background image

Cell Injury, Adaptation and 

Cell Death 


background image

CELLULAR RESPONSES TO HARMFUL STIMULI 

 

      Each cell in the body is designed to carry a 
specific function or functions, which is dependent 
on its 

machinery and metabolic pathways

.  

These specificities are genetically determined. 
     Cells are continuously adjusting their structure 
and function, within a narrow range, to deal with 
the continually changing extra-cellular 
environment. This ability on the part of the cell to 
maintain a  dynamically stable state is referred to as 

homeostasis. 


background image

• They can modify the homeostatic state and 

achieve a new steady state to counteract the 
noxious effects of external stresses  

• Excess

 physiologic 

or 

pathologic

 stress may 

force the cell to a new steady state:  
Adaptation  

• The aim behind these adaptations is to avoid 

cell injury &  death

• Too much stress exceeds the cell’s adaptive 

capacity: Injury 


background image

• The morphological & functional changes 

induced by the 

injury 

may be  

• reversible

, i.e. the cells return to a normal 

state on the removal of the offending agent, 
or 

irreversible

 i.e. there is no possibility of 

making a u-turn to normal.  

• Irreversible changes ultimately eventuate in 

cell death

• Reversibility depends on the 

type

severity

 

and 

duration

 of injury 

• Cell death 

is the result of irreversible injury 


background image

The above mentioned possibilities can be exemplified 
by the myocardium that is subjected to persistently 
increased pressure load 

(hypertension); 

this adapts by 

undergoing hypertrophy i.e. an increase in the size of 
individual cells and ultimately the entire heart.  
 
This generates the required higher contractile force to 
counteract the effect of hypertension . 

If the hypertension (an injurious external stress) is not 
relieved, the muscle cells may undergo injury.  

 
The injury may be 

reversible, if the hypertension is 

mild

; otherwise

 

irreversible injury (cell death) 

occurs. 


background image

background image

CELLULAR ADAPTATIONS 

Adaptations are reversible changes and 
are divided into physiologic & pathologic 
adaptations.  

Physiologic adaptations usually represent 
responses of cells to normal stimulations 
e.g., the hormone-induced enlargement of 
the breast and uterus during pregnancy.  

Pathologic adaptations, on the other 
hand, can take several distinct forms 


background image

Slide 

– Adaptation diagram 


background image

Hypertrophy:

 

this refers to an increase in the size 

of cells that results in enlargement of their relevant 
organ. 

Hypertrophy can be 

physiologic

 or 

pathologic

 and is 

caused either by 

increased functional demand 

or by 

specific hormonal stimulation

.  

Examples of physiologic hypertrophy include 

that of 

skeletal muscles in athletes and mechanical 
workers & the massive physiologic enlargement of 
the uterus during pregnancy due to estrogen-
stimulated smooth muscle hypertrophy (and 
hyperplasia).  

Pathologic hypertrophy

 

is exemplified by 

cardiomegaly  secondary to hypertension 


background image

  The stimuli of hypertrophy turn on signals that lead to the 
induction of a number of genes, which in turn stimulate 
synthesis of numerous contractile myofilaments  per cell. 
This leads to improved performance to house the excessive 
demand imposed by the external burden.  
  

There is, however, a limit for the adaptation beyond which 

injury occurs; as for e.g. in the heart, where several 
degenerative changes occur in the myofilaments that 
culminate in their loss. This limitation of cardiac hypertrophy 
(an adaptation) may be related to the amount of available 
blood to the enlarged fibers. The net result of these 
regressive changes is ventricular dilation and ultimately 
cardiac failure.  

  

This means that an adaptation can progress to dysfunction 

if the stress is not relieved. 


background image

background image

background image

Prostatic hyperplasia -- gross 


background image

Slide -- BPH 


background image

Atrophic testis -- gross 


background image

Hyperplasia

 

refers to an increase in the 

number of cells. It takes place only if the 
cells are capable of replication;  
   

it may occur with hypertrophy and 

often in response to the same stimuli. 
Hyperplasia can be  

physiologic

 or  

pathologic 


background image

Physiologic hyperplasia: 

this is of two types 

1. Hormonal hyperplasia

, exemplified by the proliferation 

of the glandular epithelium of the female breast at puberty 
and during pregnancy. The enlargement of the gravid 
uterus is due to a combination of hypertrophy & 
hyperplasia. 

2. Compensatory hyperplasia

, which occurs when a 

portion of the tissue is removed or diseased. For example, 
when a liver is partially resected, mitotic activity in the 
remaining cells begins that eventually restore the liver to 
its normal weight. The stimuli for hyperplasia in this setting 
are growth factors produced  by remaining hepatocytes & 
other cells within the organ. After restoration of the liver 
mass, cell proliferation is "turned off" by various growth 
inhibitors. 


background image

Pathologic hyperplasia: 

is mostly caused by excessive 

hormonal or growth factor stimulation. Examples include 

1. Endometrial hyperplasia: 

this results from persistent or 

excessive estrogen stimulation of the endometrium. This 
hyperplasia is a common cause of abnormal uterine bleeding.  

2. Skin warts: 

these are caused by Papillomaviruses, and are 

composed of masses of hyperplastic epithelium.  The growth 
factors responsible may be produced by the

 virus 

or by the 

infected cells

In all the above situations

, the hyperplastic 

process remains controlled

; if hormonal or growth factors 

stimulation subsides, the hyperplasia disappears. 

It is this 

response to normal regulatory control mechanisms that 
distinguishes pathologic hyperplasias from cancer, in which 
the growth control mechanisms become ineffective

However, 

some types of pathologic hyperplasias may become a fertile 
soil for the development  of carcinoma 


background image

Atrophy: 

this refers to shrinkage in the size of the cell 

due to loss of its constituent substances. 

This situation is 

exactly opposite to hypertrophy. 

When a sufficient number 

of cells are involved, the entire tissue or organ diminishes 
in size i.e. becomes atrophic . 

Causes of atrophy include 

1. A decreased workload

, which is the most common form 

of atrophy; it follows reduced functional demand. 
For example, after immobilization of a limb in a cast as 
treatment for a bone fracture or after prolonged bed rest. 
In these situations the limb's muscle cells atrophy and 
muscular strength is reduced. When normal activity 
resumes, the muscle's size and function return. 

2. Denervation 

of a limb as in poliomyelitis and traumatic 

spinal cord injury 


background image

3. Diminished blood supply 

e.g. decreased blood 

supply to a limb or brain due to narrowing of the 
lumina of the relevant artery (or arteries) by 
atherosclerosis. 

4. Inadequate nutrition 

as in starvation and famines  

5. Loss of endocrine stimulation 

as in 

*postmenopausal endometrial atrophy (due to 
decrease in the levels of estrogen after menopause) 
and *testicular atrophy (due to decrease in the 
production of LH & FSH as in hypopituitarism . 

6. Aging (senile atrophy). 

 


background image

Although some of these stimuli are

 

physiologic 

(e.g., the loss of hormone stimulation in menopause) 

and others 

pathologic (e.g., denervation), the 

fundamental cellular changes in atrophy are identical. 
They represent a retreat by the cell to a smaller size 
at which survival is still possible; a new equilibrium is 
achieved between cell size and diminished blood 
supply, nutrition, or trophic stimulation.  

    

Atrophy results from decreased protein synthesis 

together with increased protein degradation in the 
affected cells. In many situations, atrophy is also 
accompanied by increased autophagy ("self- eating"), 
with resulting increases in the number of autophagic 
vacuoles. The starved cell eats its own components 
in an attempt to find nutrients and survive. 


background image

background image

Metaplasia

 refers to 

a reversible change in which 

there is “replacement of normal mature epithelium at 
a given site by another mature benign epithelium 
inappropriate 

to that site.” 

In this type of cellular 

adaptation, 

cells sensitive to a particular stress are 

replaced by other cell types that are more capable of 
resisting the adverse environment

Metaplasia is 

thought to arise by genetic "reprogramming" of stem 
cells. Epithelial metaplasia is exemplified by the 
squamous change that occurs in the respiratory 
epithelium in habitual cigarette smokers. The normal 
ciliated columnar epithelial cells of the trachea and 
bronchi are focally or extensively replaced by 
stratified squamous epithelial cells. 


background image

Although the metaplastic squamous epithelium is 
more resistant to the injurious environement, it has 
its adverse effects that include 

1.Loss of protective mechanisms

, such as mucus 

secretion and ciliary clearance of particles.  

2.Predisposition to malignancy

.  

    In fact, 

squamous cell carcinoma of the bronchi 

often coexists with squamous metaplasia. 

Squamous 

metaplasia is also seen in the urinary bladder harboring 
Shistosomal ova. 

When there persistent regurgitation of the 

gastric contents in to the esophagus (chronic gastro-
esophageal reflux disease [GERD]), the normal stratified 
squamous epithelium of the lower esophagus may be 
replaced by a metaplastic intestinal-type columnar 
epithelium. 

The latter is more resistant to the highly acidic 

regurgitating gastric contents 


background image

background image

background image

background image

CELL INJURY AND CELL DEATH 

Cell injury results when cells are exposed to 

1. Persistent stress 

so that the affected cells are no 

longer able to adapt or 

2. Inherently damaging agents.  

Reversible cell injury occurs when the injurious 
agent is mild but persistent or severe but short 
lived. In this type of injury the functional and 
morphologic changes are 

reversible

. With 

continuing damage, there 

is 

irreversible injury

,

 at 

which time the cell cannot recover even with the 
removable of the injurious agent i.e. it dies. 


background image

MECHANISMS OF CELL INJURY 
 

The outcomes of the interaction between 
injurious agents & cells depend on 

1. The injurious agent:

 

its 

type

severity

, and 

the 

duration

 

of its application to the cells. 

2. The cells exposed to the injury: 

its 

type

adaptability

, and their 

genetic makeup. 


background image

The most important targets of injurious agnets are: 
 

1. Mitochondria 

(the sites of ATP generation) 

2. Cell membranes

, which influence the ionic and 

osmotic homeostasis of the cell 

3. Protein synthesis 

(ribosomes) 

4. The cytoskeleton 

(microtubules, and various 

filaments) 

5. The genetic apparatus of the cell 

(nuclear DNA) 


background image

ATP Depletion 

ATP, the energy fuel of cells, is produced mainly by 

oxidative phosphorylation 

of ADP within the 

mitochondria. In addition, the 

glycolytic pathway 

can generate ATP in the absence of oxygen using 
glucose derived either from the circulation or from 
the hydrolysis of intracellular glycogen (anerobic 
glycolysis). 

The major causes of ATP depletion are 

1. Reduced supply of oxygen and nutrients 
2. Mitochondrial damage 
3. The actions of some toxins (e.g., cyanide) 


background image

High-energy phosphate in the form of ATP is required 
for virtually all synthetic and degradative processes 
within the cell, including 

membrane transport

protein 

synthesis

phospholipid turnover

etc. Depletion of ATP 

to less than 5% to 10% of normal levels has 
widespread effects on many critical cellular systems. 

a. The activity of the plasma membrane energy-
dependent sodium pump is reduced,

 

resulting in 

intracellular accumulation of sodium and efflux of 
potassium. The net gain of solute is accompanied 
by iso-osmotic gain of water, causing cell swelling 


background image

b. There is a compensatory increase in anaerobic 
glycolysis in an attempt to maintain the cell's energy 
sources.

 

As a consequence, intracellular glycogen stores 

are rapidly depleted, and lactic acid accumulates, leading to 
decreased intracellular pH and decreased activity of many 
cellular enzymes. 

c. Failure of the Ca2+ pump leads to influx of Ca2+, 
with damaging effects on numerous cellular 
components . 
d. Structural disruption of the protein synthetic 
apparatus manifested as detachment of ribosomes 
from the rough endoplastic reticulum (RER), with a 
consequent reduction in protein synthesis. 
e. Ultimately, there is irreversible damage to 
mitochondrial and lysosomal membranes, and the 
cell undergoes necrosis. 


background image

Mitochondrial Damage 

Mitochondria can be damaged by increases of cytosolic 
Ca2+, reactive oxygen species, and oxygen 
deprivation, and so they are sensitive to virtually all 
types of injurious stimuli, including hypoxia and toxins. 

There are two major consequences of mitochondrial 
damage: 

Failure of oxidative phosphorylation with progressive 
depletion of ATP, culminating in necrosis of the cell. 
Leakage of cytochrome c that is capable of activating 
apoptotic pathways. 


background image

Influx of Calcium 

Cytoplasmic free calcium is normally maintained by 
ATP-dependent calcium pump (transporter) at 
concentrations that are10, 000 times lower than 
the concentration of extra-cellular calcium or 
intracellular mitochondrial and ER calcium. 

Ischemia and certain toxins cause an increase in 
cytoplasmic calcium concentration, initially 
because of release of Ca2+ from the intracellular 
stores, and later resulting from increased influx 
across the plasma membrane. 


background image

Increased cytosolic Ca2+ leads to 

1. Activates a number of enzymes including 
phospholipases 

(which cause membrane 

damage),proteases (which break down both 
membrane and cytoskeletal proteins), 
endonucleases (which are responsible for DNA 
and chromatin fragmentation), and ATPases 
(worsen ATP depletion). 

2. Induction of apoptosis

, by direct activation of 

certain enzymes called caspases. 


background image

background image

DEFECTS IN MEMBRANE PERMEABILITY 

 

Early loss of selective membrane 
permeability leading ultimately to overt 
membrane damage is a consistent feature of 
most forms of cell injury (except apoptosis). 
The plasma membrane can be damaged by 
ischemia, microbial toxins, complement 
components-mediated lysis, etc. 

 


background image

Biochemical mechanisms contribute to membrane 
damage include:  

1. Decreased phospholipid synthesis due to a fall in ATP 
levels. 

This affects all cellular membranes including 

mitochondrial, which worsen the loss of ATP. 

2. Degradation of membrane phospholipids 

due to 

activation of intracellular phospholipases through 
increased levels of intracellular Ca2+. 

3. Injury to cell membranes by Oxygen free radicals (ROS) 
4. Damage to the cytoskeleton 

through activation of 

proteases by increased cytoplasmic Ca2+ 

5. The detergent effect of free fatty acids on membranes. 

These products result from phospholipid 
degradation. 


background image

The most important sites of membrane 
damage during cell injury

 are the  

      

mitochondrial membrane, 

      the plasma membrane , 
      membranes of lysosomes. 


background image

background image

Reperfusion Injury 

If cells are reversibly injured, the restoration of blood flow 
can result in cell recovery. However, under certain 
circumstances, the restoration of blood flow to reversibly 
ischemic tissues results in worsening the injury. 

This 

situation may contribute to tissue damage in myocardial and 
cerebral infarctions. 

The additional damage may be initiated during the blood re-
flow by 

1. Increased generation of reactive oxygen species 

from 

native parenchymal and endothelial cells, as well as the 
infiltrating inflammatory cells. 

2. The cellular antioxidant defense mechanisms are already 
interfered with by ischemia. 
3. Ischemic injury is associated with inflammation, which 
may increase with reperfusion

. The products of activated 

leukocytes and activation of the complement system may 
cause additional tissue injury. 


background image

Causes of Cell Injury include 

1. Oxygen deprivation (Hypoxia) 

insufficient supply of 

oxygen interferes with aerobic oxidative respiration 
and is a common cause of cell injury and death. 
Causes of hypoxia include 

a. Ischemia 

i.e. loss of blood supply in a tissue due to 

interference with arterial flow or reduced venous 
drainage. This is the most common cause of hypoxia 

b. Inadequate oxygenation of the blood

, as in 

pneumonia or chronic bronchitis 

c. Reduction in the oxygen-carrying capacity of the 
blood

, as in anemia or carbon monoxide (CO) 

poisoning. 


background image

2. Chemical agents: 

various poisons cause damage by 

affecting either membrane permeability, or the integrity of the 
cellular enzymes. Environmental toxins as pollutants, 
insecticides, CO, alcohol and drugs can cause cell injury. 

3. Infectious agents 

including viruses, bacteria, rickettsiae, 

fungi and parasites. 

4. Immunologic reactions

; these are primarily defensive in 

nature but they can also result in cell and tissue injury. Examples 
include autoimmune diseases & allergic reactions. 

5. Genetic defects 

including gross congenital malformations 

(as in Down syndrome) or point mutations (as in sickle cell 
anemia). Genetic defects may cause cell injury because of 
deficiency of enzymes in inborn errors of metabolism. 


background image

6. Nutritional imbalances: 

nutritional deficiencies are 

still a major cause of cell injury. Protein-calorie & vitamins 
insufficiencies are obvious example. Excesses of nutrition are 
also important causes of morbidity and mortality; for example, 
obesity markedly increases the risk for type 2 diabetes 
mellitus. Moreover, diets rich in animal fat are strongly 
implicated in the development of atherosclerosis as well as in 
increased vulnerability to cancer e.g. that of the colon. 

7. Physical agents: 

trauma, extremes of temperatures, 

radiation, electric shock, and sudden changes in atmospheric 
pressure all are associated with cell injury. 

8. Aging: 

this leads to impairment of replicative and repair 

abilities of individual cells that result in a diminished ability to 
respond to damage and, eventually, the death of cells and of 
the individual. 


background image

background image

Morphologic features of cell and tissue injury 

All harmful influences exert their effects first at the 

molecular (subcellular) or biochemical level

Function may 

be lost long before morphologic changes of cell injury 
become obvious . 

  i.e, myocardial cells fail to contract after 1 to 2 minutes of 
ischemia, although they do not die until after 20 to 30 
minutes of ischemia. These myocytes do not appear 
morphologically dead 

by electron microscopy until after 3 

hours 

and 

by light microscopy after 6 to 12 hours. 

The 

cellular changes associated with reversible injury can be 
repaired once the injurious agent is removed.

 

Changes 

associated with irreversible injury (as with persistent or 
excessively severe injury) are irreversible even with the 
removal of the injurious agent, i.e. their occurrence signals 
the point of no retrun, and the cell inevitably dies. 


background image

Morphologic examples of 

reversible

 injury 

1. Cellular swelling (hydropic change or vacuolar 
degeneration): 

this is due to paralysis of energy-

dependent ion pumps of the plasma membrane

This 

leads to influx of sodium (with water) into the cell and 
departure of potassium out. It is the first manifestation 
of almost all forms of cell injury.

 

Microscopically, there 

are clear vacuoles (of water) within the cytoplasm.  

2. Fatty change: 

this is manifested by the appearance 

of lipid vacuoles in the cytoplasm

. It is principally 

encountered in cells participating in fat metabolism 
such as hepatocytes; as in 

alcoholic liver disease, 

malnutrition & total parenteral nutrition


background image

background image

background image

There are two changes that characterize 
irreversible injury (cell death) 
 

1. Mitochondrial dysfunction 

manifested as lack of 

oxidative phosphorylation leading to ATP depletion 

2. Membrane dysfunction 

including not only the 

outer cell membrane but also the membranes that 
surround intracytoplasmic lysosomes. This results 
in liberation of the harmful lysosomal enzymes into 
the cytoplasm,  which in turn leads to dissolution 
of vital celluar structures 


background image

Irreversible cell injury 

There are two morphological types of cell death 

1. Apoptosis 
2. Necrosis 


background image

Apoptosis

 

is an active, energy-dependent, 

regulated type of cell death. It serves many 
normal functions and is not necessarily 
pathological is the mode of cell death when 

a. The cell is deprived of its growth factors 

or 

b. The cell's DNA or proteins are damaged 
beyond repair 


background image

Apoptosis Diagram 


background image

Events in apoptosis 


background image

Apoptosis 

– Micro 


background image

background image

Necrosis

 

is a reflection of the morphological 

changes that accompany cell death due to the 
digestion of cellular contents by the liberated 
degradative lysosomal enzymes. It is associated 
with an inflammatory response (unlike apoptosis), 
due to leakage of the cellular contents through the 
damaged plasma membrane. 

The lysosomes of the inflammatory cells also 
contribute to the digestion of the dying cells. 

Necrosis is the major pathway of cell death in many 
commonly encountered injuries, such as those 
resulting from ischemia, exposure to toxins, & 
various infections. 


background image

Morphologic features of necrosis: 

 

these consists of cytoplasmic & nuclear changes. 

 

Cytoplasmic changes: 

the necrotic cells show 

increased 

cytoplasmic eosinophilia

 i.e

. it appears deep pink in color 

than normal cells

. This is attributable in part 

to increased 

binding of eosin to denatured cytoplasmic proteins 

and in 

part to loss of the basophilia 

that is normally imparted by 

the RNA in the cytoplasm (basophilia is the blue staining 
from the hematoxylin dye). The cell may have a more 
homogeneous appearance than viable cells, mostly because 
of the loss of glycogen particles. The latter is responsible in 
normal cells for the granularity of the cytoplasm. 


background image

Nuclear changes : 

these assume one of three 

patterns, all due to breakdown of DNA and 
chromatin 

a. Karyolysis 

i.e. the basophilia of the chromatin 

become pale secondary to deoxyribonuclease 
(DNase) activity. 

b. Pyknosis 

characterized by nuclear shrinkage 

and increased basophilia; the DNA condenses into 
a solid shrunken mass. 

c. Karyorrhexis

, the pyknotic nucleus undergoes 

fragmentation. 


background image

background image

Types of Necrosis -- 

• Coagulative (most common) 
• Liquefactive 
• Caseous 
• Fat necrosis 
• Gangrenous necrosis 


background image

Patterns of Tissue Necrosis 

There are several morphologically patterns of tissue necrosis, which 
may provide clues about the underlying cause. 

1. Coagulative necrosis 

is characterized 

grossly by firmness 

of the affected tissue due to denaturation of structural 
proteins 

and 

microscopically by loss of the cellular fine 

structural details but preservation of the basic tissue 
architecture.

 

The necrotic cells show homogeneously 

eosinophilic cytoplasm and are devoid of nuclei. 

Ultimately 

the necrotic cells are removed through the degradtative 
enzymes released from both the dead cells themselves as 
well as from the already present inflammatory cells. The 
latter also contribute by phagocytosing the cellular debris. 

Coagulative necrosis is characteristic of ischemic damage in 
all solid organs except the brain. 


background image

background image

Splenic infarcts -- gross 


background image

background image

background image

background image

background image

2. Liquefactive necrosis 

is 

characterized by complete 

digestion of the dead cells, resulting in transformation 
of the affected tissue into thick liquid mass (hence the 
name liquefactive).

 

Eventually, the liquefied necrotic tissue 

is enclosed within a cystic cavity. This type of necrosis is 
seenin two situations 

a. Focal pyogenic bacterial infections. 

These bacteria 

stimulate the the accumulation of inflammatory cells & the 
enzymes of leukocytes digest ("liquefy") the tissue. This 
process is associated acute suppurative inflammation 
(abscess); the liquefied material is frequently creamy 
yellow and is called pus. 

b. Ischemic destruction of the brain tissue: 

for unclear 

reasons, hypoxic death of cells within the central nervous 
system often induces liquefactive necrosis 


background image

background image

background image

background image

background image

3. Gangrenous necrosis (gangrene) 

is 

not a distinctive 

pattern of cell death; however, the term is still commonly 
used in clinical practice. 

It is usually applied to a limb, 

usually a leg that has lost its blood supply and has 
undergone coagulative necrosis involving multiple tissue 
layers (dry gangrene). 

When bacterial infection is 

superimposed, coagulative necrosis is modified by the 
liquefactive action of the bacteria and the attracted 
leukocytes (wet gangrene)

Intestinal gangrene (the 

consequences of mesenteric vascular occlusion) and 
gangrenous appendix are also commonly used terms; they 
signify ischemic necrosis of these structures with 
superimposed bacterial infection. 


background image

background image

background image

background image

4. Caseous necrosis

unlike coagulative necrosis, 

the tissue architecture is completely lost and 
cellular outlines cannot be detected. It is 
encountered most often in foci of tuberculous 
infection.

 

The term 

"caseous“ (cheese-like)

 is 

derived from the friable yellow-white appearance 
of the area of necrosis . 

Microscopically, 

the necrotic focus appears as 

pinkish, and granular in appearance. Caseous 
necrosis is often bordered by a granulomatous 
inflammation. 


background image

background image

background image

background image

background image

5. Fat necrosis 

is typically seen in acute 

pancreatitis and results from release of activated 
pancreatic lipases into the pancreas and the 
peritoneal cavity. Pancreatic enzymes that have 
leaked out of acinar cells liquefy 

the membranes of fat cells in and outside the 
pancrease. Lipases split the liberated triglycerides 
into fatty acids that combine with calcium to 
produce grossly visible chalky white areas . 

 

Microscopically, 

the foci of necrosis contain vague outlines of 

necrotic fat cells with bluish calcium deposits. The necrotic foci are 
surrounded by an inflammatory reaction. 

Another example of fat 

necrosis is seen in female breasts; at least some of these cases are 
preceded by a history of trauma (traumatic fat necrosis). 


background image

Fat necrosis -- gross 


background image

Fat necrosis -- micro 


background image

6. Fibrinoid necrosis 

is typically seen in immune reactions 

involving blood vessels. Deposits of immune complexes, together 
with fibrin that has leaked out of vessels result in a homogeneous 
bright pink appearance. This type is exemplified by the necrosis seen 
in polyarteritis nodosa . 

The leakage of intracellular proteins through the damaged cell 
membrane and ultimately into the blood provides means of 
detecting necrosis of specific tissues using blood or serum samples. 
The measurement of the levels of these specific enzymes in the 
serum is used clinically to assess damage to these tissues. 

Cardiac 

muscles contain a unique enzyme creatine kinase (CK) and the 
contractile protein troponin. The serum levels of both are elevated 
after acute myocardial infarction.

Hepatocytes contain transaminases 

& these are elevated in the serum following an episode of hepatitis 
(viral or otherwise). 


background image

Accumulation of Oxygen-Derived Free Radicals (Oxidative 
Stress) 

These are designated as 

reactive oxygen species (ROS) 

are units with a single unpaired electron in their outer 
orbit. When generated in cells they enthusiastically attack 
nucleic acids, cellular proteins and lipids

. ROS are 

produced normally in cells during mitochondrial 
respiration and energy generation, but they are degraded 
and removed by cellular defense systems. When their 
production increases or the defense systems are 
ineffective, the result is an excess of these free radicals, 
leading to a condition called oxidative stress. 

Cell injury in 

many circumstances involves damage by free radicals; 
these Include 

Reperfusion injury ,Chemical and radiation injury 

Toxicity from oxygen and other gases ,Cellular aging , Inflammatory 
cells mediated tissue injury 


background image

Free Radicals -- 

• Free radicals have an unpaired electron 

in their outer orbit 

• Free radicals cause chain reactions 
• Generated by: 

– Absorption of radiant energy 
– Oxidation of endogenous constituents 
– Oxidation of exogenous compounds 


background image

Examples of Free Radical Injury 

• Chemical (e.g., CCl

4

, acetaminophen) 

• Inflammation / Microbial killing 
• Irradiation (e.g., UV rays  skin cancer) 
• Oxygen (e.g., exposure to very high 

oxygen tension on ventilator) 

• Age-related changes 


background image

Reactive oxygen species 


background image

Mechanism of Free Radical Injury 

• Lipid peroxidation  damage to cellular 

and organellar membranes 

• Protein cross-linking and fragmentation 

due to oxidative modification of amino 
acids and proteins 

• DNA damage due to reactions of free 

radicals with thymine 


background image

Intracellular Accumulations -- 

• Cells may acquire (either transiently or 

permanently) various substances that arise 
either from the cell itself or from nearby cells 

– Normal cellular constituents accumulated in 

excess (e.g., from increased production or 
decreased/inadequate metabolism) 

– e.g., lipid 

accumulation in hepatocytes 

– Abnormal substances due to defective metabolism 

or excretion (e.g., storage diseases, alpha-1-AT 
deficiency) 

– Pigments due to inability of cell to metabolize or 

transport them (e.g., carbon, silica/talc) 


background image

Intracellular accumulations 


background image

Lipids 

• Steatosis (fatty change) 

– Accumulation of lipids within hepatocytes 

– Causes include  drugs, toxins 

– Accumulation can occur at any step in the 

pathway 

– from entrance of fatty acids into cell to 

packaging and transport of triglycerides out of cell 

• Cholesterol (usu. seen as needle-like clefts in 

tissue; washes out with processing so looks 
cleared out) 

– E.g.,  

– Atherosclerotic plaque in arteries 

– Accumulation within macrophages (called “foamy” 

macrophages) 

– seen in xanthomas, areas of fat 

necrosis, cholesterolosis in gall bladder 


background image

Steatosis 


background image

Slide 

– Fatty liver 


background image

Proteins 

• Accumulation may be due to inability of 

cells to maintain proper rate of 
metabolism 

– Increased reabsorption of protein in renal 

tubules  eosinophilic, glassy droplets in 
cytoplasm 

• Defective protein folding 

– E.g., alpha-1-AT deficiency  intracellular 

accumulation of partially folded intermediates 

– May cause toxicity – e.g., some 

neurodegenerative diseases 


background image

Alpha-1-antitrypsin 

accumulation -- micro 


background image

Gaucher’s disease -- micro 


background image

Liver in EtOH -- micro 


background image

Mallory hyaline -- micro 


background image

Glycogen 

• Intracellular accumulation of glycogen 

can be normal (e.g., hepatocytes) or 
pathologic (e.g., glycogen storage 
diseases) 

• Best seen with PAS stain – deep pink to 

magenta color 


background image

Slide 

– Liver – normal 

glycogen 


background image

Liver 

– Glycogen storage 

disease 


background image

Pigments 

• Exogenous pigments 

– Anthracotic (carbon) pigment in the lungs 
– Tattoos 


background image

Anthracotic pigment in lungs -- 

gross 


background image

Slide 

– Anthracotic lymph 

node 


background image

Anthracotic pigment in 

macrophages -- micro 


background image

Pigments 

• Endogenous pigments 

– Lipofuscin (“wear-and-tear” pigment) 
– Melanin 
– Hemosiderin 


background image

Lipofuscin 

• Results from free radical peroxidation of 

membrane lipids 

• Finely granular yellow-brown pigment 
• Often seen in myocardial cells and 

hepatocytes 


background image

Lipofuscin -- micro 


background image

Melanin 

• The only endogenous brown-black 

pigment 

• Often (but not always) seen in 

melanomas 


background image

Slide -- Melanoma 


background image

Hemosiderin -- 

• Derived from hemoglobin – represents 

aggregates of ferritin micelles 

• Granular or crystalline yellow-brown pigment 
• Often seen in macrophages in bone marrow, 

spleen and liver (lots of red cells and RBC 
breakdown); also in macrophages in areas of 
recent hemorrhage 

• Best seen with iron stains (e.g., Prussian 

blue), which makes the granular pigment 
more visible 


background image

Hemosiderin -- micro 


background image

Hemosiderin 


background image

Hemosiderin in renal tubular 

cells -- micro 


background image

Prussian Blue 

– hemosiderin 

in hepatocytes and Kupffer 

cells -- micro 


background image

Dystrophic Calcification 

• Occurs in areas of nonviable or dying 

tissue in the setting of normal serum 
calcium; also occurs in aging or 
damaged heart valves and in 
atherosclerotic plaques 

• Gross: Hard, gritty, tan-white, lumpy 

• Micro: Deeply basophilic on H&E stain; 

glassy, amorphous appearance; may be 
either crystalline or noncrystalline 


background image

Calcification 


background image

Slide 

– Ganglioneuroblastoma 

with calcification 


background image

Dystrophic calcification in wall 

of stomach -- micro 


background image

Metastatic Calcification -- 

• May occur in normal, viable tissues in 

the setting of hypercalcemia due to any 
of a number of causes 

– Calcification most often seen in kidney, 

cardiac muscle and soft tissue 


background image

Metastatic calcification of lung 

in pt with hypercalcemia -- 

micro 




رفعت المحاضرة من قبل: Ismail AL Jarrah
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 144 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل