citokini, ki delujejo kot molekularni sli med različnimi vrstami celic. Delujejo avtokrino, parakrino in endokrino.

2 Dejavnost adrenalina povečuje na dva načina. Po eni strani povečuje njegov vpliv na žilje, po drugi pa aktivira encim, ki pretvarja noradrenalin v adrenalin. Kortizol deluje kot glavni regulator citokinskega odziva, vendar hkrati tudi stimulira sintezo beljakovin akutne faze.*Kadar je zelo občutljiva nevrogena pot preko hipokampusa aktivna, že nizke koncentracije kortizola zadostujejo, da zavrejo delovanje hipotalamusa. Če pa je pot neaktivna, so potrebne visoke koncentracije kortizola, da zavrejo delovanje hipotalamusa.

3


Citokini se sproščajo tudi v možganih, kjer delujejo na nevrone limbičnega sistema in uravnavajo bolezensko obnašanje. Bolezensko obnašanje sestavljajo letargija (nedejavnost), somnolenca (zaspanost, utrujenost) in anoreksija (pomanjkanje apetita), ki jih spremljata splošna šibkost in zmanjšan libido.

5. Kateri je najpomembnejši presnovni učinek citokinov med odzivom akutne faze?Organizem je zaradi bolezni oslabljen, kar bi v preteklosti pomenilo, da bi se moral skriti do ozdravitve, če bi želel preživeti. Za skrit organizem obramba ni primarna skrb, zato si telo lahko privošči regeneracijo na račun AK rezervoarja v mišicah. Zato je najpomembnejši presnovni učinek citokinov povečana razgradnja mišičnih beljakovin. Razgrajujejo so predvsem kontraktilni proteini, glavni posledici česar sta izguba teže in atrofija mišic. Proces je intenzivnejši kot pri stradanju, saj se razgradi do 0,5kg mišične mase/dan. AK se porabijo za tvorbo novih beljakovin potrebnih za okrevanje in glukoneogenezo, ki je potrebna za zadostitev energetskih potreb organizma. Razgradnja mišic omogoči regeneracijo (obnovitev) imunskega sistema in reparacijo3 poškodovanega tkiva.

Citokini ne delujejo sami, ampak aktivirajo tudi hipotalamo-hipofizno-suprarenalno os. Za obdobje razgradnje so značilni hiperglikemija, neodzivnost na inzulin in za 10-30% povečan bazalni metabolizem.

6. Opredeli in naštej najpomembnejše skupine beljakovin akutne faze in opiši njihov pomen!Beljakovine akutne faze nastajajo v jetrih kot posledica delovanja IL-1 in IL-6 na hepatocite. Pri tem jim pomaga kortizol, ki je tudi glavni del negativne povratne zanke, ki nadzoruje delovanje citokinov. Glede na njihovo dejavnost, lahko beljakovine razdelimo v več skupin:

poglavitne: CRP (C reaktivni protein), serumski amiloid ACRP spodbuja aktivacijo komplementa in zavira delovanje nevtrofilnih granulocitov tako, da preprečuje njihovo adhezijo na endotelij ter s tem njihov oksidativni izbruh. Ob tem je vključen tudi v proces opsonizacije4, saj se veže na določena zaporedja makromolekul mikrobov. Ker je eden od tistih proteinov, katerih sinteza se poveča tudi do 1000x, ga uporabljamo za določitev stopnje poškodbe tako, da merimo njegovo koncentracijo v

krvi. 5

Serumski amiloid A je del apoproteina, ki ga najdemo v HDL in deluje kemotaktično za nevtrofilce. Pri kroničnih vnetjih iz njega nastaja netopni amiloid A, ki se nalaga v tkivih.

V jetrih se morajo Na novo se morajo sintetizirati koagulacijske beljakovine, ki so bile izgubljene, npr. ob krvavitvi. Primer je fibrinogen.

Inhibitorji proteaz, npr. 1-antitripsin, s svojim delovanjem skrbijo, da ne bi prišlo do

prevelike poškodbe tkiva ob vnetju.

Eden od načinov boja proti tujim organizmom je sproščanje ROS iz levkocitov. Za nastanek ROS so potrebni prosti kovinski ioni, zato so beljakovine, ki vežejo kovinske

ione antioksidanti. Ceruloplazmin veže baker, haptoglobin pa Hb.

beljakovine komplementa

3 Namesto originalnega tkiva se na poškodovanem območju razraste fibrin.4 Označitev delcev namenjenih za fagocitozo. Kadar makrofagi na delcu/celici zaznajo ustrezno oznako, delec/celico fagocitirajo.5 in govorita o tem, ali določena beljakovina spodbuja ali zavira razvoj vnetne reakcije.

4


Poznamo tudi faktorje akutne faze, to so snovi, katerih koncentracije v krvi pri akutni fazi narastejo, vendar ne nastajajo v jetrih. Primer so trombociti. Kadar se koncentracije plazemskih beljakovin znižajo, govorimo o negativnih faktorjih akutne faze. Primer sta albumin in transferin. Padec v koncentraciji slednjega ovira rast bakterij.

Pomen beljakovin akutne faze je vzdrževanje močne lokalne vnetne reakcije in hkratno preprečevanje njenega širjenja v neprizadete predele. Vzdržujejo torej ravno pravšnje ravnotežje med pro- in protivnetnimi dejavniki. Če se ravnotežje poruši, lahko nastopi sepsa, ki se konča s smrtjo.

7. Kdaj in zakaj se pospeši hitrost sedimentacije eritrocitov?6

Pospešena sedimentacija eritrocitov (SE) je znak, da v organizmu poteka citokinski odziv akutne faze. Do nje pride, ker se nekatere beljakovine akutne faze, npr. fibrinogen, vežejo na eritrocite in preko nevtralizacije negativnih nabojev sprožijo njihovo zlepljanje v stebričke. Stebrički eritrocitov so težji in zato sedimentirajo hitreje. Pospešeno sedimentacijo zasledimo pri akutnih in kroničnih mikrobnih vnetjih, infekcijskih boleznih, sistemskih avtoimunskih boleznih veziva in sklepov, ishemičnih nekrozah tkiv, malignomih z nekrozami, obsežnih poškodbah in operacijah.

8. Kako je nadzorovan citokinski odziv?Citokinski odziv nadzorujejo predvsem jetra, CŽS in endokrini sistem:

Endokrini sistem deluje na citokine preko negativne povratne zanke katere nosilci so glukokortikoidi (kortizol).

Glukokortikoidi zavirajo delovanje makrofagov in drugih vnetnih celic. Jetra in adenohipofiza izločata plazemski antagonist receptorja za IL-1, ki se veže

na receptorje za IL-1 in tako prepreči njegovo delovanje. Hkrati z vnetnimi citokini se sproščajo tudi protivnetni, predvsem IL-6. Le ta se

izloča pod vplivom IL-1 tudi v CŽS, kjer modulira dejavnost imunskih celic.

9. Opiši nekaj primerov, kako so posamezni odzivi med nespecifičnim odzivom na stres povezani med seboj v celoto!

STRES KOT PATOGENI DEJAVNIKKronični stres je posledica dolgotrajnega delovanja hudih stresorjev in povzroča bolezen, saj nenehna aktivnost HHS osi in neprekinjeno izločanje citokinov delujeta škodljivo na organizem. Lahko se razvijejo anemija, kaheksija ali amiloidoza. Pogosteje se pojavijo duševne bolezni, kot so depresivne epizode, samomorilno vedenje in zasvojenost, metabolične bolezni (metabolični sindrom) ter bolezni KVS (ateroskleroza). Možne so tudi motnje učenja in spomina, kar je posledica delovanja glukokortikoidov na hipokampus7. Zmanjša se sposobnost nevronov za uravnavanje koncentracije Ca2+, kar ovira njihovo delitev, lahko pa povzroči tudi njihov propad zaradi pomanjkanja antiapoptotičnih dejavnikov.

Nagnjenost k stresu (stresna diateza) določa kako se bo posameznik v 'normalnih' okoliščinah odzval na stres. Odvisna je od dednih dejavnikov in dejavnikov okolja. Pomemben dejavnik okolja je stopnja stresa v zgodnjem otroštvu. Na živalih so dokazali, da podhranjenost fetusa v uterusu in zlorabe/zanemarjanje v otroštvu vplivajo na to, da ima ta otrok kot odrasel veliko večjo nagnjenost k stresu, je manj ambiciozen ter bolj plašen.

Stres predstavlja konflikt med našo biološko zgradbo in civilizacijo, saj skozi evolucijo nismo razvili mehanizmov za premagovanje/obvladovanje dolgotrajnega stresa. V preteklosti je podedovana nagnjenost k stresu omogočala preživetje prihodnjim generacijam. Dolga slaba obdobja so povzročila pretirano občutljivost potomcev, kar jim je omogočalo preživetje, saj so

6 Za bolj natančen opis SE glej vpr. 66.6.7 (*) Po novejših dognanjih naj bi se bili nevroni hipokampusa sposobni deliti celo življenje in so povezani z učenjem in spominom.

5


npr. nabrali veliko več hrane v času obilja v pričakovanju dolge suše in so tako lažje prebrodili čase pomanjkanja. Danes nam stres ne koristi več, ampak nas samo počasi ubija.

3. Koristni in škodljivi učinki prostih radikalov

1. Kateri prosti radikali so pomembni pri razvoju bolezni?Prosti radikali so molekule ali deli molekul, ki imajo na eni od orbital vsaj en nesparjen elektron. Med prostimi radikali so v našem organizmu najpomembnejše reaktivne kisikove spojine (ROS), ki se v telesu tvorijo fiziološko. Med pomembne ROS prištevamo: hidroksilni radikal (OH ), vodikov peroksid (H2O2), peroksid (ROO) in superoksidni anion (O2

-)8.

Vsakršna motnja v njihovem nastajanju ali inaktivaciji vodi v bolezenska stanja. Poškodbe celic z ROS so lahko epigenetske ali genotoksične. Epigenetske so poškodbe strukturnih in funkcijskih molekul celice, genotoksične pa posredne in neposredne poškodbe dedne snovi.

2. Učinki reaktivnih kisikovih spojin so odvisni od njihove reaktivnosti in topnosti v telesnih tekočinah in lipidih. Razloži zakaj!Za proste radikale velja, da imajo bolj reaktivne spojine navadno intenzivnejše učinke, vendar delujejo zgolj lokalno, medtem ko imajo manj reaktivne spojine večji radij delovanja. Pri slednjih pomembno vlogo igrajo morebitne difuzijske prepreke, npr. topnost v lipidih.

3. V kakšnih razmerah nastaja hidroksilni prosti radikal v telesu in kakšne poškodbe povzroča? Ali deluje genotoksično ali povzroča epigenetske poškodbe? Ali je to morda odvisno od tega, kje nastane? Če da, zakaj tako?Hidroksilni radikal nastane iz H2O2 in O2

- pod vplivom ionizirajočega sevanja, UZ in ozona ter pri reakcijah kataliziranih s kovinskimi ioni. Najpogosteje so udeleženi železovi ali bakrovi ioni. Kadar je udeleženo železo govorimo o Fentonovih reakcijah, ki potekajo v treh stopnjah:

Kadar se čezmerno nalagajo v tkivih, lahko kovine bistveno prispevajo k nastajanju prostih radikalov v organizmu. Primeri takih stanj so hemosideroza, Wilsonova bolezen9 in hemartroza pri hemofilikih. V teh primerih se tudi pokažejo škodljivi učinki hidroksilnega radikala. Če radikal nastane v citoplazmi, ne more biti genotoksičen, ker ima zelo kratek razpolovni čas in difuzijsko razdaljo. Zato pa lahko povzroči številne epigenetske poškodbe. Nasprotno pa je OH, ki nastane v jedru ali mitohondriju, predvsem genotoksičen. Mitohondriji se zaradi njegovega delovanja starajo in propadajo, kar po nekaterih novejših teorijah vodi v proces staranja organizma. Radikal deluje tako, da oksidira sladkorno komponento ali baze nukleinskih kislin. Primer je hidroksilacija gvanilne skupine DNA, ki jo lahko natančno zasledujemo. Od zmogljivosti reparacijskih procesov bo odvisno ali se bo nastala napaka popravila ali ne.

4. Kakšna je vloga hidroksilnega radikala pri lipidni peroksidaciji? Kako pride do verižne reakcije peroksidacije lipidov in kako se reakcija lahko prekine? Kakšne so

posledice lipidne peroksidacije?Začetek peroksidacije fosfolipidov in nenasičenih MK je odvzem atoma vodika v reakciji z OH.

8 Niso vsi prosti radikali ROS in niso vsi ROS prosti radikali. V tem primeru sta prosta radikala le hidroksilni radikal in superoksidni anion, medtem ko so drugi trije zgolj ROS, ne pa tudi prosti radikali.9 Je dedna bolezen, pri kateri se zaradi pomanjkanja ceruloplazmina v tkivih kopiči baker. Značilne motnje so mentalna zaostalost, tremor, motena koordinacija gibov ter okvare jeter, roženice in ledvic.

6


Nastanejo heteroradikali z nesparjenim elektronom na C atomu. Po preureditvi atomov nastanejo konjugirani dieni in reakcija se ustavi, če pride v stik z drugim C radikalom. Do povezave dveh radikalov prihaja predvsem v lipidnem dvosloju celične membrane, ki zaradi tega postane bolj rigidna. Lahko pa pride do reakcije z drugimi membranskimi proteini, encimi, kanali in receptorji, kar močno vpliva na njihovo funkcijo. V aerobnih razmerah radikal običajno reagira z O2 in tvori peroksidni radikal, ki vodi v verižno reakcijo oksidacije lipidov. Tudi pri lipidni peroksidaciji je pomemben faktor železo.

V večini membran verižna reakcija peroksidacije ne bo potekala daleč, preden bo lipidni prosti radikal zadel beljakovino in jo poškodoval. Beljakovine napadejo alkoksilini10, nekoliko počasneje pa tudi peroksilni radikali. Fosfolipidi so razmeroma odporni proti peroksidaciji, vendar lahko že majhna poškodba membrane sproži verižno reakcijo nastanka lizofosfolipidov, produktov peroksidacije, ki imajo detergentom podobno delovanje s katerim poškodujejo membrane. Iz dvosloja se izgubljajo MK, ker vstopajo v reakcije s prostimi radikali. Večje količine zavirajo peroksidacijo membranskih lipidov, medtem ko jo manjše pospešujejo. Skozi poškodovano membrano vdre Ca2+ v celico in K+ iz celice, kar vodi v nekrozo celic.

Malonilaldehid11 nastaja v majhnih količinah v vseh tkivih, več pa ga nastaja med peroksidacijo v mikrosomskih frakcijah jeter. Normalne funkcije membranskih proteinov prizadene tako, da jih prečno poveže ali inhibira njihove funkcionalne skupine (NH2, SH2). V membranah nastajajo veliki agregati nefunkcionalnih proteinov, ki povzročijo njen propad. Propad običajno dodatno pospešijo še drugi produkti lipidne peroksidacije.

Med lipidno peroksidacijo nastajajo bioaktivne spojine, ki imajo lahko škodljive ali pogojno koristne učinke. Med škodljive snovi prištevamo kancerogene snovi in radikale, ki inhibirajo funkcionalne skupine encimov, med pogojno koristne pa snovi s trombogenimi učinki. Ciklični endoperoksidi, ki nastajajo iz arahidonske kisline imajo pomembne (pato)fiziološke funkcije pri vnetju, hemostazi in uravnavanju telesne temperature ter žilnega tonusa. Prosti radikali iz aktiviranih fagocitov pobijajo mikrobe.

Kot posledica peroksidacije se v celici pričnejo kopičiti starostni pigmenti kot sta ceroid in lipofuscin. Gre za polimere oksidiranih lipidov združenih s kovinami in beljakovinami. Visoke koncentracije železa in bakra v njih kažejo na to, da kovinski ioni igrajo pomembno vlogo pri njihovem nastanku.

10 So prosti radikali in ROS, RO.11 Iz lipidnega hidroperoksida, stranskega produkta reakcije med normalnim lipidom in radikalom, nastanejo ciklični peroksidi in endoperoksidi. Le ti se fragmentirajo do aldehidov in/ali polimerizirajo v druge toksične presnovke.

7


5. Kdaj v organizmu prekomerno nastaja kisikov singlet? Katere bolezni so povezane z njegovim nastankom?Kisikov singlet (O2

) nastaja pri številnih fotodermatozah, med katerimi je najbolj tipična porfirija. Prosti radikal nastane pri osvetlitvi riboflavina in drugih riboflavinskih mononukleotidov ter bilirubina, kot posledica njihove fotoizomeracije. Zato se patološke spremembe pojavijo na osvetljenih delih kože.

6. Pomen superoksidnega aniona v patofizioloških procesih: v kakšnih razmerah nastaja in kakšne poškodbe lahko povzroči neposredno in posredno prek nastanka drugih prostih radikalov.Superoksidni ioni nastajajo iz O2 vsakodnevno med normalnimi celičnimi procesi. Od 90 do 95% vdihanega zraka se porabi v dihalni verigi. Pri tem lahko ROS nastajajo pri ubikinonu, zlasti pri povečanem tlaku kisika, in citokrom-oksidazi, kjer pa dejstvo še ni bilo potrjeno. Nastajajo predvsem pod vplivom ksantinske oksidaze, ki prenaša elektrone od substrata na NAD+

namesto na kisik. Preostali kisik se vključi v številne druge reakcije v organizmu. Tako ROS nastajajo še pri fagocitozi, citokromu P450, encimski oksidaciji in avtooksidaciji substratov.

Superoksidni ion odstranjuje superoksidna dismutaza (SOD), vendar je reakcija brez katalizatorja zelo počasna. O2

- ima zato čas difundirati daleč od kraja nastanka. Poleg tega lahko prehaja tudi skozi nekatere anionske kanalčke. Ker pa je O2

- slabo reaktiven v vodi, se raje pretvarja v druge oblike ROS.

7. Ali je vodikov peroksid prosti radikal? Kakšne poškodbe povzroča in zakaj je nevaren?H2O2 je ROS, vendar ni prosti radikal. Nastaja kot posledica encimskega odstranjevanja O2

- z dismutazo in peroksidazo. Neposredno lahko inaktivira encime s SH skupinami, lahko pa oksidira tudi nekatere ketokisline (npr. piruvično). Lahko prehaja celične membrane in zaradi majhne reaktivnosti reagira daleč od mesta nastanka. Če v citosolu reagira s kovinskimi ioni, nastane OH.

8. Reaktivne kisikove spojine nastajajo v organizmu tudi v normalnih razmerah. Prekomerne koncentracije nastanejo, kadar jih preveč nastaja (razlogi?) ali se premalo odstranjujejo (razlogi). Naštej nekaj primerov. Opiši mehanizme za odstranjevanje prostih radikalov. Razloži encimsko katalizirane reakcije in delovanje “lovilcev” prostih radikalov.Temeljna zaščita celice pred ROS je njena strukturna in funkcijska integriteta. V tem pomenu so zaščita tudi reparacijski mehanizmi DNA. Bolj specifična zaščita temelji na posameznih encimih, ki odstranjujejo ROS in delovanju antioksidantov, ki preprečujejo, zmanjšujejo ali ustavljajo z ROS povzročene verižne oksidacije.

Poznamo dve vrsti antioksidantnih encimov, ki delujejo proti ROS, to so hidroperoksidaze in SOD. Slednje je ime za družino metaloproteinov, encimov, ki katalizirajo isto reakcijo:

Poznamo dva tipa SOD. Prvi tip se nahaja v citoplazmi in vsebuje baker in cink, drugi tip se nahaja v mitohondrijih, njegova kovina pa je mangan.

SOD tesno sodelujejo z hidroperoksidazami, encimi, ki odstranjujejo H2O2. Glavna predstavnika sta katalaza in glutationska peroksidaza.

8


Antioksidant je snov, ki v koncentraciji, ki je majhna v primerjavi s koncentracijo tarčne snovi prostega radikala, prepreči, odloži ali zavira oksidacijo tarčne snovi. Učinkujejo lahko na različnih stopnjah oksidacijskega procesa. Glavni antioksidanti so:

Vitamin E (-tokoferol) je fenolni antioksidant, je lipidotopen in se kopiči v hidrofobni notranjosti membran. Verižno reakcijo peroksidnega radikala pretrga tako, da prispeva vodik in sam postane stabilen prosti radikal. Včasih se sam razgradi, drugače pa ga askorbat reducira nazaj v vitamin E.

Vitamin C (askorbinska kislina) lahko deluje kot anti- ali prooksidant, odvisno od razmer v okolju. V navzočnosti bakrovih in železovih ionov v vodni raztopini deluje kot prooksidant, odvisno od razmerja koncentracij ionov in kisline. Pri visoki koncentraciji askorbata bo deloval kot antioksidant, pri nizki kot prooksidant.

Karotenoidi (npr. -karoten) so dobri lovilci prostih radikalov pri nizkem pO2, npr. v zdravem tkivu. Poleg tega preprečujejo delovanje singletov kisika in delujejo sinergistično z vitaminom E v lipidnem okolju, kjer je askorbat brez učinka.

9. Vloga prostih radikalov v obrambi organizma: opiši vlogo prostih radikalov pri nevtrofilcih, pri vnetju in pri uravnavanju žilnega tonusa. Uporabi podatke iz drugih predavanj (vnetje, hemoragična diateza in tromboza, ateroskleroza...) Prosti radikali lahko povzročijo akutno poškodbo celice in celično smrt, s počasnimi spremembi vodijo v degeneracijo in staranje ter so vpleteni v celo vrsto patoloških procesov. Vendar pa poznamo tudi bolezenska stanja, ki nastanejo zaradi njihovega pomanjkanja, npr. hemoragična diateza pri pomanjkljivem nastajanju tromboksana.

Makrofagi in nevtrofilci v posebnih vakuolah proizvajajo ROS, ki jih sproščajo ob vnetju in na ta način pobijejo viruse, bakterije in glive.

10. Razloži vlogo prostih radikalov pri ishemični poškodbi organizma.

Hipoteza o reperfuzijski poškodbi ishemičnega organa, npr. pri miokardnem infarktu, postavlja v ospredje ksantinsko oksidazo12. Kaskada dogodkov pripelje do nastanka H2O2 in HO, ki poškodujeta celične membrane. Viri ROS so poleg encima še nevtrofilci, avtooksidacija kateholaminov, ciklooksigenaza, lipoksigenaza pri oksidativnem stresu in Fentonove reakcije ob prisotnosti Fe2+.

Med ishemijo upada koncentracija ATP, nastaja AMP in iz njega hipoksantin. Ksantinska dehidrogenaza prične delovati kot oksidaza, najverjetneje zaradi vdora Ca2+ v celico in vezave na kalpain ter oksidacije SH skupin med reperfuzijo. Nastali prosti radikali zmanjšajo kontraktilnost miokarda in ga ireverzibilno poškodujejo.

12 V prid tej teoriji govori dejstvo, da lahko alopurinol, inhibitor ksantinske oksidaze, prepreči postreperfuzijske poškodbe miokarda.

9


4. Vnetje

1. Definicija vnetja.Vnetje je lokalna reakcija tkiva na poškodbo. Poteka na ravni mikrocirkulacije in ima številne, včasih tudi škodljive stranske učinke. Vnetja imajo različne morfološke posebnosti, odvisno od vnetnega povzročitelja, jakosti dražljaja in lokalizacije v telesu. Vnete izzovejo fizikalni, kemijski in biološki dejavniki ter imunski odgovor.

Vnetje ni enako imunskemu odzivu! Imunski odziv temelji na limfocitih in APC, vnetje pa na celicah nespecifičnega imunskega sistema. Vendar imunski odziv lahko sproži vnetje.

2. Časovni potek sprememb v mikrocirkulaciji.Najprej pride do vazodilatacije in odprtja prekapilarnih sfinktrov, kar povzroči povišan hidrostatski tlak v kapilari. Zaradi premika Starlingovih sil v prid filtracije se razvije edem. Ker tekočina odteka iz kapilar, se viskoznost krvi

poveča in pride do zlepljanja eritrocitov ter žilne staze - pasivna hiperemija. Zaradi počasnosti toka je omogočena marginacija in migracija nevtrofilcev v tkiva. Nevtrofilci fagocitirajo bakterije, nato pa ščasoma propadejo in skupaj s propadlimi tkivnimi celicami tvorijo gnoj. Vnetje se konča z resorbcijo vnetnega infiltrata, fibrozo13, kroničnim vnetjem, organizacijo ali s smrtjo.

Nevrogena komponenta vnetja je aksonski refleks, ki se širi centripetalno in antidromno ter povzroča vazodilatacijo arteriol. Iz senzoričnih končičev se sproščajo nevropeptidi substanca P, nevrokinezin A in CGRP, ki aktivirajo tkivne bazofilce. Bazofilci sproščajo histamin, ki deluje vazodilatorno in močno prispeva k širjenju in jakosti vnetja.

3. Znaki vnetja in njihovi mehanizmi.Znaki vnetja so rdečica, otekanje, toplota, bolečina in odpoved delovanja določenega tkiva/organa.

Rdečica in toplota nastaneta, ko pride do dilatacije arteriol in se odprejo prekapilarni sfinktri, kar poveča količino tople krvi v kapilarah, kar pomeni tudi večjo količino Hb, ki daje tkivom rdečo barvo - aktivna hiperemija.

13 Če je porušena osnovna struktura tkiva, se na mestu poškodbe namesto prvotnega tkiva razraste vezivo.

10


Hidrostatski tlak v kapilari naraste, zaradi česar nastopi intenzivna filtracija plazme v intersticij. Če se filtrira le plazma, govorimo o transudatu, če pa se prepustnost kapilar in venul poveča do te mere, da se filtrirajo tudi plazemski proteini, dobimo eksudat. V obeh primerih pa zaradi kopičenja snovi v ECM nastane oteklina.

11


Bolečina in povečana občutljivost vnetega mesta je posledica kemičnih mediatorjev, ki dražijo živčne končiče in nižajo njihov vzdražni prag. Mediatorji so bradkinin, prostaglandin, nekateri levkotrieni in histamin. K bolečini prispevajo še ROS, ki nastajajo pri fagocitozi, lokalna acidoza in povišan tkivni tlak.

4. Nastanek in delovanje mediatorjev vnetja.Mediatorji so lahko vseskozi prisotni v plazmi ali pa so v plazmi prisotni njihovi neaktivni prekurzorji.

Mediatorji vseskozi prisotni v plazmi: Histamin je primer vedno navzočega

mediatorja, ki je tudi prvi mediator vnetja. Sprošča se iz tkivnih in krvnih bazofilcev ter trombocitov. Veže se na histaminske receptorje H1 na žilnem endoteliju in GMC. Posledica njegovega delovanja je povečana prepustnost kapilar in venul ter dilatacija arteriol. Če je v tkivu visoka koncentracija histamina, to občutimo kot bolečino. Deluje zelo hitro, vendar le kratek čas, saj ga kmalu inaktivirajo encimi.

Druga dva mediatorja, ki sta vedno prisotna v krvi, sta serotonin, ki ga sproščajo trombociti, in lizosomske proteinaze, ki se sproščajo iz nevtrofilcev in makrofagov.

V plazmi so prisotni prekurzorji, ki se aktivirajo ob poškodbi: Hagemanov faktor (XII) se aktivira, ko plazma pride v stik s kolagenom, bazalno

membrano kapilar ali medceličnino v navzočnosti prekalikreina, kininogena, plazmina in lizosomskih proteaz. Je proteolitični encim, ki pretvarja prekalikrein v kalikrein. Vzdržuje arteriodilatacijo, povečuje prepustnost kapilar in povzroča hiperalgezijo14.

Aktiviran kininogen je bradikinin, peptid, ki nastane pod vplivom proteolitičnih encimov v plazmi po poškodbi endotelija žil. Posledice njegovega delovanja so dilatacija arteriol, povečana prepustnost kapilar in venul, bolečina in hiperalgezija.

Plazmin

Kalikrein od kininogena cepi bradikinin, poleg tega pa cepi plazminogen v plazmin.

Fibrinopeptidi so produkti razgradnje fibrina. Povečujejo prepustnost kapilar in venul ter delujejo kemotaktično za levkocite.

Sistem komplementa se aktivira v obliki kaskadne reakcije. Aktivacija lahko poteka po klasični poti s kompleksom antigen-protitelo, po alternativni poti z bakterijskimi endotoksini in neposredno s proteolitičnimi encimi, plazminom, trombinom ali lizosomskimi proteinazami. Aktivirani delujejo kot proteolitični encimi:

C3a in C5a (anafilatoksin) spodbujata sproščanje histamina in na ta način povečujeta permeabilnost kapilar in venul.

C5a je močan kemotaktični agens. C3b deluje kot opsonin in omogoča fagocitozo nevtrofilcev in makrofagov. MAC (membrane attack complex) povzroča lizo celic.

Pomembni mediatorji vnetne reakcije so eikozanoidi, derivati arahidonske kisline. Delimo jih na prostaglandine, prostacikline, tromboksane in levkotriene. Vsi delujejo kot vazodilatatorji,

14 preobčutljivost za bolečinske dražljaje

12


povečujejo kapilarno prepustnost ter vzbujajo občutek bolečine. Levkotrieni so poleg tega močni kemotaktični mediatorji. Njihova sinteza poteka v aktiviranih tkivnih bazofilcih, makrofagih, nevtrofilcih, endotelijskih celicah in trombocitih. Začne se, ko fosfolipaza A2 odcepi arahidonsko kislino od membranskih fosfolipidov. Sinteza prostaglandinov, prostaciklinov in tromboksanov se nadaljuje s ciklooksigenazami (COX), levkotrienov pa z lipooksigenazami.

Fosfolipaza A2 je prvi encim v sintezi PAF (platelet derived activating factor ali dejavnik aktivacije trombocitov), ki se sintetizira iz ostanka molekule fosfolipida po odcepu arahidonske kisline v tkivnih bazofilcih, makrofagih, nevtrofilcih, endotelijskih celicah in eozinofilcih. Je vnetni mediator vseh faz vnetja in vpliva na vazodilatacijo, permeabilnost žil, adhezijo levkocitov na endotelij, kemotakso, oksidativni izbruh in degranulacijo nevtrofilcev. Zelo pomemben je pri bronhialni astmi, ker povzroča bronhospazem.

Pomembni dejavniki vnetja so citokini, predvsem IL-1 in TNF-, ki jih tvorijo aktivirani makrofagi, limfociti in endotelijske celice. Citokini so mediatorji adhezije levkocitov, kemotaktični dejavniki in inducirajo sintezo številnih drugih kemičnih dejavnikov, npr. eikozanoidov, rastnih dejavnikov in citokinov. Poleg tega povzročajo nevtrofilijo15, zavirajo eritropoezo, aktivirajo limfocite T in B, spodbujajo proteolizo v mišicah16, sintezo beljakovin akutne faze in imajo še nekatere druge sistemske učinke.

Pomemben vnetni mediator je tudi NO, ki se sintentizira v makrofagih in endotelijskih celicah z iNO-sintazo, ki je neodvisna od intracelularnega Ca2+, ter v specifičnih nevronih v možganih, kjer sinteza poteka z NO-sintazo, ki se aktivira ob zvišani koncentraciji Ca2+. Sintaza katalizira pretvorbo

arginina v citrulin in NO. NO deluje parakrino17 in povzroča vazodilatacijo, zmanjša agregacijo/adhezijo trombocitov, inhibira tkivne bazofilce in zavira aktivacijo levkocitov. Skrbi za to, da vnetni odgovor ne postane premočan. Vendar je delovanje NO kratkotrajno, ker se oksidira že v nekaj sekundah. Posebno je delovanje NO v makrofagih, kjer reagira z O2, O2

- in kovinskimi ioni ter tvori RNS, ki so citotoksične za nekatere mikrobe.

15 zvišana koncentracija nevtrofilcev v periferni krvi16 predvsem TNF-17 preko cGMP

13


5. Sistemski učinki vnetja.Vsako obsežno lokalno vnetje je lahko sistemski stresor in kot tak sproži odziv akutne faze. Pri tem se citokini sproščajo v sistemsko cirkulacijo in sprožijo učinke opisane v 2. poglavju.

Sindrom sistemskega odziva (SIRS) in sepsaSistemski odziv s citokini, ki delujejo provnetno, je običajno zmeren in ustrezno uravnotežen s protivnetnimi citokini (IL-4, 10, 11 in 13) ter refleksnimi mehanizmi preko avtonomnega živčevja (vagus) in protivnetnim delovanjem kortizola (HHS os). Če pa pride do prevelikega izločanja citokinov in/ali do neustreznega ravnotežja, se razvije SIRS. Pogoj za SIRS je razvoj najmanj dveh od sledečih znakov: TT nad 38C, srca več kot 90 utripov/min, dihanja več kot 20 vdihov/min, padec koncentracije CO2 v krvi in porast levkocitoze na več kot 20 ali padec levkonemije pod 418. Organizem se odzove z mobilizacijo vseh obrambnih mehanizmov, vendar se, če je odziv premočan, razvije popoln cirkularni kolaps. Močna vazodilatacija povzroči hipotenzijo in redistribucijo obtoka, kar vodi v šok. V posameznih organih nastopi stagnacijska hipoksija, ki vodi v MODS (moteno delovanje organa) ali MOF (multiple organ failure).

Izčrpanost citokinskega odziva ali premočno protivnetno delovanje vodi v imunosupresijo, ki poveča možnost za sekundarne okužbe. Le-tem običajno sledi MOF in smrt organizma.

6. Prijemališče protivnetnih učinkovin.Vnetje zaviramo z nesteroidnimi antirevmatiki, kot sta aspirin in indometacin, ali s steroidnimi protivnetnimi zdravili, ki temeljijo na glukokortikoidih. Prva skupina zdravil deluje na COX-1 in 2, druga pa na fosfolipazo A2. COX-1 se izloča konstutivno, npr. v želodčni sluznici, medtem ko se COX-2 izloča inducibilno iz vnetnih celic, predvsem makrofagov. Zato se je pričel razvoj koksibov, zdravil, ki bi inhibirali samo COX-2. Dosedanji poskusi so bili relativno neuspešni, ker so ta zdravila povečevala možnost destabilizacije aterosklerotičnih plakov in s tem povečevala tveganje za srčni infarkt.

Glukokortikoidi inducirajo sintezo lipokortina-1, ki je ključen za delovanje fosfolipaze A2. Takšna indukcija zmanjša nastajanje eikozanoidov, aktivacijo levkocitov, sproščanje histamina iz tkivnih bazofilcev in sintezo citokinov. S tem blažijo vse znake vnetja, vendar ne preprečijo infekcije19 in zavrejo tudi kasnejše reparativne procese, rast kapilar, množenje fibroblastov, nastajanje kolegena. Povečujejo resorbcijo kostnine (sekundarna osteoporoza) in inhibirajo apoptozo nevtrofilcev.

5. Celični mehanizmi vnetja

1. Vrste celic, ki sodelujejo pri vnetju.Pri akutnem vnetju sodelujejo nevtrofilci, bazofilci in makrofagi, pri kroničnem vnetju pa se že naštetim pridružijo še limfociti.

2. Kemotaksa pri vnetju (pojav in uravnavanje).Prvi pridejo na mesto vnetja tkivni bazofilci in makrofagi, ki so v majhnem številu vedno prisotni v tkivih.

V 6-24 urah pride do aktivacije nevtrofilcev. Najprej pride ob pomoči različnih receptorjev20 do marginacije in adhezije na endotelij kapilar. Temu sledi migracija s kemotakso, ki jo omogoča ameboidno gibanje vnetnih celic. Kemotaksa je pozitivna in jo sprožajo različni vnetni mediatorji, C5a, IL-1, PAF in TNF-. Ko se kemotaktični mediator veže na celični receptor se v celici aktivira adenilat ciklaza, ki poveča sintezo cAMP. cAMP pospeši glikogenolizo in poveča presnovo celice. Druga pot, ki se aktivira v celici, je aktivacija fosfolipaze C, ki PIP2 razdeli v DAG in IP3. Rezultat je povečana koncentracija Ca2+ v citosolu, kar posredno ali neposredno vpliva na celično aktivnost. Končni produkt delovanja kemotaktičnih mediatorjev je fosforilacija funkcionalnih beljakovin s kinazami.

18 Povečana levkocitoza oz. znižana levkonemija pomeni, da je v krvi okoli 10% nezrelih oblik levkocitov.19 Zato nevarnost sepse pri uporabi glukokortikoidov ostaja.20 Receptorji na levkocitih so integrini, na endotelijskih celicah so receptorji iz družine Ig in selektini. Izražanje receptorjev uravnavajo kemični mediatorji, npr. IL-1 in TNF-.

14


V 24-48 urah se nevtrofilcem pridružijo makrofagi. Obe vrsti celic sta del nespecifičnega imunskega sistema in ubijajo bakterije in druge mikroorganizme ter odstranjujejo odmrlo tkivo in tuje antigene.

3. Fagocitoza pri vnetju (pojav in uravnavanje).Nevtrofilci in makrofagi so sposobni fagocitoze tujih delcev. Fagocitoza se prične, ko kalcij v celici aktivira gelsolin, ki razstavi aktinsko mrežje pod plazmalemo in oblikuje psevdopodije. Celica objame opsoniziran tujek in ga vklopi v svojo citoplazmo v obliki fagosoma, mehurčka obdanega z membrano. V fagosomu se aktivira NADPH-oksidaza, ki katalizira nastanek ROS. Sproži se oksidativni izbruh, ki ubije mikroorganizem. V nevtrofilcih pri tem sodeluje tudi hipokloritni ion, močan oksidant, ki nastane pod vplivom mieloperoksidaze. Nato se fagosom zlije skupaj z lizosomom in dobimo fagolizosom, v katerem poteka encimska razgradnja.

Nevtrofilci so zmožni le omejenega število fagocitoz, preden propadejo zaradi agresivnih reakcij, ki v njih potekajo. Propadli nevtrofilci skupaj z nekrotičnimi tkivnimi celicami in propadlo medceličnino tvorijo gnoj. Vnetišče počistijo makrofagi, vnetni eksudat pa se resorbira ali pa vnetišče preraste vezivno tkivo in dobimo brazgotino.

4. Motnje celičnih funkcij pri vnetju.Poznamo več bolezenskih stanj, pri katerih so nevtrofilci neučinkoviti. To so levkopenija, levkemija, motnje kemotakse ali fagocitoze, prirojeno pomanjkanje aktivnosti NADPH-oksidaze, pri t.i. lenih lizosomih ali pri motnjah adhezije na endotelij kapilar in venul.

15


6. Staranje

1. Opredelitve staranja in starosti.Staranje je postopno propadanje telesne zgradbe in postopno pešanje telesnih funkcij. Razvije se s časom in povzroči zmanjšanje adaptacijske sposobnosti organizma in zveča verjetnost smrti. Biološki začetek staranja se prične z oploditvijo jajčeca, vendar o starosti govorimo v socialnem smislu, ki starost opredeli kot obdobje posameznika, ki traja od 65leta do smrti.

Geriatrija proučuje zdravstvene vidike staranje. Njen temeljni cilj je s preventivnimi ukrepi in starostniku prilagojenim zdravljenjem ohraniti fizično, psihično in socialno stabilnost v tretjem življenjskem obdobju.

Gerontologija je veda, ki raziskuje biologijo staranja in se ukvarja z mehanizmi povezanimi s staranjem. Ker je človek edino bitje, ki skuša zavestno upočasniti svoje staranje, je pomembno razumeti biološke temelje tega procesa in s tem mehanizme, ki ga pospešijo ali zavrejo.

2. Staranje in bolezen.Staranje lahko preučujemo tako, da določimo verjetnost mortalitete v določenem življenjskem obdobju. Vendar je verjetnost naraščanja mortalitete s starostjo neodvisna od bolezni. Staranje je namreč fiziološki proces in ne bolezen.

Maksimalna življenjska doba je od 100 do 115 let, kar nanese približno 40000 dni. Povprečna življenjska doba pa je le 28500dni. Kako si zagotovimo dodatnih 12500dni?

Telesne nesmrtnosti ni mogoče doseči.

3. Teorije staranja.Na staranje vplivajo okoljski in genetski dejavniki. Ker je želja po ustavitvi staranja prisotna že od pradavnine, je poznavanje vloge in mehanizmov delovanja procesa staranja v središču pozornosti številnih raziskovalcev. Tekom časa je nastalo več teorij, ki poskušajo razložiti staranje:

Evolucijska teorija temelji na domnevi, da se organizmi starajo, ker se s starostjo zmanjšujejo selekcijski pritiski. Za vsako vrsto je ključnega pomena, da imajo odrasli osebki plodne potomce in je povezano s selekcijo tistih lastnosti, ki to omogočajo. Ker starost ni evolucijsko privilegirano obdobje, mehanizmi, ki ohranjajo vitalnost v starosti niso tako dovršeni, kot v mladostnem obdobju.

Sistemske teorije obravnavajo staranje kot posledico sprememb uravnavanja sistemskih fizioloških količin. Nevroendokrina teorija govori predvsem o rastnem hormonu21. Imunološka teorija govori o spremembah v strukturi imunskega sistema, ki okvari delovanje citokinov, ki se izločajo tudi iz maščevja.

21 Nekoč prisoten v telovadnih tabletkah.

16


Molekulske in celične teorije razlagajo staranje organizma s spremembami na molekulski in celični ravni. Ker se v obdobju staranja spremeni intenzivnost izražanja nekaterih proteinov, se spremeni tudi reparativna kapaciteta celice. Vendar se dejavnost škodljivih dejavnikov v okolici ne zmanjša, zato se poškodbe na molekulski ravni pričnejo kopičiti. Kot posledica tega kopičenja se pojavi oslabljena celična funkcija. Če povzamemo, molekulske in celične teorije predvidevajo, da se organizem stara, ker se starajo celice.

Celice se starajo zaradi endogenih in eksogenih dejavnikov. Med endogene dejavnike sodi t.i. genetski program staranja. Primer progerije je Hutchinson-Gilford, pri katerem progerin22 v jedru poruši diferenciacijo matičnih celic. Okvara na eni strani spodbuja nastanek osteogenih celic, po drugi strani pa zavira nastanek maščobnih celic.

Slika 1: Na sliki je 2-letna deklica z boleznijo Hutchinson-Gilford, ki zgleda kot 70-letnica. Maksimalna življenjska doba zanjo je 14 let.

Ugotovljeno je bilo, da se fibroblasti pri dojenčku podvojijo 60x, pri odraslem 40x in pri Wernerjevem sindromu pospešenega staranja pa le 30x. Mehanizem omejene podvojitve fibroblastov ni znan, vendar se je razvila hipoteza omejene dolgoživosti celic in skrajševanja telomer. Telomere so konci kromosomov v evkariontskih celicah, ki se lahko podvajajo samo z encimom telomerazo. Če encim ni prisoten oz. je njegova dejavnost iz kakršnega koli razloga zmanjšana, se kromosomi z vsako podvojitvijo skrajšajo. Ob skrajšanju se lahko izgubijo geni, kar določa omejeno dolgoživost celic.23 Celice, ki se morajo velikokrat podvojiti, npr. spermiji, celice zarodka in rakave celice, imajo še posebej dolge telomere.

Med eksogene dejavnike, ki pospešujejo staranje, sodijo tisti, ki so povezani s pretirano rabo celic, zaradi katere nastane v celici več poškodb. Pogoste so poškodbe zaradi prostih radikalov, ki nastanejo zaradi ionizirajočega sevanja in presnovnih procesov v mitohondrijih ter mikrosomih. Delovanju prostih radikalov nasprotujejo različni encimski sistemi in antioksidanti, vendar se s staranjem njihova učinkovitost zmanjšuje. Posledica zmanjšane učinkovitosti je kopičenje produktov lipidne peroksidacije. Primer je lipofuscin, ki ga najdemo v številnih celicah starajočega se organizma.

Oksidacijska poškodba s prostimi radikali kaže evolucijsko povezanost z dolgoživostjo. Protein/gen povezan z oksidativno poškodbo je p66sch. Njegova delecija povzroči dolgoživost mišk, vendar ni natančno znano na kakšen način. Na voljo sta dve teoriji, fosforiliran p66sch je lahko povezan z neustrezno reparacijo ali z neustreznim proženjem apoptoze.

Slika 2: TF p53 ob napaki na DNA ustavi podvajanje in sproži apoptozo ali reparacijo, zaradi česar ga imenujemo varuh genoma.

Kot smo videli, je dolgoživost tesno povezana z oksidacijsko poškodbo. Povezana pa je tudi s kalorično restrikcijo. Namreč, oksidacijska

poškodba je proporcionalna vnosu hranil, saj je glede na hranila variabilna obremenitev organizma s prostimi radikali. Na poskusih z miškami so dokazali, da zmanjšanje kaloričnosti hrane podaljša življenjsko dobo organizma.

22 Progerin je protein podoben laminu-A in je regulator transkripcije, ki skrbi za proces diferenciacije.23 To je bilo dokazano na transgenih miškah, ki so imele selektivno delecijo gena za telomerazo.

17


Kakšen je mehanizem, ki povzroča, da kalorična restrikcija prispeva k povečanju maksimalne in povprečne življenjske dobe mišk? Pospešeni presnovni procesi so povezani s povečanjem nastanka prostih radikalov, ki so kratkoživi, saj je njihova povprečna življenjska doba le nekaj ns, in zato učinkujejo predvsem na mestu nastanka, v mitohondrijih. Več prostih radikalov pomeni pospešeno nastajanje napak in pospešeno kopičenje okvarjenih molekul. Okvarjeni mitohondriji izdelujejo manjše količine ATP, poleg tega pa se poškodbe z dolgoživimi prostimi radikali lahko širijo v okolico.

FRANCOSKI PARADOKSRdeče vino vsebuje snov imenovano resveratrol, ki deluje enako kot kalorična restrikcija. Sodi v skupino polifenolov in nastaja v rastlinah kot odgovor na stres. V grozdni lupini nastaja kot posledica načina priprave vina. Snov je prisotna samo v rdečem vinu, ker se pri pripravi belega lupine zavržejo.

4. Razloži mehanizme starostnih znakov.Vsa tkiva in organi se s starostjo spremenijo:

Koža postane nagubana, hiperpigmentirana, tanka in prosojna zaradi zmanjšane plasti dermisa, manj elastična zaradi degeneracije in preurejanja kolagenskih vlaken ter suha zaradi zmanjšanja števila kožnih žlez. Pojavijo se spremembe v lasišču, ki povzročijo sive lase in plešo. Siva barva las je posledica pomanjkanja pigmenta v melanocitih. Poglavitni razlog vseh kožnih sprememb je zmanjšana količina matičnih celic, ki jih je še posebej veliko v lasnih mešičkih. Ker se s starostjo njihova potenca za ustvarjanje melanocitov zmanjšuje, lasje sivijo. Pogosteje se pojavijo tudi kožna obolenja kot so kožni rak in keratoze.

Muskuloskeletni sistem: Delež mršave mase24 se s starostjo zmanjšuje, kar je med drugim posledica sedentarnega načina življenja, medtem ko se relativno povečuje delež maščevja. Spremeni se struktura mišičnine, saj hitra glikolitična vlakna propadejo, počasna vlakna pa se ne spremenijo. V kostnini pride do neto razgradnje, zaradi česar se obnavljanje kostnine upočasni. K temu pripomore tudi zmanjšano izločanje hormonov, predvsem estrogena in rastnega hormona, ter zmanjšane obremenitve skeleta. Zmanjšata se masa in gostota kostnine, na kar kaže tudi visok odstotek osteoporoze v starosti. V 65 letu se lahko ohrani le 30% kostne mase.

Imunski sistem s starostjo oslabi, zaradi česar se poveča pojavnost infekcij. Eden od poglavitnih vzrokov je involucija timusa po 40-50 letu. Pri starostniku je prisoten povečan titer avtoprotiteles in poveča se pojavnost avtoimunih bolezni.

24 Mršavo maso predstavljajo skeletna mišičnina in kostnina.

18


Kardiovaskularna funkcija: S starostjo pada srčni indeks, vendar ostane zadosten za zadovoljevanje potreb organizma, saj je starostnik manj aktiven. Zaradi sprememb žilnega sistema, kot sta zmanjšana podajnost in povečana rigidnost, se poveča celokupni periferni upor. K povečanju pripomorejo tudi sedentarni način življenja in zmanjšanje mišične mase. Povečan celokupni upor pomeni povečano breme ob iztisu in s tem manjšo diastolično polnitev srca ter MV. Stena levega ventrikla se zadebeli. υ utripa v mirovanju je nespremenjena, zmanjša pa se maksimalna υ med naporom25. Zaradi zmanjšane odzivnosti avtonomnega živčevja je pogostejši pojav ortostatske hipotenzije.

Respiratorna funkcija: Zmanjša se elastičnost pljuč in pogoste so kalcifikacije mehkega tkiva ob steni prsnega koša, kar povzroča njegovo togost ter večji napor za dihalno muskulaturo. Poveča se RV, medtem ko se FRC in VC zmanjšata. Poleg tega se zmanjša količina kisika, ki ga kri prevzame v pljučih, vendar je zmanjšana respiratorna funkcija povsem dovolj za starostnikov način življenja.

Nevrološke funkcije: Masa možganov se zmanjša zaradi postopnega propada nevronov, kljub kompenzacijskem relativnem povečanju glija celic. Citološka slika nevronov se s starostjo spremeni, poveča se število inkluzij, spremeni se citoskelet in zmanjša se število dendritov. Posledici sta manjša funkcionalna plastičnost in spremenjena vsebnost kemičnih prenašalcev26. Sledijo funkcionalne spremembe v senzoričnem in motoričnem živčevju, zaradi česar so oslabljene refleksne povezave in spremenjena preudarna motorika. Reakcijski časi se upočasnijo. Pojavijo se problemi s kratkotrajnim spominom, vendar se kognitivne sposobnosti pri zdravih posameznikih ne spremenijo. Spremembe osebnosti so redke, čeprav se poveča pojavnost psihiatričnih obolenj.

Čutila delno izgubijo svojo funkcijo: Splošno se poslabša vid, predvsem zaradi zmanjšane lomnosti leče, ki povzroči

probleme pri gledanju na blizu. Pojavi se atrofija ciliarnika in zmanjša se elastičnost leče, ki postane rumenkasta. Zmanjša se tudi regeneracija fotoreceptorjev.

Pojavi se bilateralna izguba sluha za visokofrekvenčne tone. Zaradi atrofije olfaktornega bulbusa in sprememb v sistemu okušanja se izgubita

vonj in okus.

V primerjavi z drugimi sistemi so spremembe gastrointestinalnega sistema manj izrazite. Bolj opazni sta izguba zob po 60 letu in spremembe prehranjevalnih navad, ki lahko vodijo v slabo prehranjenost. Starost pogosto spremlja atrofija želodčne sluznice, ki povzroči zmanjšano sekrecijo želodčnega soka. Spremembe v strukturi sluznic vplivajo na spremenjeno absorpcijo zdravil. Poleg tega so pogosti tudi divertikli debelega črevesja, ki v kombinaciji z malovlaknato hrano in sedentarnim načinom življenja povzročajo zaprtost.

V genitourinarnem traktu se gladko mišičje nadomešča z vezivom, kar zmanjša elastičnost. To vpliva predvsem na dinamiko sečnega mehurja. Pojavi se inkontinenca. Pri moških veliko problemov povzročajo benigne hiperplazije prostate. Spremembe ne onemogočajo spolnega življenja v starosti.

25 220-starost v letih26 Spremembe se lahko pojavijo med različnimi jedri.

19


Zmanjša se masa ledvic, predvsem skorje, zaradi česar je zmanjšana GF in spremenjeno izločanje zdravil.

5. Zakaj so nekatere bolezni pogostejše pri starejših osebah (osteoporoza, rak, sladkorna bolezen tipa II)?

Povečevanje deleža starostnikov v zahodni populaciji povečuje breme za sklade zdravstvenega in socialnega varstva. Vendar ima, kljub nepriviligiranem biološkem položaju, starost v družbi tudi pozitivno plat, saj omogoča dosego osebne rasti in zrelosti, ki s seboj prinese modrost.

7. Hipertermija

1. Temperatura telesne sredice in normalna temperatura.Ljudje smo homotermna bitja in imamo v določenem območju, ki ga imenujemo termonevtralno območje, fiziološko uravnavano T sredice. Ob zunanjih temperaturah, ki odstopajo od termonevtralnega območja si pri ohranjanju stalne T sredice pomagamo z vedenjskimi prilagoditvami27. T sredice je temperatura notranjih organov, ki se normalno giblje med 36,4 in 37,2 C28. Telesno T najpogosteje merimo aksialno, lahko pa tudi rektalno ali v ušesu. Meritev telesne T v ušesu ni primerna pri podhlajenem človeku, ker dobljena temperatura ne bo T sredice. Sredica je namreč dinamičen pojem, ki se spreminja glede na zunanje razmere. Pri sobni T je uho zelo blizu sredici, zato je meritev relativno natančna, čeprav se moramo zavedati, da ni povsem zanesljiva, saj lahko količina ušesnega masla do določene mere vpliva na rezultat. Pri podhlajenem pa se sredica premakne globlje v notranjost in meritev ni več pravilna. Edini zanesljivi način merjenja T podhlajenega je rektalno.

Temperatura vsakega posameznika niha v skladu s cirkardianim ritmom in doseže svoj maksimum okoli šeste ure popoldne ter minimum tik pred zoro. Poleg tega T niha tudi z menstrualnim ciklom, v skladu s presnovnimi učinki hrane, starostjo, telesno aktivnostjo in čustvovanjem.

Termoregulacijski center se nahaja v preoptični

regiji anteriornega hipotalamusa, kjer imamo termostat z nastavljeno vrednostjo – set point – za T sredice. V skladu z nastavljeno vrednostjo termoregulacijski center uravnava intenzivnost poteka nekaterih biokemičnih reakcij v efektorskih organih29. Informacije o trenutni T sredice pridobiva s pomočjo centralnih termoreceptorjev, ki se nahajajo v hipotalamusu, ob velikih venah trupa, ob hrbtenjači in v delih prebavnega trakta. Receptorji so živčne celice, katerih kemijski procesi so bistveno bolj občutljivi na T okolja kot v ostalih živčnih celicah.

27 Ljudje smo homotermni organizmi, vendar imamo relativno slabo površinsko izolacijo. Lahko se sicer prilagodimo določenim razmeram znotraj naših fizioloških meja (eskimi), vendar ostaja naš najpomembnejši mehanizem vzdrževanja primerne telesne T termoregulacija z obnašanjem, npr. da se toplo oblečemo ali zakurimo ogenj.28 Interval normalne telesne T se razlikuje od človeka do človeka. Zgornja številka se nanaša na oralno meritev zdravih odraslih v starosti 18-40 let.29 Efektorski organi so tisti organi, ki določajo stopnjo termogeneze in termolize, npr. mišice in jetra.

20


2. Mehanizmi nastanka in posledic eksogene hipertermije.Toplota je stranski produkt biokemijskih reakcij v organizmu in nastaja ves čas. Predstavlja 80% kemične energije, ki jo celica porabi za delo. Zaradi intenzitete nastajanja toplote bi se organizem, ki ne bi mogel oddajati toplote, ob bazalnem metabolizmu30 v povprečju vsako uro segrel za 1C31. Količina nastale toplote je odvisna od različnih dejavnikov:

Mišičnega dela, saj se med fizično aktivnostjo produkcija toplote, v primerjavi z bazalnimi pogoji, poveča za 5-10x. V mirovanju 70kg človek proizvede okoli 70kcal toplote/h, pri telesnem naporu pa do 700kcal/h.

Pomembna hormona sta predvsem tiroksin in adrenalin. Adrenalin deluje kratkotrajno, medtem ko so učinki tiroksina mnogo počasnejši in lahko na intenzivnost presnove vplivajo več tednov.

Telesne velikosti: Razmerje volumen/površina je manjše pri večjem telesu, kar pomeni, da je površina namenjena oddajanju toplote manjša.

Višja je T telesa, bolj intenzivno potekajo biokemični procesi, kar pomeni, da se tvori več energije. To velja le do neke meje, saj previsoke T povzročijo okvare beljakovin in tako hitro ustavijo vse procese.

Da ohranjamo stalno T sredice, mora bilanca toplote ostati ničelna, kar pomeni, da moramo oddati enako količino toplote kot smo jo prejeli. K sreči lahko oddajamo toploto na štiri različne načine:

Proces oddajanja toplote v obliki elektromagnetnih valov v infrardečem spektru imenujemo radiacija. Predstavlja do 60% oddane toplote pri bazalnih pogojih. Stopnja radiacije je odvisna od razlike v T med okolico in sredico ter od površine telesa.

Toploto lahko oddajamo mediju, ki nas obdaja. Kadar toploto oddamo predmetom okoli sebe govorimo o kondukciji. Fizikalno ozadje procesa je termično gibanje molekul, ki je bolj intenzivno pri višjih T. Kadar gledamo gibanje mas, npr. gibanje zračnih ali vodnih tokov, govorimo o konvekciji. Konvekcija je tudi način prenosa toplote iz sredice telesa proti plašču - gibajoča masa je kri. Intenzivnost obeh procesov je odvisna od T vode/zraka in od stopnje gibanja medija. V primeru, da je medij toplejši od telesa toploto sprejemamo.

Organizem se lahko hladi z izločanjem znoja, ki izhlapeva in s tem ohlaja površino telesa. Proces imenujemo evaporacija in je učinkovit samo v primeru, da vlažnost okolja ni 100%32. Če izpari 1l znoja, se iz telesa izloči 580kcal toplote33.

30 Bazalni metabolizem merimo v standardiziranih pogojih: po 12 urnem postu, zjutraj po spancu, ko oseba vsaj eno uro ni bila telesno aktivna in pri sobni T 25C.31 Pretvorbo energije v kcal/časovno enoto imenujemo metabolična (presnovna) intenzivnost. V bazalnih pogojih, pri Tokolja = 25C in 50% vlažnosti, nastaja 1kcal toplote/kg telesne mase/uro, kar je enako 4,2kJ/h oz. 40kcal (170kJ)/m2. Za segrevanje 1kg telesne mase za 1C potrebujemo ravno 1kcal. 32 V tem leži tudi razlaga zakaj lahko v finski (suhi) savni zdržimo dlje kot v turški (vlažni) savni.33 Pri telesni aktivnosti moramo dodatno izgubiti 630kcal toplote v primerjavi z mirovanjem. 630kcal/580 kcal = 1,09, kar pomeni da moramo na uro ob telesni aktivnosti izločiti približno 1l znoja.

21


Eksogena hipertermija je posledica motnje v odvajanju toplote iz telesa, zaradi česar je bilanca toplote pozitivna. Gre za primere, ko telesa ne moremo učinkovito ohlajati, npr. zaradi

100% vlažnosti, organizem proizvaja dodatno toploto, npr. ob telesnem naporu ali pa telo pridobiva dodatno toploto iz okolice, npr. v poletni vročini.

Regulatorni center poskuša znižati T, vendar če mu to ne uspe in T sredice preseže 41-42C nastopi vročinska kap. Takrat prične termoregulacijski center odpovedovati zaradi koagulacije beljakovin in T se dviguje vse hitreje. Pojavita se zmedenost in slabost, ki se nadaljujeta v nezavest in končno v komo. Pomoč takšnim ponesrečencem nudimo v obliki hlajenja telesne sredice.

3. Molekularni in patofiziološki mehanizmi endogene hipertermije.Endogena hipertermija je posledica dviga hipotalamičnega set-pointa. Ne gre za napako v uravnavanju telesne T, temveč za napako v nastavitvi telesnega termostata. Tudi tukaj je bilanca toplote pozitivna, kar je lahko posledica povišane termogeneze ali zmanjšane termolize. Sprememba temperature na termostatu je posledica delovanja

snovi imenovanih pirogeni. Pirogeni so lahko eksogeni ali endogeni. Eksogeni pirogeni so (gram negativne) bakterije in virusi, ki delujejo posredno preko nespecifičnega dela imunskega sistema tako, da izzovejo tvorbo endogenih pirogenov. Podobno delovanje imajo tudi alergijske reakcije in nekrotičen razpad tkiv. Endogeni pirogeni so IL-1, IL-1, IL-6, TNF- in interferon 34, snovi, ki vstopijo v krvožilni sistem ter povzročijo vročino preko dviga set-pointa v hipotalamusu.

Delovanje pirogenov sproži nastanek metabolitov arahidonske kisline, predvsem PGE2 v endotelijskih celicah žil v organum vasculosum laminae terminalis v anteriornem hipotalamusu. PGE2 preko cAMP sproži biokemijske reakcije za spremembo set-pointa. V telesu imamo tudi endogene antipiretike, ki zmanjšujejo nastanek endogenih pirogenov, npr. ACTH, melanocite stimulirajoči hormon in kortizol35.

Ob premiku set-pointa na višjo vrednost dobimo občutek, da nas zebe, 'paradoksalna podhladitev', in hipotalamus aktivira mehanizme segrevanja T sredice in inhibira termolizo. Iz centralnega živčevja se po -motoričnem nevronu prenese informacija za povišanje mišičnega tonusa. Zaradi počasnejšega odziva mišičnega vretena pride do oscilacije, sproščanja in napenjanja mišic. Torej drgetanje ni izključno posledica delovanja CŽS. Simpatik povzroči vazokonstrikcijo žil v koži. Povečano mišično delo in zmanjšano oddajanje toplote povzročijo porast T. Ogrevanje telesa preneha, ko je telesna T enaka novo nastavljenemu set-pointu. Imamo vročino.

Biološki učinki endogenih pirogenov:

34 IL-1, IL-1 in TNF- delujejo preko IL-6.35 Glukokortikoidi so najmočnejša zdravila proti vročini.

22


IL-1 in TNF- sta citokina, ki stimulirata fagocite, izločanje PGE2, tromboksana, trombocite-stimulirajočega dejavnika in pospešita glikogenolizo ter proteolizo v mišicah. Povzročata zaspanost in izgubo apetita ter povečata krvne koncentracije ACTH, ADH, rastnega hormona, inzulina, kortizola in kateholaminov.36

IL-1 inducira sintezo IL-8, ki stimulira kemotaktično gibanje nevtrofilcev in preko IL-2 pospešuje delovanje limfocitov T.

Ko zaužijemo zdravila proti vročini, antipiretike ali glukokortikoide, set-point ponovno pade na prvotno vrednost. T sredice je nenadoma previsoka, zato prične hipotalamus telo ohlajati. Poveča se termoliza, pospeši se evaporacija in pride do vazodilatacije. Vzpostavi se negativna bilanca toplote in T kmalu pade.

4. Patofiziološki vidiki delovanja antipiretikov in ukrepov pri hipertermiji.Problem hipertermije je, da ko T sredice doseže določeno vrednost, center v hipotalamusu odpove. Daljša hipertermija povzroči odpoved možganskih, jetrnih, ledvičnih in kasneje tudi drugih celic. Če se stanju pridruži še dehidracija, sledi izguba zavesti, ki se brez ustrezne pomoči konča s smrtjo zaradi odpovedi dihalnega in vazomotornega centra. Posebej ogroženi so majhni otroci, ki ne morejo izraziti žeje in starejši, ki imajo okrnjen občutek za žejo.

Hipertermijo zdravimo glede na njen vzrok in glede na pridružene poškodbe ter stanje bolnika. Vročina je lahko koristna ali škodljiva. Po eni strani je naravni odgovor organizma na vdor tujkov, po drugi pa pospeši patološke procese in poveča utrujenost, somnolenco, glavobol, izgubo apetita ipd. Zato moramo vsakič pretehtati ali je zbijanje vročine potrebno ali ne.

8. Hipotermija37

1. Stalnost temperature in življenjski procesi.Območje od 0-42C imenujemo biokinetična cona in predstavlja T območje v katerem lahko biološki procesi v organizmu normalno potekajo. Ob tem se je potrebno zavedati, da so v telesu sklopljeni številni biokemijski procesi, ki so izredno občutljivi na spremembe temperature in imajo različno temperaturno občutljivost. Temperaturno občutljivost posamezne reakcije lahko merimo:

38

36 Zaradi vpliva endogenih pirogenov ljudje po dolgotrajni vročini močno shujšajo – kaheksija.37 Za podrobnejšo razlago nekaterih procesov pri hipotermiji si poglej izpiske za vajo 1, Hipotermija.38 Q10 za biokemijske procese običajno znaša od 2 do 3.

23


Zakaj je stalna T notranjega okolja nujna:Imamo reakcijo A katere produkt B je reaktant v drugi reakciji. Če se T dvigne nad normalno vrednost, reakcija A ne poteka več. Ob dvigu T sredice bi se torej koncentracija snovi B pričela manjšati, s tem pa bi se sčasoma začela zmanjševati tudi hitrost druge reakcije. Ko bi vrednost B dosegla nič, bi obe reakciji prenehali.

2. Bilanca toplote v telesu.Glej vpr. 7.2.

3. Patofiziologija hipotermije.Hipotermija je stanje, pri katerem je toplotna bilanca negativna in pripelje do znižanja temperature organizma. O hipertermiji govorimo pri temperaturah nižjih od 35-36C. Prva opazna posledica hipotermije je upočasnitev biokemičnih procesov v organizmu.

V grobem ločimo 4 faze hipotermije, katerih temperaturne meje so odvisne od psihofizičnih in drugih dejavnikov posameznika:

Faza ekscitacije 36-32CV tej fazi T sredice pada, zato se pospeši termogeneza in upočasni termoliza. Glavni mehanizem termogeneze je drgetanje, posebna vrsta mišičnega dela, ki povzroči povečano porabo kisika. Posledično se povečata tudi MVS in dihanja. Če T še vedno pada, se intenzivnost kompenzacijskih procesov povečuje do maksimuma, ko se pričnejo vsi procesi upočasnjevati. V tej fazi je močno vzburjen sym in nad čustvi vlada panika, ki človeka spodbuja k iskanju rešitve.

Faza dekompenzacije 32-25CV tej fazi smo podobni poikilotermni živali. MVS in dihanja padeta pod normalno vrednost. Pride do aglutinacije krvnih delcev, kar zmanjša perfuzijo in oksigeniranost tkiv. Oddajanje O2 s Hb je zmanjšano zaradi premika saturacijske krivulje v levo, razvije se metabolična acidoza. V tem stanju lahko pride do razvoja hiperkalijemije, katere posledica je depolarizacija membran in s tem povezane srčne aritmije39. Funkcije živčevja izostajajo postopoma. Najprej se izključijo višji centri in nastopijo lahko delirij, halucinacije in končno izguba zavesti ter koma. Zadnji se izključijo vitalni centri za dihanje in kardiovaskularni sistem. Nastopi naslednja faza.

Faza klinične smrti (vita minima)

Faza biološke smrtiMehanizem smrti ob hipotermiji še ni popolnoma razjasnjen. Je posledica odklopitev reakcij na celičnem in popolne zmede na sistemskem nivoju.

4. Mehanizmi pri kirurški in akcidentalni hipotermiji40.Čas preživetja41 organizma se pri nizkih temperaturah močno skrajša. Pri T 30C lahko človek preživi nekaj dni, pri T 24C približno en dan in pri 15C le še 6 ur. Brodolomec lahko v vodi z 10C preživi le slabo uro ali manj. Gre za princip 50/50/50: 50% preživetje, 50 min v vodi pri 10C (50F).

39 Srčne aritmije delimo na benigne, motnje v EKG, in patološke, ventrikularna fibrilacija, ki se lahko končajo s srčnim zastojem.40 Akcidalna hipotermija je nenamerna hipotermija, npr. pri brodolomcu v arktičnem morju. Kirurška hipotermija je pod zdravniškim nadzorom izvajana hipotermija z namenom, da znižamo intenzivnost metaboličnih procesov oz. porabo O2 v možganih in ostalih tkivih.41 Čas je močno odvisen od vsakega posameznika.

24


Po drugi strani pa lahko tkivo pri nižji T preživi dalj časa ne da bi utrpelo poškodbe zaradi prekinitve oskrbe. Zato pri nekaterih operacijah s primarnim zastojem srca ohladijo pacienta na 18C in zmanjšajo poškodbe možganov. Pri 30C možgani preživijo brez pretoka krvi 8min, pri 15C pa kar 2h. Gre za reverzibilen proces, ki ima to slabost, da poveča verjetnost izgube krvi in s tem potrebe po transfuziji. Edini primer, kjer je kirurška hipotermija del zdravniške doktrine, je primarni srčni zastoj z uspešno reanimacijo, po kateri pa se poškodovanec ni zbudil oz. ni vzpostavil smiselnega kontakta. V tem primeru pacienta podhladijo na 30C za 24ur in ga nato pustijo, da se spontano segreje. Na ta način se zmanjša sekundarna poškodba možganovine zaradi ishemije. Fazo ekscitacije je potrebno omiliti s farmakološkimi sredstvi, sedativi in blokatorji živčno-mišičnega stika.

Zamrzovanje celic za daljše obdobje je možno, medtem ko tega nikakor ne moremo narediti pri tkivih in organih. Ali je možno za dolgo obdobje zamrzniti cel organizem pa ostaja predmet znanstvene razprave.

5. Patofiziološki temelji za ukrepe pri akcidentalni hipotermiji.Rizične skupine za akcidentalno hipotermijo so predvsem starejši in novorojenčki. Poleg njih so ogroženi še bolniki (npr. zmanjšana funkcija ščitnice), uživalci mamil, alkoholiki, utopljenci, alpinisti, jadralci ipd. Pri tem ni nujno, da ostane človek ujet kje zunaj pri zelo nizkih temperaturah, dovolj je že nekaj urna izguba zavesti v slabo zakurjenem stanovanju.

Glavni ukrep pri podhlajenem je ponovno ogrevanje: Pri lahki hipotermiji (36-34C) pasivno ogrevamo tako, da odstranimo vzroke

podhladitve, poškodovanca ovijemo v toplo odejo in po potrebi nudimo PP.

Pri težki hipotermiji (34-30C) aktivno segrevamo sredico s Heblerjevim ovojem. Ovoj ovijemo okoli trupa poškodovanca in ga polivamo z vročo vodo z 60-80C. Pri tem pokrijemo glavo, da jo zavarujemo pred poškodbami zaradi tople vode. Poškodovanec mora mirovati. Najprej se bo sredica še kar ohlajala, vendar bo T sčasoma pričela ponovno naraščati (zakasnjeno ogrevanje sredice).

Pri kritični hipotermiji (pod 30C) aktivno ogrevamo sredico in poškodovanca nemudoma napotimo v bolnišnico.

Način ogrevanja je izrednega pomena, ker lahko nepravilno ogrevanje povzroči cirkulacijski šok. Namreč, če segrevamo le plašč, gre za lokalno ogrevanje in temu primerno lokalno vazodilatacijo, ki povzroči padec pA. Srce v svojem upočasnjenem stanju padca ne more kompenzirati in nastopi smrt.

6. Mehanizmi lokalnih poškodb zaradi delovanja mraza.Omrzline in ozebline nastanejo iz istega vzroka in jih na pogled ne moremo ločiti, vendar imajo drugačen mehanizem nastanka.

Omrzline so posledica neposrednega vpliva mraza. Tkivo se poškoduje kot posledica nastajanja kristalov ledu v medceličnini in citoplazmi. Ledeni kristali med drugim vplivajo tudi na spremembo osmotskih razmer v tkivih.

Ozebline nastanejo zaradi posrednega vpliva mraza. Lokalni mediatorji v kombinaciji z živčevjem v ohlajenih okončinah povzročijo ekstremno vazokonstrikcijo. Pričnejo se vnetju podobni procesi, ki vodijo v okvaro kapilar in prispevajo k zunanjim znakom poškodbe (rdečina, bolečina, mehurji, gangrena).

25


9. Kancerogeneza

1. Opredelitev neoplazije.Kancerogeneza ali neoplazija je proces nastanka rakave celice.

Tumor ali neoplazma je lokalizirana, nenormalno razraščajoča masa celic ali tkiva brez prave fiziološke vloge. Kljub temu, da se lahko pojavi kjerkoli v telesu, so lastnosti vseh tumorskih celic podobne.

Rak je bolezen, ko celice tumorja pridobijo lastnost metastaziranja, razsejanja po telesu.

2. Ovire za razvoj maligne celice.Nastanek neoplazije ovira več dejavnikov:

mehanizmi, ki ohranjajo integriteto genoma imunski sistem pomanjkanje hranil in kisika (avtofagija)

Celice te ovire premagajo tako, da se jim v procesu evolucije selekcionirajo spremembe genoma, predvsem tiste, ki vplivajo na sisteme za uravnavanje homeostaze celice. Pride do sprememb v nadzoru celičnega cikla, v sistemih za uravnavanje transkripcije, reparacije DNA, nadzora apoptoze in celičnega staranja ter v sistemih za medcelično komunikacijo. Celice pogosto pridobijo lastnosti, ki favorizirajo nestabilen genom.

3. Onkogeni in mehanizmi delovanja onkogenov in onkoproteinov.Onkogeni so mutirani geni, ki nastanejo iz protoonkogenov. Protoonkogeni zapisujejo beljakovine, ki imajo ključno vlogo pri uravnavanju normalne celične rasti in delitve. Pridobljena funkcija onkogenov spodbuja nastanek neoplazije. Glede na njihovo funkcijo jih razdelimo v več skupin:

Rastni dejavniki so praviloma polipeptidi, ki uravnavajo razmnoževanje normalnih celic. Mutacije se običajno izražajo kot povečano izločanje rastnih dejavnikov. Primer je mutacija gena c-sis42, ki kodira rastni dejavnik Sis s podobno aktivnostjo kot PDGF (platelet-derived growth factor). PDGF spodbuja delitve vezivnih celic. Onkoprotein Sis se izloča iz številnih tumorskih celic43, deluje avtokrino preko površinskih receptorjev za PDGF in povzroči nebrzdano delitev.

Mutacije membranskih receptorjev za rastne dejavnike vodijo v konstituitivno aktivnost ali pomnožitev receptorjev. Normalno se po vezavi rastnega dejavnika na transmembranski protein poveča encimska aktivnost na citoplazemski strani s pomočjo tirozinske kinaze. Aktivnost preneha, ko se rastni dejavnik razgradi. Pri mutacijah, kot je točkasta mutacija na genu v-erbB pri ptičji eritroblastozi, do prenehanja aktivnosti ne pride. Onkogen kodira receptor podoben receptorju za EGF (epidermal growth factor), ki se, za razliko od normalnega receptorja, po vgradnji v citoplazemsko membrano permanentno aktivira, čeprav nima vezanega EGF. Primer pomnožitve receptorjev pri človeku je pomnožitev c-erbB1 pri ploščatoceličnem karcinomu pljuč.

Citoplazemski signalni proteini so GTP-vezavni proteini, ki delujejo kot molekularna stikala, ki so aktivirana kadar je vezan GTP. Mutacije povzročijo nenehno aktivnost, ki je neodvisna od vezave GTP. GTP-vezavne proteine delimo na monomerne in heterotrimerne. Primer monomernega proteina je protein Ras, ki je mutiran pri kar 30% človeških tumorjev. Zelo znana je mutacija Ras pri karcinomu debelega črevesa, čeprav se mutacija pojavlja tudi pri raku trebušne slinavke, pljuč in sečnika. Normalna beljakovina Ras je vezana na notranji strani citoplazemske membrane in posreduje prenos znotrajceličnih mitogenih signalov44. Aktivirana beljakovina ima vezan GTP, ki

42 Onkogene zapisujemo s tremi malimi črkami v poševnem tisku, onkoproteine pa s tremi črkami v pokončnem tisku z veliko začetnico. C pred onkogenom pomeni, da je onkogen celičnega in ne virusnega izvora.43 Primer tumorskih celic je astrocitom.44 Mitogeni so rastni faktorji, ki stimulirajo celično proliferacijo in rast. Posledica povečane dejavnosti onkoproteina Ras je zvečana transkripcija teh rastnih dejavnikov. Predvsem je povečano izločanje TGF- (transforming growth factor alpha), ki ima podobno delovanje kot EGF.

26


odda sporočilo z vezavo raf-1. Na ta kompleks se veže še GAP45, ki poveča GTP-azno aktivnost Ras in GTP hidrolizira v GDP ter se na ta način inaktivira. Zaradi točkovne mutacije lahko Ras izgubi GTPazno aktivnost, kar povzroči, da je v stalno vzburjenem stanju in ves čas pošilja mitogena sporočila. Heterotrimerni proteini so trimerni G-proteini, ki so pogosti pri nekaterih tumorjih hipofize.

Poleg G-proteinov so citoplazemski signalni proteini tudi tirozinske kinaze. Tudi pri njih se mutacije odražajo kot konstitutivna aktivacija, ki vodi v proliferacijo. Primer je povečana aktivnost c-abl, ki je posledica recipročne translokacije genomskih odsekov med kromosomoma 9 in 22. Kromosom 22, ki pri tem izgubi večji del daljšega kraka, imenujemo kromosom Philadelphia. Onkogen abl iz 9 kromosoma se poveže z onkogenom bcr na kromosomu Philadelphia. Posledica izražanja himernega gena bcr/abl je sinteza fuzijske beljakovine Bcr/Abl, ki deluje kot trajno aktivna beljakovinska kinaza. Okvara je pogosta pri bolnikih s kronično mieloično levkemijo ali posebno obliko akutne limfoblastne levkemije.

Transkripcijski dejavniki so proteini, ki v jedru uravnavajo transkripcijo genov. Primer so fos, myc, myb, jun in bcl-1. Onkoproteini teh genov imajo pomembno vlogo pri podvojevanju in prepisovanju celične DNA in pri prehodu iz faze G1 v S. Myc je prisoten v vseh celicah in ob aktivaciji potuje v jedro, kjer tvori heterodimer s proteinom Max. Kompleks se veže na specifična mesta in sproži prepisovanje genov, ki zapisujejo encime nujne za podvojevanje DNA. bcl-1, ki je vpleten v razvoj limfoma limfocitov B, kodira beljakovino ciklin D146. Ciklin D1 dokonča fazo G1 in izzove prehod v fazo S. Prevelika koncentracija ciklina povzroči čezmerno proliferacijo celic. V neoplazijo lahko vodijo mutacije genov, ki zapisujejo transkripcijske dejavnike ali njihova prekomerna ekspresija.

Geni imajo regulatorni in strukturni del. Mutacija v katerem koli delu protoonkogena lahko vodi v njegovo spremembo v onkogen. Trije najpomembnejši mehanizmi aktivacije onkogenov so:

Amplifikacija onkogenov, pri kateri se poveča količina onkoproteinov zaradi povečanja števila protoonkogenov zaradi lokaliziranih podvojitev DNA.

45 GTPaze activating protein46 Ciklini so skupina proteinov, ki s pomočjo od ciklinov odvisnih kinaz - CDK (cyclin-dependant kinases) uravnavajo celični cikel. Njihova koncentracija v celici ciklično narašča in pada, posledica česar je prehod celice med fazami celičnega cikla.

27


Mutacija onkogenov, ko se spremeni zgradba in delovanje onkoproteinov. V strukturnem delu gena so mutacije običajno točkovne ali pa gre za delecije in inverzije večjih segmentov gena.

Translokacija onkogenov se običajno pojavi v regulatornem delu gena. Onkogeni prestopijo na drug kromosom, v bližino močnega promotorja, ki spremeni njegovo izražanje. Primer je translokacija c-myc pri Burkittovem limfomu v območje močnega promotorja, ki uravnava izražanje gena za težko verigo Ig, kar vodi v prekomerno ekspresijo transkripcijskega faktorja.

4. Delovanje tumorje zavirajočih proteinov in posledice okvar antionkogenov.Antionkogeni ali tumorje zavirajoči geni so v normalnih razmerah vpleteni v uravnavanje oz. zaviranje celične delitve. Delujejo recesivno, kar pomeni, da morata biti oba alela mutirana za okvaro. Njihova izguba pospeši celično delitev. Najpogostejše okvare so večje delecije in mutacije, ki povzročijo prezgodnje končanje translacije in tvorbo skrajšanega proteina.

Uravnavanje celičnega ciklusa poteka preko številnih nadzornih točk, še posebej je pomembna kontrolna točka pri prehodu iz faze G1 v fazo S. Prehod nadzorujejo ciklini, CDK, p53 in Rb. Rastni faktorji spodbudijo sintezo ciklina D, ki aktivira CDK. Oba skupaj tvorita kompleks, ki fosforilira Rb in celica se začne deliti.

Tudi antionkogene glede na njihovo vlogo v celici delimo v več skupin: Primer molekule, ki uravnava transkripcijo je Rb, ki jo kodira gen na daljšem kraku

kromosoma 13. Rb v celičnem jedru uravnava dejavnost transkripcijskih dejavnikov, kot je E2F. E2F aktivira prepisovanje genov z zapisi za encime, ki omogočajo sintezo in podvojevanje DNA. V mirujočih fazah celičnega cikla, Go in G1, je nefosforiliran Rb vezan na E2F in zavira njegovo delovanje ter s tem zaustavi celičen cikel. V fazah G2, S in M pa od ciklinov odvisne kinaze fosforilirajo Rb, ki sprosti E2F. Pomanjkanje ali mutacija Rb prepreči vezavo E2F v celici in s tem čezmerno delitev in maligno transformacijo. Ocenjuje se, da je dejavnost Rb odsotna pri 40% človeških tumorjev.

p53 je jedrni protein z življenjsko dobo 20-30min, ki ga zapisuje gen na krajšem kraku kromosoma 17, katerega ekspresija se poveča ob poškodbi genoma. Posledica njegovega delovanja je povečano izločanje p21, ki močno zavira celični ciklus tako, da inaktivira CDK. p53 preprečuje tudi prepisovanje gena bcl-2, s čimer omogoča proces programirane smrti tumorskih celic. Domneva se, da je p53 nedejaven pri kar 60% vseh tumorjev pri človeku, med drugim pri raku prebavil, možganov, pljuč, jajčnika in prostate.

Rastni zaviralci, primer je TGF-β.

Membranski receptorji za zaviralne dejavnike so lahko receptorji, kot je receptor za TGF-β, ki v aktivni obliki spodbuja ekspresijo p16 in je inhibitor kompleksa ciklin-CDK, ali adhezijske molekule, kot so E-kadherini. E-kadherini povečajo nastanek inhibitorja p27, ki deluje na CDK-2. Izguba povzroči razdružitev celic in s tem lažje metastaziranje. Izguba membranskih receptorjev za zaviralne dejavnike pospeši prehod nadzornih točk v celičnem ciklusu.

Nekatere beljakovine zavirajo prenos signalov rastnih dejavnikov v celici. Primera sta nevrofibromin-1 (GAP), akcesorni protein ras GTP-aze, in APC (adenomatozna polipoza coli). APC sodeluje pri kontaktni inhibiciji, ker veže katenin-β in ga razgradi, s čimer prekine spodbujanje transkripcije. Katenin-β deluje v jedru kot transkripcijski faktor.

28


Inaktivacijo tumor zavirajočih proteinov lahko povzročijo: mutacije, ki povzročijo sintezo nedejavnih beljakovin sekvestracije v citoplazmi, npr. onemogočen prehod p53 v jedro zaradi vezave

beljakovin celične beljakovine, ki vežejo tumor zavirajoče proteine in preprečijo njihovo

delovanje virusno kodirani onkoproteini, ki inaktivirajo protein Rb in/ali p53

Vznik raka je lahko poleg aktivacije protoonkogenov in inaktivacije tumor zavirajočih genov posledica:

mutacija genov, ki sodelujejo pri popravljanju poškodb DNA (npr. Xeroderma pigmentosum)

mutacija genov, ki uravnavajo apoptozo ponovna aktivacija encima telomeraze

5. Uravnavanje celičnega ciklusa v procesu neoplazije.Glej prejšnje vprašanje.

6. Geni, ki uravnavajo apoptozo in mehanizmi neoplazije.Na vznik neoplazme lahko vplivajo tudi geni, ki uravnavajo apoptozo. Primer je bcl-2, ki zapisuje beljakovino Bcl-2, ki zavira apoptozo preko inhibicije nastanka proapoptotičnih proteinov. Povečano delovanje bcl-2 je prisotno pri velikem številu bolnikov s folikularnim limfomom. Nepravilno delovanje je povezano s translokacijo gena s kromosoma 18 na kromosom 14, v področje močnega promotorja gena za težke verige Ig. Tumorske celice tako selekcijo izvedejo zato, ker s preprečevanjem apoptoze povečajo možnost preživetja celic z mutiranimi geni.

7. Neoplazija kot večstopenjski proces.Za razvoj neoplazije je potrebnih 5 ali 6 mutacij, katerih razvoj je med seboj odvisen. Vsaka mutacija pospeši razmnoževanje celice, kar poveča število celic z mutacijo v tkivu. Poleg tega mutacije vplivajo druga na drugo, saj nastanek ene omogoči tudi nastanek druge.

Primer je karcinom kolona, kjer se najprej pojavi delecija APC, ki ji sledijo mutacija ras, pomnožitev myc, delecija tumor zavirajočega gena DCC ter končno mutacija ali delecija p53. Ras povzroči tvorbo in izločanje rastnega dejavnika iz celice, Myc poveča občutljivost celice na rastne dejavnike in jo naredi nesmrtno, APC povzroči pretirano proliferacijo epitelija, DCC sodeluje pri kontaktni inhibiciji.

8. Notranji kancerogeni dejavniki (spol, starost, dedni dejavniki).Notranji kancerogeni dejavniki so spol, starost in dedni dejavniki. Spol je pomemben zaradi značilnega nabora hormonov in s tem delno pogojenega načina življenja. Ženske obolevajo predvsem v mlajši dobi, moški pa kasneje.

Podedovani rak je praviloma redek, saj je prisoten pri manj kot 10% rakavih obolenj. Dedne oblike delimo v tri kategorije:

podedovani sindromi raka (avtosomno dominantno). Ob rojstvu imamo od petih potrebnih mutacij za razvoj raka okvarjena dva gena, zato je večja verjetnost, da se le-ta razvije, saj potrebuje le še tri mutacije.

sindrom napačnega popravljanja DNA (avtosomno recesivno) družinske rakave bolezni

29


Kljub pomembnem doprinosu notranjih dejavnikov, so pri razvoju raka ključni dejavniki okolja. S starostjo se kopičijo spremembe v somatskih celicah, imunski sistem slabi in mehanizmi popravljanja DNA pešajo.

9. Zunanji kancerogeni dejavniki (kemični, fizikalni, biološki).Zunanje kancerogene dejavnike delimo v tri kategorije:

Kemični: eksogeni in endogeni kencerogeni, inicijacija in promocija kemične kancerogeneze

Anorganske snovi delujejo na membranske strukture in makromolekule. Povzročijo nastanek prostih radikalov. Primeri so kobalt, nikelj, azbest in arzen.

Organske snovi delujejo posredno in neposredno. Neposredne snovi so reaktivni elektrofili, ki reagirajo z nukleofilnimi centri beljakovin ali DNA. Primer so alkilirajoča sredstva. Posredne snovi se aktivirajo v presnovnih procesih s pomočjo P-450 v telesu. Primeri so aromatski ogljikovodiki.

Začetek kemične kancerogeneze se začne z iniciacijo v nekem žarišču. Kasnejše razmnoževanje, ki vodi v nastanek malignoma, imenujemo promocija. Iniciator je kancerogena snov, ki povzroči nepovratne mutacije DNA, sam pa ni dovolj za nastanek maligne spremembe, saj potrebuje še promotor. Promotorji so snovi, ki same po sebi niso kancerogene, spodbujajo pa delovanje kancerogenov tako, da skrajšajo latentno dobo od začetka delovanja iniciatorja do pojava maligne novotvorbe oz. povzročijo spremembe v vzorcu genske ekspresije brez sprememb DNA. Primer so hormoni, zdravila in cigaretni dim.

Fizikalni: neionizirajoča (UV) in ionizirajoča (gama, beta in alfa žarki ter kozmično sevanje) sevanja. Neionizirajoča sevanja povzročajo nastanek timinskih dimerov, ionizirajoča pa povzročajo napake z direktnimi trki med molekulami, mutacije so posledica popravljanja.

Biološki: akutno transformirajoči virusi vnesejo virusne onkogene, počasno transformirajoči virusi pa povečajo možnost nastanka celičnih onkogenov, primera sta humani T-limfotropni virus 1 in 2 (HTLV-1 in 2).

Popravljanje poškodbObstajata dva tipa poškodb DNA, kjer pri popravljanju pogosto pride do mutacij:

Prelom dvojne verige DNA. Ligaze povežejo prelomljene konce, kar lahko povzroči translokacije delov DNA iz enega kromosoma na drugega in aktivira onkogene.

Večkratne poškodbe DNA. Popravljalni mehanizmi se ob pogostih poškodbah izčrpajo, zato pride do podvajanja pred popravilom. Nekatere živali in bakterije imajo inducibilne popravljalne mehanizme, ki lahko povzročijo mutacije.

Preventiva zdravljenaj rakavih bolezni se prične z odpravo dejavnikov tveganja, kot so alkohol in kajenje. Farmakološko se rak zdravi s kemičnimi snovmi:

askorbinska kislina (vitamin C), ki lovi proste radikale selen, ki spodbuja imunski sistem in uravnava delovanje glutationa retenoidi in karotenoidi (vitamina A), ki uravnavajo diferenciacijo nekaterih celic

10. Patofiziologija rakave celice

1. Opredelitev rakave bolezni.V telesu imamo preko 200 tipov celic, iz vseh pa se lahko razvijejo neoplastične celice s podobnimi lastnostmi. Proces neoplazije vodi preko nastanka preneoplastične lezije v neoplazijo iz katere se v procesu klonalne evolucije razvije progresivna neoplazija, ko celice dosežejo sposobnost rasti, heterogenost, sposobnost invazije in metastaziranja.

30


2. Lastnosti rakave celice (mehanizmi spremenjene rasti, mehanizmi spremenjene kontaktne inhibicije, mehanizmi spremenjene gibljivosti in adhezivnosti, spremembe v sestavi površine membrane, imunogenost, presnovne lastnosti in stabilnost genoma rakave celice).

Spremenjena je rast celic do te mere, da le te dosežejo nesmrtnost tako, da postanejo avtokrino homeostatično neodvisne in avtonomno uravnavajo svoj celični cikel. Delijo se neomejeno, mikrookolje pa spremenijo v svojo korist. Celice so slabo diferencirane in specializirane.

Odsotnost kontaktne inhibicije poveča gibljivost celic. Celicam se spremeni struktura citoskeleta in poveča gibljivost membranskih glikoproteinov. Na membrani se poveča delež negativno nabite površine zaradi pomnožene sialične kisline na beljakovinah, kar povečuje odbojnost med celicami. Odsotne so strukture kot so E-kadherini, kar prepreči nastanek inhibitornih dejavnikov p16 in p27 v citosolu, ki bi preprečili aktivacijo kompleksov CDK in s tem prehod nadzorne točke med fazo G1 in S. Spremembe omogočijo nastanek večplastnih celičnih gmot. Normalne celice se ob pomanjkanju prostora nehajo gibati in tvorijo gap junctions, rakave celice pa lahko rastejo kot želatina.

Spremembe površine plazmaleme in adhezivnost celic so posledica sprememb v glikolipidih in glikoproteinih. Celice se slabše povezujejo med seboj, kar je delno posledica že omenjene povečane gibljivosti glikoproteinov v plazmalemi. Klonalne celice izločajo manj fibronektina, ki povezuje celice med seboj, namesto tega se poveča ekspresija integrinov, ki povezujejo celice z ECM. Povečana je tudi lateralna gibljivost glikoproteinov v membrani.

Spremenjena površina rakavih celic vpliva tudi na imunski odziv. Nastanejo novi antigeni, ki jih imunski sistem lahko prepozna, če gre za tumorje specifične antigene, ali pa ne, če gre za s tumorji povezane antigene. Slednji so običajno prisotni v embriogenetskem razvoju47 ali med diferenciacijo48, nahajajo pa se tako v tumorskih, kot normalnih celicah. Ločimo tkivno specifične antigene49, onkofetalne antigene50 in diferenciacijske antigene51. Možna je tudi popolna izguba antigenov na celičnih membranah.

Presnovne lastnosti se v rakavih celicah spremenijo tako, da se poveča anabolizem in zmanjša katabolizem. Povečanje anabolizma je posledica povečane ekspresije encimov ali nastanka bolj učinkovitih izoencimov. Na teh spremembah temelji tudi teorija o zdravljenju rakavih boleznih s pomočjo izstradanja rakavih celic. Njihov metabolizem je toliko različen od metabolizma normalnih celic, da je to v nekaterih primerih mogoče. Splošno pa rakave celice potrebujejo stalno in precejšnjo oskrbo z hranili, kar si zagotovijo z spodbujanjem angiogeneze. Angiogenezo spodbujajo s stimulacijo angiogenih dejavnikov ali inhibicijo angiostatičnih, kot sta trombospondin 1 in p53. Ker potrebujejo več glukoze, imajo povečan transport glu/AK preko membrane.

Na nivoju genetskih sprememb so opazne spremembe v reparativnem mehanizmu genoma. Izgube ali mutacije encimov za popravilo DNA povzročijo neučinkovitost mehanizma in razlike v uspešnosti popravljanja poškodb, kar omogoča kopičenje mutacij.

47 onkofetalni antigeni ali α-fetoprotein48 diferenciacijski antigeni, CD(10) ali CALLA v zgodnjih limfocitih B in PSA v prostati49 = neoantigeni, značilni za posamezno histološko vrsto tumorja50 Normalno se izražajo v embrionalnem tkivu, ne pa odraslem, diferenciranem tkivu.51 Označujejo stopnjo diferenciacije, na kateri so se celice ustavile. Npr. antigen CD10, ki je v zgodnjih limf. B.

31


Primer nesmrtnih rakavih celic so Hella celice (CHO), ki so jih leta 1951 kot prve uspeli vzgojiti in vitro. Še danes se potomke teh celic uporabljajo pri izdelavi bioloških zdravil. Vendar, zaradi nestabilnosti genoma rakavih celic, genetska struktura teh celic danes ni več enaka kot je bila leta 1951.

3. Lastnosti maligne novotvorbe (stanje diferenciacije, mehanizmi hitrosti rasti, mehanizmi prekrvljenosti).Dobro diferencirane in specializirane celice se težje delijo ter so redkeje neoplastične, kar je verjetno posledica selektivne zavrtosti nekaterih genetskih informacij. Pomanjkanje diferenciacije pri rakastih celicah imenujemo anaplazija. Po definiciji je anaplazija52 nastajanje manj diferenciranih celic, ki ne ustrezajo nobenemu prejšnjemu stadiju svojega ontogenetskega razvoja. V takih celicah se lahko pojavijo nepričakovane funkcije.

Glede na hitrost rasti ločimo benigne in maligne tumorje. Hitrost rasti je večja, če je stopnja diferenciacije nizka oz. anaplazija močno izražena. Nanjo vpliva tudi mitotični indeks53, če upoštevamo trajanje celične delitve, prisotnost hormonov in rastnih dejavnikov. Pomembna faktorja sta tudi velikost in prekrvavljenost tumorja.

Število mitozTumorje zavirajoča gena, p53 in Rb, kodirata beljakovini, ki lahko zaustavita celično delitev. Njuna inaktivacija omogoči maligno transformacijo. Celice vedno znova pričnejo z novo delitvijo, namesto da bi najprej nekaj časa mirovale. Normalno obstaja v tkivu ravnotežje med celično delitvijo in smrtjo, v primeru rakavih celi pa je ravnotežje pomaknjeno močno v smeri celične delitve. Neoplazma nastane iz ene mutirane celice, njihovo število pa se eksponentno povečuje. Število celic v neoplazmi in hitrost rasti sta odvisna od odstotka celic, ki se nahajajo v celičnem ciklusu54, časa trajanja celičnega ciklusa in odstotka celic v G0 fazi celičnega cikla. Iz faze G0 se rakave celice lahko vrnejo v celični cikel, se diferencirajo in nehajo deliti, nekrotizirajo ali sprožijo apoptozo. Z večanjem neoplazme se daljša čas njene podvojitve zaradi vse več celic, ki so se nesposobne deliti.

HormoniSpremembe v hormonskem ravnovesju, ki trajajo dalj časa in so nagnjene v smeri povečane koncentracije hormonov, lahko izzovejo maligno transformacijo. Sploh v uterusu, ovarijih, prostati in dojkah.

PrekrvavljenostZ večanjem tumorja je vedno manj celic v stiku s kapilarami. Zaradi pomanjkanja kisika in hranil se nehajo širiti. Nekatere celice lahko po mesecih ali letih začnejo izdelovati tumorske angiogenetske dejavnike (TAF), ki izzovejo rast novih kapilar iz že obstoječih kapilar in venul. V takšnih celicah se zmanjša nastajanje snovi, ki zavirajo angiogenezo, npr. trombospondina 1, ki nastaja pod kontrolo p53, angiostatina, endostatina in vaskulostatina. Nove kapilare omogočajo prehod rakavih celic v obtočila, kar vodi v metastaziranje.

4. Heterogenost in progresija maligne novotvorbe.Pri progresivni neoplaziji se pojavi močna heterogenost tako genetskih kot morfoloških lastnosti, kljub monoklonalnem izvoru. Napredujoče pridobivanje lastnosti imenujemo progresija.

52 Podoben pomen ima izraz displazija, ki pa se običajno nanaša na epitelijske celice.53 Mitotični indeks je delež celic v nekem tkivu, ki je v določenem trenutku v fazi delitve. Je pomemben pokazatelj sprememb v celičnem ciklu. 54 Delež celic znotraj tumorske populacije, ki se deli, imenujemo rastna frakcija.

32


5. Mehanizmi invazivnosti.Invazivnost rakavih celic je posledica pritiskov razraščajoče mase celic in učinkov njihovih strupenih presnovkov na okolico. Gre za zapleten proces, ki ima več stopenj. Začne se z oddeljevanjem posameznih celic od mase zaradi manjše adhezivnosti na površini celic. Nadaljuje se z vezavo celic na ECM zaradi povečanja števila adhezijskih molekul za medceličnino, kot sta kolagen in fibronektin ter laminin za bazalno lamino. ECM in bazalna membrana se sčasoma razgradita s pomočjo encimov kot so kolagenaza IV, katepsini in heparanaza55. Ker so bolj proste, se začnejo celice ameboidno gibati in hkrati izločajo avtokrine dejavnike, ki pospešujejo gibanje skozi stromo, dejavnike, ki povečajo prepustnost žilja ter TAF. Sledi migracija, ki vodi v intravazacijo ob razgradnji bazalne lamine. Skupki celic vstopijo v žile in se ponovno pritrdijo na mestih, ki so lahko zelo oddaljena od primarnega tumorja. Maligne celice lažje prodirajo skozi kapilare in limfne vode, kot pa skozi odporna tkiva kot so fascije, kosti in debele žile.

Maligne celice v epiteliju, ki jim ne uspe prodreti skoti bazalno membrano, imenujemo karcinom in situ.

6. Mehanizmi metastaziranja.Metastaziranje je nastanek sekundarnih zasevkov rakavih celic po ekstravazaciji. Pri tem je ključnega pomena širjenje po žilah in sidranje na njihovo notranjo površino. Mesto metastaziranja je težko predvidljivo, čeprav obstajajo tropizmi. Določene vrste rakavih celic namreč raje potujejo po določenih žilah in torej pogosteje metastazirajo v predelih, kjer te žile potekajo. Razlogi za to preferenco so različni, od anatomskih posebnosti do razdalje, bogatega kapilarnega mrežja, interakcij s specifičnimi površinami endotelija v tkivih, vloge tkivnih kemotaktičnih dejavnikov, ki spodbujajo ali zavirajo zasidranje rakavih celic in neodzivnost nekaterih tkiv za razsoj malignih celic. Nekatere rakave celice se v lumnu žil zlepijo med seboj, z limfociti in trombociti, nastanejo embolusi, ki učinkoviteje metastazirajo kot sama rakava celica. Celice se lahko ovijejo v fibrin in na ta način branijo pred imunskim sistemom.

Na miškah so izvedli poskuse s celicami tumorja dojk, v katerih so ločili tiste klone, ki so preferenčno metastazirali v pljučih. V izbranih klonih so določili 4 gene, ki zapisujejo sledeče proteine:

Epiregulin, ki je ligand receptorja za EGFR. COX-2, ki sodeluje pri celjenju ran in vnetnih procesih. Metaloproteinaza 1 in 2, ki igrata pomembno vlogo pri nastajanju novih žil.

Delecija vseh štirih genov je preprečila metastaziranje rakavih celic, ker je bila preprečena ekstravazacija, kar je pomenilo, da so bile celice ujete v pljučnih kapilarah, a niso mogle vstopiti v parenhim. Vendar se ob tem njihov delitveni potencial ni zmanjšal. Delecija samo treh genov je imela slabše rezultate, saj metastaziranje ni bilo popolnoma preprečeno. Ugotovitve so v drugem delu preverili s farmakološkimi inhibitorji. Uporabili so Cetixumab za EGFR, Celecoxib za COX-2 in nespecifični inhibitor metaloproteinaz GM6001. Učinek inhibicije je bil enak, metastaziranje je bilo preprečeno.

7. Mehanizmi kaheksije in paraneoplastičnega sindroma.Kahektični sindrom zajema progresivno izgubo teže, splošno oslabelost, anoreksijo in anemijo. Nastane lahko zaradi hormonskih, presnovnih ali citokinskih dejavnikov ne glede na mesto tumorja. Bolnikom se dvigne vzdražni prag za sladko in zniža za grenko, kar je vzrok za izgubo apetita, zaradi stradanja pa se upočasni presnova. Bazalni metabolizem je zvišan, pospešena je proteoliza mišic, lipoliza maščevja in glukoneogeneza v jetrih. Prosto glukozo, MK in AK porabljajo maligne celice za svojo presnovo. Vzrok spremembe je izločanje citokinov, IL-1 iz levkocitov in makrofagov, kahektina itd. Dogajanje vodi pacienta v izčrpavanje, hiranje in smrt.

55 Vse tri skupine encimov sodijo pod metaloproteinaze.

33


Paraneoplastični sindromi se kažejo z motnjami živčevja, mišic, kosti, sklepov in žil. Nastanejo zaradi ektopičnega nastajanja hormonov, kar povzroči enako klinično sliko kot povečano delovanje nekaterih endokrinih žlez. Pogosto so prvi znak bolezni. Pri karcinomu bronhusov lahko nastaja adrenokortikotropni hormon, ki povzroči Cushingov sindrom. Včasih isti tumor povzroči več sindromov hkrati. Ektopično nastajanje hormonov je lahko posledica:

Genske derepresije. Na račun inaktivacije represorskega gena, mutacije tihega gena ali rekombinacije se reaktivirajo nekateri geni, ki se v normalnih celicah ne izražajo. Takšne celice izločajo polipeptidne hormone, ne pa steroidnih. Sinteza steroidnih hormonov je namreč bistveno bolj zapletena.

Aktivacije celic APUD, ki so sposobne izdelovanja aminskih in polipeptidnih produktov, med njimi tudi hormonov in njim podobnih snovi. Nahajajo se v prebavni cevi, žolčnih vodih, dihalnih poteh in ščitnici.

8. Patofiziološki temelji in izhodišča za zdravljenje rakavih bolezni (ni v skripti).Tumor lahko odkrijemo, ko presega velikost 1cm3 oz. 1 milijon celic. Pri tej velikosti običajno še ne zaznamo sistemskega delovanja. Vendar je časa za odkrivanje relativno malo, saj pri večini tumorjev velja, da velikost tumorja 1dm3 ni več združljiva z življenjem.

Sistemski zanki so posledica neposrednega ali posrednega delovanja tumorja na organizem. Neposredno delovanje je običajno neposredni fizični stik s tumorjem, ki povzroči kompresijo okoliškega tkiva, kar se lahko odraža kot bolečina ali obstrukcija pretoka po okoliških žilah in izvodilih. Posredno delovanje temelji na izločanju ektopičnih hormonov in citokinov, predvsem TNF-α. Slednji lahko povzročijo paraneoplastični sindrom ali kaheksijo. Drugi način posrednega delovanje je pojav infekcij zaradi nekrotičnega razpada tkiva tumorja.

Strategije zdravljenja rakavih bolezni temeljijo na resekciji, radioterapiji in kemoterapiji. Vsi trije postopki so učinkoviti, vendar imajo veliko stranskih učinkov, zato se veliko dela na tem, da bi se odkrile nove teorije, ki bi bile uporabniku bolj prijazne. Pojavile so se nove adjuvantne terapije, ki temeljijo na novih specifičnih tarčah, kinazni aktivnosti, COX-2, metaloproteinazah, inhibiciji angiogeneze in jačanju imunskega sistema. Terapije temeljijo na bioloških zdravilih, tehnologiji rekombinantne DNA in drugih naprednih medicinskih izdelkih.

V zadnjem času se je pojavila ideja o pripravi imunohibridomov. Ideja temelji na pripravi celic, ki bi ojačale pacientov imunski sistem in ga opremile za boj proti raku. Hibridom ustvarimo tako, da Hella celice spojimo z APC celicami pacienta. To dosežemo tako, da celice postavimo med dve elektrode in ko se postavijo v vrsto ter se staknejo, spustimo skoznje visok tok, ki povzroči majhne poškodbe na membranah in omogoči zlitje celic. Stopnja učinkovitosti fuzije je odvisna tudi od temperature medija, saj je dobra pri 37˚C in precej slaba pri 22˚C.

Funkcija APC celic je predstavljanje lastnih ali tujih antigenov, zato hibridom na svoji površini predstavlja antigene celice APC in tumorske celice. Vendar, da pride do predstavitve tumorskega antigena, mora

priti do izmenjave na ravni lizosomov. Hibridomi se vstavijo v pacienta in povečajo možnost, da se limfociti naučijo prepoznave antigenov tumorskih celic. Metoda je v stadiju kliničnih poskusov, kjer so jo uporabili na številnih vrstah raka in zaenkrat deluje univerzalno. Vendar je tehnika zaenkrat dovoljena samo pri pacientih, ki so brez uspeha preizkusili ostale tri metode zdravljenja. Pri teh pacientih je problematično dejstvo, da je njihov imunski sistem zaradi predhodnega zdravljenja že močno iztrošen.

34


11. Apoptoza in bolezenski procesiProliferacija, diferenciacija in celična smrt vzdržujejo bilanco števila celic v organizmu. Motnje v vzdrževanju tega ravnovesja vplivajo na število in kakovost celic v tkivu ter lahko vodijo v degeneracijo tkiva.

1. Opredelitev apoptoze in nekrotične smrti.Poškodba celice je lahko letalna ali subletalna. Letalna poškodba ima zelo kratek čas med poškodbo in propadom celice. Po subletalni poškodbi pa lahko celice zaradi aktivacije kompenzacijskih mehanizmov živijo še dolgo časa, vendar na neki drugi ravni delovanja. Reverzibilne spremembe celic pri subletalnih poškodbah so:

nabrekanje odstopanje plazmaleme od

citoskeleta nastajanje izboklin na površini celice

vakuolizacija in ravnanje krist mitohondrija

odločenje ribosomov od ER napihnjenje ER nastajanje avtofagnih vakuol

poveča se znotrajcelična koncentracija Na+, Cl-, Ca2+ in H+

zmanjša se znotrajcelična koncentracija K+ in ATP56

Ireverzibilne spremembe celice pri letalnih poškodbah se nanašajo predvsem na strganine in luknje v plazmalemi. Če pride do pretrganja celične membrane, se celica odzove z od Ca2+

odvisno fuzijo lizosomov na mestu poškodbe. Pri tem se lizosomalni encimi, kot so aminotransferaze, laktatna dehidrogenaza in kreatin kinaza, sprostijo v okolico, vendar je to žrtev, ki ji mora celica plačati, če želi ohraniti svoje citosolne encime in ionsko ravnotežje. Kljub temu pa je, vsaj začasna, sprememba ionograma celice po rupturi plazmaleme neizbežna. Sestava citosola se tako spremeni, da se kalcij lahko obori s fosfatnimi ioni in nastanejo kristali. Posledica je fragmentacija jedra, karioreksa.

Celična smrt je skupek nepovratnih sprememb v strukturi in delovanju celic. Ločimo dva tipa celične smrti:

Nekroza je patološka celična smrt, ki ni gensko vodena, ampak nastopi ob ekstremnih spremembah razmer v okolju, npr. hipoksiji, hipertermiji, spremembi pH ali mehanski poškodbi.

Apoptoza ali celični samomor je genetsko pogojen izhod iz celičnega cikla v fizioloških okoliščinah. Celica med apoptozo razpade na z membrano obdane ostanke celičnih organelov in citoplazme, ki vsebine ne sproščajo v okolje in zato ne izzovejo vnetnega odgovora. Na prvi pogled se zdi, kot da je celica izginila.

Škodljivi dejavniki, ki sprožijo proces apoptoze so ionizirajoče sevanje, prosti radikali, kemoterapevtiki, ionofori in dejavniki nastali po ishemiji ter hipertermiji. Poznamo več fizioloških dejavnikov za aktivacijo apoptoze, ki vsi delujejo preko skupnega imenovalca, Ca2+:

zmanjšana koncentracija rastnih dejavnikov povečana raven glukokortikoidov dejavniki tumorske nekroze sprememba v homeostazi Ca2+ ionov

2. Vloga apoptoze pri procesu maligne transformacije celic.p53 je transkripcijski faktor, ki inhibira ali reducira transformacije celic z virusnimi in celičnimi onkogeni. Ob poškodbi DNA je učinek delovanja p53 odvisen od prisotnosti onkogenov. Zakaj po poškodbi celic pride do povečane ekspresije tega faktorja, ni znano.

56 normalna koncentracija v skeletni mišičnini je 20mmol/l

35


Opazili so, da lahko nekatere celice med kancerogenezo sproženo z onkogeni preidejo v mirovno stanje oz. staranje. Proces predstavlja reparativni mehanizem, ki upočasni ali celo prepreči maligno transformacijo tako, da zaustavi celično delitev. Poteka lahko po dveh poteh, preko p53 ali p16, vendar po obeh konvergira k pRB, ki v fosforilirani obliki sprosti E2F. Proces staranja, s pomočjo proteinov kot so Suv39h1, DNA metiltransferaza in histon diacil transferaza, pretvori DNA v nepodvajajoč heterokromatin z metilacijo področja okoli histonov. Pretvorba fizično veže RB in onemogoči njegovo fosforilacijo. Ker celica ne more več preiti v naslednjo fazo, se prej ali slej aktivira proces apoptoze.

3. Vloga apoptoze pri tkivni okvari zaradi možganske kapi.Glej sklop 10. Patološka fiziologija živčevja in mišic, vpr. 86.9.

4. Apoptoza in reperfuzijska poškodba.

12. Homeostaza citosolnega kalcija in bolezenski procesi

1. Opredelitev mehanizmov za uravnavanje aktivnosti citosolnega kalcija.Koncentracijo57 Ca2+ v celici uravnavajo Ca2+ ATPaza, Na+/Ca2+

izmenjevalec in kelatorji. Med fiziološko aktivnostjo se koncentracija iona v citoplazmi prehodno poveča. Do tega lahko pride na dva načina, s povečanim vnosom preko plazmaleme in/ali s sproščanjem iz znotrajceličnih zalog. Povečanje traja le okoli 10s, nato pa se koncentracija vrne na mirovno vrednost.

2. Motnje v homeostazi kalcija in iniciacija apoptoze.Kadar v celici primanjkuje ATP, se lahko čas do vrnitve koncentracije v mirovno stanje močno podaljša, zato je nova stacionarna koncentracija Ca2+ višja od prejšnje. Posledica je sprememba razmerja med anabolizmom in katabolizmom. Pri tem igra ključno vlogo mitohondrij, v katerega Ca2+ vstopa preko uniporta. Povečan vstop iona je informacija o njegovi povečani citosolni aktivnosti. Ker je aktivnost nekaterih encimov Krebsovega cikla odvisna od Ca2+, le ta prične potekati z večjo intenziteto. Poveča se nastajanje ATP.

Ko koncentracija Ca2+ doseže določeno vrednost, je dosežena maksimalna aktivnost Krebsovega cikla. Dodatno povečevanje koncentracije iona vpliva na ciklofilin D, ki je del jedrne pore, ki je običajno zaprta. Pora se odpre, kar povzroči velik pretok ionov in transmitohondrijski potencial se poruši. Iz mitohondrija se prične sproščati citokrom c, ki se veže na kaspazo 958, kar aktivira kaskadno reakcijo aktivacije okoli 10 različnih kaspaz, ki se konča z aktivacijo procesa apoptoze. Ključni dejavnik za potek propada celice je zadosti visoka koncentracija kaspaze 3 in 7 v citosolu.

57 aktivnost = aktivnostni koeficient x koncentracija58 Kaspaze so encimi, ki razgrajujejo proteine in so vedno prisotne v celici.

36


Pri apoptozi ločimo fazi iniciacije in ekesekucije. V fazi iniciacije je še možna zaustavitev procesa apoptoze zaradi delovanja protiapoptotskih dejavnikov kot so Bcl-2, šaperoni in Hisp 70. Namreč, v celici so ves čas prisotne pro- in antiapoptotične molekule, od njihovega razmerja pa je odvisno ali bo proces apoptoze potekel ali ne.

3. Bolezenski procesi in motnje pri transportu kalcija prek plazmaleme (možganska kap, Lambert-Eatonov sindrom).4. Bolezenski procesi in motnje pri procesih uravnavanja sproščanja kalcija iz znotrajceličnih skladišč (maligna hipertermija).5. Patofiziološki vidiki strategije za manipulacijo homeostaze citosolne aktivnosti kalcija in fiziološke celične smrti pri zdravljenju.

Razumevanje procesov apoptoze je pomembno zaradi razvoja novih strategij zdravljena nekaterih bolezni, npr. rakavih in nevrodegenerativnih bolezni, zmanjševanje kardiotoksičnosti nekaterih kemoterapevtikov, zmanjševanja odmiranja celic po reperfuzijski poškodbi ali možganski kapi ipd.

VIRI in LITERATURA Bresejanec, M. in sodelavci:Izbrana poglavja iz patološke fiziologije. 9. izdaja. Ljubljana:

Medicinska fakulteta: Inštitut za patološko fiziologijo, 2001. ISBN 961-90320-7-1 Koren, S.: Splošna medicinska virologija. Ljubljana: Medicinski razgledi, 1998. ISBN 961-6260-02-2 Predavanji izr. prof. dr. Maje Bresjanac, Hipertermija in Patofiziologija nekaterih dednih napak,

6.10. in 13.10.2008 Predavanje prof. dr. Dušana Šuputa, Prosti radikali v patofizioloških procesih 08/09 Predavanja prof. dr. Janeza Sketelja, Stres 08/09 Predavanja prof. dr. Marjana Kordeša, Homeostaza 17.4.09 Predavanji prof. dr. Roberta Zorca, Hipotermija, Staranje, Mehanizmi kancerogeneze, Biologija

rakave celice in Celična smrt in bolezen, 2.10., 12.12. in 19.12.08 ter 12.1. in 10.4.09 Predavanja prof. dr. Uroša Kovačiča, Vnetje 08/09

37

Documents

1. PAFI Splosno