مواضيع المحاضرة: Morphologic features of cell and tissue injury
background image

 

Lecture 02                                                       Pathology                                                       D.Lamyaa 

Morphologic features of cell and tissue injury 

  in reversible cell injury the morphological changes are exemplified by: 

1.  Acute cellular swelling  
2.  fatty change 

  In Irreversible cell injury there are two morphologic types of cell death 

1.  Necrosis 
2.  Apoptosis  

Morphologic examples of reversible injury 

  Cellular swelling (hydropic change or vacuolar degeneration) is the result of failure of 

energy –dependent ion pumps in the plasma membrane, leading to an inability to 
maintain ionic gradients across  the membranes i.e. there is influx  of sodium (with 
water) into the cell and departure of the potassium out. It is the first manifestation 
of almost all forms of cell injury. When it affects many cells in an organ which appear 
also  tense.  Microscopically:  there  are  small,  clear  vacuoles  within  the  cytoplasm; 
these represent distended segment of the ER. 

  Fatty changes is manifested by the appearance of lipid vacuoles in the cytoplasm. It 

is principally encountered in cells participating in fat metabolism (e.g. hepatocytes) 

 

Fatty change liver 

 

Sever fatty change liver 


background image

 

Morphologic examples of irreversible injury 

  Necrosis refers to morphological changes that accompany cell death, largely resulting 

from  the  degradative  action  of  enzymes  on  lethally  injured  cells.  Necrotic  cell  are 
unable  to  maintain  membrane  integrity,  and  their  contents  often  leak  out.  The 
enzymes  responsible  for  the  digestion  of  the  cell  are  derived  either  from  the 
lysosomes of the dying cells themselves or from the lysosomes of leukocytes that are 
recruited as part of the inflammatory reaction to the dead cells. 

  When  damage  to  membrane  is  severe,  enzyme  leak  out  of  lysosomes  (which  are 

membrane  bound),  enter  the  cytoplasm  and  digest  the  cell,  resulting  in  necrosis. 
Cellular  content  also  leak  out  through  the  damaged  plasma  membrane  and  elicit 
inflammation.  

  The  leakage  of  intracellular  proteins  through  the  damaged  cell  membrane  and 

ultimately into the circulation provides a means of detecting tissue specific necrosis 
using blood or serum samples. Cardiac muscle for example contains a unique enzyme 
creatin  kinase  and  of  the  contractile  protein  troponin.  Hepatocytes  contain 
transaminases.  Irreversible  injury  and  cell  death  in  these  tissue  are  reflected  in 
increase levels of such proteins and measurement of serum levels is used clinically to 
assess damage to these tissues. 

 

Morphologic examples of irreversible injury: 

Apoptosis is the mode of cell death when 

  The cell is deprived of growth factors or 
  The cell's DNA or proteins are damaged beyond repair 


background image

 

This is an active, energy dependent regulated type of cell death., apoptosis servers many 
normal  functions  and  is  not  necessarily  pathological.  Necrosis  involve  a  large  number  of 
contagious cells (so part of tissue may involved) & it is always a pathologic process 

Morphologic features of the necrotic cells 

  Cytoplasmic changes 

1.  The  necrotic  cells  (e.g.  as  a  result  of  oxygen  deprivation)  show  increased 

eosinophilia i.e. appear deep pink in color than normal cells. This is attributable in 
part to increased binding of eosin to denaturated 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 hematoxilin dye) 

2.  The cells may have more homogenous appearance than the viable cells, mostly 

because of the loss of glycogen particles 

3.  When enzymes have digested the cytoplasmic organelles, the cytoplasm becomes 

vacuolated and appears mouth eaten. 

  Nuclear changes:-  

Assume one of three patterns, all due to breakdown of DNA and chromatin 

1.  Pyknosis  characterized  by  the  nuclear  shrinkage  and  increased  basophilia,  the 

DNA condenses into a solid shrunken mass 

2.  Karyorrhexis the pyknotic nucleus undergoes fragmentation onto 1 to 2 part, the 

nucleus in a dead cell completely disappears. 

3.  Karyolysis i.e. the basophilia of the chromatin may fade, presumably secondary to 

deoxyribonuclease (DNase) activity. 

Cell necrosis / Nuclear changes 

 

Liver cell necrosis / Nuclear changes 

 


background image

 

Morphological patterns of tissue necrosis: 

Six types of Necrosis 

1.  Liquefactive 
2.  Coagulative 
3.  Gangrenous 
4.  Fibrinoid 
5.  Fat 
6.  Caseous 

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

  Coagulative necrosis is:- 

  A form of tissue necrosis. Coagulative necrosis is characteristic of infarcts (area 

of ischemic necrosis) in all solid organ except brain. Grossly the affected tissue 
have a firm texture 

  In which the final structural details are lost but the basic tissue architecture is 

preserved.  This  appears  to  be  due  to  denaturation  not  only  of  structural 
proteins but also of enzymes, which blocks proteolysis of the dead cells. These 
changes  are  reflected  microscopically  as  homogeneously  eosinophilic  cells 
that are devoid of nuclei.  

  Ultimately,  the  necrotic  cells  are  removed  by  phagocytosis  of  the  cellular 

debris by infiltrating leukocytes and by digestion by the action of the lysosomal 
enzymes of the leukocytes.  

 

Coagulative necrosis. A, A wedge-shaped kidney infarct (yellow) with preservation of the outlines. 
B, Microscopic view of the edge of the infarct, with normal kidney (N) and necrotic cells in the infarct 
(I). The necrotic cells show preserved outlines with loss of nuclei, and an inflammatory infiltrate is 
present (difficult to discern at this magnification). 


background image

 

Coagulative necrosis / myocardial cells 

 

This myocardial infarction is about 3 to 4 days old. There is an extensive acute inflammatory cell 
infiltrate and the myocardial fibers are so necrotic that the outlines of them are only barely visible. 

The cytoplasm is rather homogeneous, deeply eosinophilic, devoid of cross striation and there are 
no nuclei. 

  Liquefactive necrosis :-  

 in  this  type  of  necrosis  there  is  complete  digestion  of  the  dead  cells  resulting  in 
transformation  of  the  affected  tissue  into  a  liquid  viscous  mass  enclosed  within  a  cystic 
cavity. Liquefaction necrosis is seen in two situations  

1.  Focal  bacterial  infection(  or  occasionally  fungal)  infections.  This  is  because 

microbes stimulate the accumulation of inflammatory cells and the enzymes of 
the leukocytes digest (liquefy) the tissue. The process is usually due to  pyogenic 
bacterial  –associates  acute  suppurative  inflammation  (  abscess);  the  liquefied 
material is frequently creamy yellow and is called pus 

2.  Ischemic destruction of the brain  tissue : for obscure reasons hypoxic death of 

cells within the central nervous system often evokes liquefactive necrosis. 
 

  Gangrenous necrosis:-  

It 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, generally the lower 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). 

Liquefactive necrosis brain 

 


background image

 

Gangrene-lower limb 

 

Left:  this  is  gangrene,  or  necrosis  of  the  toes  that  were  involved  in  a  frostbite  injury.  This  is  an 
example of "dry" gangrene in which there is mainly coagulative necrosis from the anoxic injury. 

Right:  this  is  gangrene  of  the  lower  extremity.  In  this  case  the  term  "wet"  gangrene  is  more 
applicable because of the liquefactive component from superimposed infection in addition to the 
coagulative necrosis from loss of blood supply. This patient had diabetes mellitus. 

 

  Caseous necrosis :-  

Is encountered most often in the foci of the tuberculous infection. The term caseous is ( a 
cheese like) is derived from friable yellow white appearance of the area of the necrosis. The 
tissue  architecture  is  completely  lost  and  cellular  outlines  cannot  be  discerned.  Caseous 
necrosis  is  often  enclosed  within  a  distinctive  inflammatory  border;  this  appearance  is 
characteristics of granulomatous inflammation. 

Caseous necrosis-pulmonary hilar LN 

 

This is the gross appearance of caseous necrosis in a hilar lymph node infected with tuberculosis. 
The node has a cheesy tan to white appearance.  


background image

 

  Fat necrosis  

Typically seen in acute pancreatitis and results from release of activated pancreatic lipases 
into the substance of the pancreas and the peritoneal cavity. Pancreatic enzymes that have 
leaked  out  of  acinar  cells  liquefy  the  membranes  of  fat  cells  releasing  fatty  acids  that 
combined with calcium to produce grossly visible chalky white areas (fat saponification).this 
typical appearance enables the surgeon to identify the lesions. Microscopically the foci of 
necrosis  contain  shadowy  outlines  of  necrotic  fat  cells  with  bluish  calcium  deposits 
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) 

 

Fat necrosis in acute pancreatitis. The areas of white chalky deposits represent foci of fat necrosis 
with calcium soap formation (saponification) at sites of lipid breakdown in the mesentery

  Fibrinoid necrosis.  

Typically seen immune reactions involving blood vessels. Deposits of immune complexes, 
together with fibrin that has leaked out of vessels result in a bright pink and amorphous 
appearance  in  H&E  stains.  This  type  is  exemplified  by  the  necrosis  seen  in  polyarteritis 
nodosa. 

 

Fibrinoid necrosis in an artery in a patient with polyarteritis nodosa. The wall of the artery shows a 
circumferential bright pink area of necrosis with protein deposition and inflammation (dark nuclei 
of neutrophils). 


background image

 

Mechanisms of cell injury 

The outcome of the interaction between the injurious agent & the cell depend on:- 

1.  The type of injury, its duration and its severity.  
  Thus low doses of toxins or a brief duration of ischemia may lead to reversible cell 

injury while large toxin doses or longer ischemic intervals may result in irreversible 
injury and cell death. 

2.  The type, adaptability and genetic makeup of the injured cell The same injury has 

vastly outcomes depending on the cell type.  

  Thus striated skeletal muscle in the leg resist complete ischemia for 2-3- hours 

without irreversible injury, whereas cardiac muscle dies after only 20-30 minutes.  

  The nutritional or hormonal status can also be important; clearly a glycogen filled 

hepatocytes will tolerate ischemia much better than one that has just burden its 
last glucose molecules. 

   Genetically determined diversity in metabolic pathways can also be important. 

For instance, when exposed for the same dose of a toxin. Individual who inherit 
variants in genes encoding cytochrom p-450 may cataboliz the toxin at different 
rates leading to different outcomes. 

Mechanisms of cell injury 

The most important targets of injurious stimuli are- 

1.  Mitochondria (the site of ATP generation). 
2.  Cell membrane which influence the ionic and osmotic homeostasis of the cell. 
3.  Protein synthesis (ribosome). 
4.  The cytoskeleton (microtubules and various filaments). 
5.  The genetic apparatus of the cell (nuclear DNA)  

 


background image

 

The principal  cellular  and  biochemical  sites  of  damage  in  cell  injury.  Note that  loss  of  adenosine  
triphosphate  (ATP)  results  first  in  reversible  injury  (not  shown)  and  culminates  in  necrosis. 
Mitochondrial damage may lead to reversible injury and death necrosis or apoptosis. 

 

ATP Depletion: 
ATP the energy fuel of cells, is produced  mainly by the oxidative phosphorylation of ATP of 
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:- 

1.  Reduce supply of oxygen and nutrients. 
2.  Mitochondrial damage. 
3.  The action of some toxins (e.g. cyadine) 

    High  energy  phosphate  in  the  form  of  ATP  is  required  for  virtually  all  synthetic  and 
degrdatative and processes within the cell, include membrane transport, protein synthesis, 
phospholipids  turnover  etc.  depletion  of  ATP  to  less  than  5%  -10%  of  normal  levels  has 
widespread effect on many cellular systems 

 

ATP depletion 

  The  activity  of  plasma  membrane  energy  dependent  sodium  pump  is  reduce, 

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. 

  There is a compensatory increase in anaerobic glycolysis in an attempt to maintain 

the cell energy sources. As a consequence, intracellular glycogen stores are rapidly 
depleted and lactic acid accumulates, leading to decrease activity of many cellular 
enzymes (due to decrease pH level). 

  Failure of the Ca pump lead to influx of Ca with damaging effects on numerous cellular 

components, describe below. 

  Structural disruption of the protein synthetic apparatus manifested as detachment of 

ribosomes  from  the  rough  endoplasmic  reticulum  (RER)  and  polysomes  into 
monosomes, with a consequent reduction in protein synthesis 

  Ultimately,  there  is  irreversible  damage  to  the  mitochonerial  and  lysosomal 

membranes and the cells undergoes necrosis. 


background image

10 

 

 

The initial functional and morphologic consequences of decreased intracellular adenosine  
triphosphate (ATP) during cell injury. ER, Endoplasmic reticulum. 

Mitochondrial Damage
Mitochondria are supplies ATP, but they are also critical players in the cell injury and 
death. Mitochondria can be damaged by increase of cytosolic Ca, reactive oxygen species, 
and oxygen deprivation, and so they are sensitive to virtually all types of injurious stimuli, 
including hypoxia 

1.  The  formation  of  a  channel  in  the  mitochondrial  membrane,  called  the 

permeability  transition  pore.  The  opening  of  this  channel  leads  to  the  loss  of 
mitochondrial  membrane  potential  and  PH  changes,  resulting  in  failure  of 
oxidative  phosphorylation  and  progressive  depletion  of  ATP,  culminating  in 
necrosis of the cells. 

2.  Increase permeability of the mitochondrial  membrane may result in leakage of 

cytochrome c ( the major protein involved in electron transport) that are capable 
for activating apoptotic pathways. Thus cytochrome c play a key dual role in cell 
survival and death in its normal location inside the mitochondria, it's essential for 
energy generation and the life of the cell, but when mitochoneria are damaged so 
severely that cytochrome c leaks out; its signal to die by apoptosis. 


background image

11 

 

 

Consequences  of  mitochondrial  dysfunction,  culminating  in  cell  death  by  necrosis  or 
apoptosis. ATP, Adenosine triphosphate. 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 139 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