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坏死 (英语:Necrosis ),又称细胞坏死 ,被认为是一种由外部或内部物理 性因素(例如热力 、应力 和辐射 等)、强碱 、强酸 及毒物 等化学 性因素,以及内毒素 和病原体等生物性因素诱发的永久性细胞或活体组织 死亡,并且具有是混乱无序且基本上不可控(部分类型的坏死是可以被信号传导通路所控制,例如死亡域受体和类铎受体 )的特征,一旦发生则难以逆转。它跟细胞凋亡 不同,细胞凋亡是细胞正常性的死亡,通常对生物的身体及成长是有益的,而坏死通常是指因外在因素造成病理性或非正常的细胞死亡 。
因棕色遁蛛 咬伤而造成的组织坏死
坏死并不是在2005年首次报道的“程序性坏死”(Necroptosis),两者不能混作一说。程序性坏死是一种程序性细胞死亡 ,并且与细胞凋亡的病理学特征截然不同,它的发生不由胱天蛋白酶 主控,而且没有线粒体细胞色素c 的释放[ 1] 。
细胞坏死有六种常见且独特的形态学模式[ 2] :
凝固性坏死 的特征是在死亡组织中形成凝胶状物质,令组织的结构得以维持[ 2] ,并且可以透过光学显微镜 进行观察。凝固作用是蛋白质变性的结果,导致白蛋白 转变为牢固和不透明的状态[ 3] 。这种坏死模式通常出现在梗塞等缺氧 或低氧环境中。凝固性坏死主要发生在肾脏 、心脏 和肾上腺 等组织中[ 3] ,而严重的缺血 也经常会导致凝固性坏死[ 4] 。
液化性坏死 的特征是已消化的坏死组织因酶性分解而发生溶解液化,并且形成粘性液体[ 2] 。这是细菌感染或真菌感染的典型特征,因为它们具有刺激炎症反应的能力。由于存在死亡的白细胞 ,脓液 通常呈乳黄色[ 2] 。脑缺氧性梗死的表现为液化性坏死,因为脑中的结缔组织很少,但是消化酶 和脂质 的含量很高,因此细胞可以很容易地被自身的酶 所消化[ 3] 。
坏疽性坏死 (Gangrenous necrosis)可以被理解是一种类似于组织被木乃伊化的凝固性坏死。它是下肢和胃肠道缺血的特征。如果坏死组织继发腐败菌感染,液化性坏死就会发生[ 5] 。
干酪样坏死 可以被认为是凝固性坏性和液化性坏死的结合[ 3] ,通常由结核杆菌 、真菌 和某些外来物质 引起。干酪性坏死的组织看起来像块状的白色奶酪,并且易碎。干酪性坏死的细胞被分解,但是未被完全消化,并且留下颗粒状颗粒[ 3] 。显微镜检查显示无定形颗粒状碎片包裹在明显的炎症边界内[ 2] ,而肉芽肿 同样具有这种特征[ 6] 。
坏死也有其他非常特殊的形态学模式,例如坏疽(严重缺氧的肢体在临床实践中使用的术语)、由于螺旋体 感染而引发的梅毒肿性坏死(gummatous necrosis)和由于器官或组织的静脉 引流受阻而引发的出血性坏死(hemorrhagic necrosis)。
被某些蜘蛛 咬伤可能导致细胞坏死。在美国 ,只有棕色遁蛛 造成的咬伤能发展为坏死。已知在其他国家也具有相同属的蜘蛛,例如南美的智利遁蛛 也会引起坏死。关于红螯蛛属 和Hobo spider 具有导致坏死毒液的说法尚未得到证实。
在鼹形鼠亚科 中,坏死过程取代了在许多生物中使用的系统性细胞凋亡 的作用。低氧条件,例如鼹形鼠亚科洞穴中常见的条件,通常会导致细胞凋亡。为了适应更高的细胞死亡趋势,鼹形鼠亚科在肿瘤抑制蛋白p53 中进化出一种突变 ,以阻止细胞凋亡。人类 癌症患者 俱有类似的突变,并且认为鼹形鼠亚科更易患癌症 ,因为它们的细胞无法凋亡。根据罗彻斯特大学 进行的一项研究,鼹形鼠亚科的细胞在三天之内,就会因过度刺激而释放β型干扰素 。细胞增殖受到细胞凋亡的抑制。在这种情况下,β型干扰素会触发细胞坏死,而这种机制还杀死了鼹形鼠亚科的癌细胞。 由于这种肿瘤抑制机制,鼹形鼠亚科和其他鼹形鼠科 对癌症具有抵抗力[ 7] [ 8] 。
确定是否为坏死需要具有以下的条件:
首先,必须要在显微镜 的观察下呈坏死样细胞的典型形态学 特征是必备条件。第二,要坏死细胞中的细胞膜 完整性是否受到破坏。第三,坏死周围组织的炎性反应是与细胞凋亡的重要区别特征。第四,坏死中普遍存在的下游应答机制是自噬溶酶体的活化。第五点则是线粒体膜 电势 和内质网应激的缺失。第六,部分坏死样细胞的活性氧自由基 浓度 会增加,但是ROS的活性氧在坏死的发生及发展中没有发挥关键性作用。第七,细胞的死亡是否能被necrostatin-1(一种特异性的RIP1抑制剂)特异性地抑制 。最后,坏死通路激活的重要标志是分子受体相互作用蛋白1 (RIPK1)和RIPK3 的相互作用和活化,以及混交激酶域蛋白 (MLKL)的磷酸化 。因此,在病理学 上较容易鉴别坏死和凋亡[ 9] 。
第一是肿瘤坏死因子 及TNF-R1 信号传导通路,而这信号传导通路的关键步骤是RIP1与RIP3的活化和结合,以及RIPK3 的相互作用和活化,以及混交激酶域蛋白 (MLKL)的磷酸化。在RIP1方面,其N末端 的丝氨酸/苏氨酸激酶活性允许其参与坏死的调控[ 1] ,因为亲环素 D和腺嘌呤核苷酸移位酶 二者之间的相互作用被中断,最终因胞内线粒体出现功能障碍而促使坏死的发生[ 10] 。在RIP3方面,其拥有自身磷酸化的激酶 活性[ 11] 。TNF-R1在细胞接收到死亡信号后,会激活并将此信号传递至细胞内,而RIP1和RIP3接收到活化信号后,会启动两者的结合并开启RIP1的磷酸化反应。RIP3同时开始自身的磷酸化。已磷酸化的RIP1-RIP3复合物作为坏死通路的关键信号分子 ,启动下游的信号传导通路,以及MLKL磷酸化和膜结合死亡执行程序,最终发生坏死[ 12] 。
第二是RIP1/RIP3信号传导通路。肿瘤坏死因子与TNF-R1在坏死信号的刺激下结合,形成肿瘤坏死因子受体相关死亡域蛋白 (TRADD)可以为RIP1激酶提供结合位点。当RIP1加入TRADD后,就会形成膜相关复合物。RIP1在形成膜相关复合物后会被活化,并且与TAK1-TAB2复合物结合,接着IκB 激酶 (携带NEMO基因调节亚基 )加入此复合物后,会形成更大的聚合物 。聚合物中的IκB 激酶因发生磷酸化而促进核因子的释放。TRADD和TRIP1同时间将从膜相关复合物上脱落,而caspase-8、Fas相关死亡域蛋白 和RIP3激酶则与膜相关复合物结合,最终形成新的膜相关复合物。在新的膜相关复合物形成后,MLKL作为RIP3的底物,会发生磷酸化并从单体变为寡聚体 ,接着从细胞质 转移到细胞膜 ,其N末端插入到细胞膜的结构 内,并且与膜上的心磷脂 和磷脂酰肌醇 结合,因形成孔道而释放细胞内的物质,以及钠和钙的内流,最终发生坏死[ 13] [ 14] [ 15] 。
第三是PKC-MAPK-AP-1相关的信号传导通路。蛋白激酶C经zVAD的诱导后,激活丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK)及cJUN氨基末端激酶 ,过程中会联合细胞外信号调节激酶活化AP-1转录因子 (AP-1),令其参与到坏死的调控和信号传导中,并且承担类似于RIP1/RIP3信号传导通路中,重要信号因子NF-κB 的角色。
第四是ROS相关的代谢调控途径,包括直接方式及间接方式。直接方式即由ROS阻断细胞的能量代谢链,因细胞能量代谢出现障碍而直接引致细胞死亡。间接方式即ROS活化后对细胞器膜产生的损伤效应。在溶酶体及线粒体等重要亚细胞结构受到ROS的损伤而出现通透性的改变后,会导致细胞能量出现障碍和大量溶酶体 的释放及活化,诱发细胞的自我消化,从而加速细胞死亡。然而,ROS诱发的细胞死亡是坏死的主要执行程序,还是部分细胞发生的个别死亡现象尚有争议[ 16] ,缺乏有说服力的证据来证实。
引起坏死的外部因素包括机械性创伤(对身体的物理损害会导致细胞破裂)、对血管的损害(可能会破坏相关组织的血液供应),以及局部缺血 等[ 17] 。由于细胞破裂,极高或极低的温度 会导致坏死[ 17] 。在冻伤 中,会形成晶体,从而增加剩馀组织和液体的压力,继而导致细胞破裂。在极端条件下,组织和细胞会通过对膜和细胞质不受控制的破坏过程而死亡[ 18] 。
引起坏死的内部因素包括玻璃体营养不良、神经细胞的损伤和麻痹。胰腺酶(一种脂酶)是脂肪组织坏死的主要原因[ 17] 。坏死可以被免疫系统的成分激活,例如补体系统 、细菌毒素、已活化的自然杀伤细胞 ,以及腹膜巨噬细胞 等[ 19] 。具有免疫屏障(肠粘膜)的细胞,由病原体诱导的坏死程序,可以减轻病原体通过受炎症影响的表面的入侵[ 19] 。毒素和病原体可能导致坏死,而蛇毒 等则可能会抑制酶 并导致细胞死亡[ 17] 。大虎头蜂 造成的刺伤也会造成坏死性伤口[ 20] 。病理学 的特征是细胞因子 的分泌 不足,而一氧化氮 和活性氧类 会伴随著细胞的严重坏死性死亡[ 17] 。坏死的一个典型例子是缺血,它导致氧气 、葡萄糖 和其他营养因子的大量消耗,并且引起内皮细胞和神经元 、心肌 细胞及肾 细胞等周边组织,不增殖细胞的大量坏死性死亡[ 19] 。有细胞学研究表明,坏死不仅发生于病理事件发生的期间,还是某些生理过程的一部分[ 17] 。由活化所诱导的原发性T淋巴细胞死亡,以及免疫反应的其他重要组成部分并不依赖胱天蛋白酶 ,并且坏死,故而研究人员已经证明坏死细胞死亡的发生,不仅可以发生在病理过程中,而且可以发生在组织更新、胚胎发育 和免疫反应等正常过程中[ 17] 。
坏死被认为是不受管制的过程[ 21] ,然而在生物体内 可能存在两种广泛的坏死途径[ 21] 。第一种坏死途径最初涉及缺血性细胞死亡 及肿瘤浸润,并且发生细胞肿胀,受影响的细胞开始起泡,随后出现固缩 现象。最终细胞核溶解到细胞质 中,即核溶解 [ 21] 。第二种坏死途径在细胞凋亡后发生,明显的细胞变化是细胞核 破裂成碎片,即核碎裂 [ 21] 。
更多信息:心肌梗死诊断
坏死的核变化及其变化的特征取决于其DNA分解的方式:
核溶解:由于降解导致的去氧核糖核酸 丢失,细胞核内的染色质 会褪色。
核碎裂:细胞核碎片完全扩散。
固缩:细胞核缩小,出现染色质凝结。
坏死中其他典型的细胞变化包括:
除此之外,在较大的组织学范围内,pseudopalisades(false palisades)是指围绕坏死组织的细胞密集区域,而Pseudopalisading 坏死表明是侵袭性肿瘤[ 22] 。
坏死的原因很多,故而治疗是基于坏死的产生方式。治疗坏死通常涉及两个不同的过程,通常必须先处理导致坏死的根本原因,然后才能处理死亡组织。
清创术 是坏死的标准疗法,通过手术或非手术手段清除死亡的组织。根据坏死的严重程度,其范围可能从去除小块皮肤到完全切除受影响的四肢或器官。以化学方法清除坏死组织是另一种选择,其中酶清创剂分为蛋白酶解 、纤维蛋白分解 及胶原酶 ,用于靶向死亡组织的各种成分[ 23] 。在某些情况下,采用Lucluc sericata 幼虫的蛆疗法 可以去除坏死的组织和感染[ 24] 。
在心肌梗塞 等局部缺血的情况下,对组织血液 供应的限制会导致缺氧,并且产生活性氧类,而活性氧类会与蛋白质 和膜发生反应,并且破坏蛋白质和膜,然而可以采用抗氧化剂来清除活性氧类[ 25] 。
由物理因素引起的伤口(包括物理创伤 和化学灼伤 )可以用抗生素 和抗炎性药物 治疗,防止细菌感染和炎症,而保持伤口清洁免受感染也可以防止坏死。
化学品和有毒物质(例如药物 、酸及碱)与皮肤会发生反应,导致皮肤脱落及坏死。因此,治疗包括鉴定和终止使用对皮肤有害的药物,然后治疗伤口(包括预防感染及尽可能使用免疫抑制 疗法,例如消炎药或免疫抑制剂等)[ 26] 。以被蛇咬伤 后的治疗为例子,使用抗蛇毒血清 可以阻止毒素的传播,同时利用抗生素来阻止感染[ 27] 。
即使阻止导致细胞坏死的最初原因后,坏死的组织仍会保留在体内。机体对细胞凋亡的免疫反应(涉及细胞物质的自动分解和再循环),却不会被坏死细胞的死亡所触发的,因为凋亡途径并不能正常运作[ 28] 。
如果缺乏钙就不能合成果胶 ,故而因不能结合细胞壁 而阻碍了分生组织 ,最终导致茎、根尖和叶边缘坏死[ 29] 。例如,由于存在着植物病原体,组织坏死可在阿拉伯芥 中发生,而索诺拉沙漠 中的仙人掌 (如巨人柱 和Pachycereus pringlei )等则经常形成坏死的斑块。Drosophila mettleri 已经拥有p450排毒系统,使其能够使用这些坏死斑块中释放出来的分泌物来筑巢和喂养幼虫。
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