مواضيع المحاضرة: Apoptosis
background image

 

Lecture 04                                                       Pathology                                                       D.Lamyaa 

Apoptosis 

This form of cell death is a regulated suicide program in which the relevant cells activated 
enzymes capable of degrading the thier own nuclear DNA and nuclear and other cytoplasmic 
proteins 

Fragments of the apoptotic cells then phagocyte without elicit an inflammatory reaction in 
the  host.  Thus  apoptosis  differs  from  necrosis  ;  the  latter  is  characterized  by  loss  of 
membrane integrity, leakage of cellular contents and frequently a host reaction. 

Causes of apoptosis:- 

Apoptosis in physiologic situations:  

1.  Death by apoptosis is a normal phenomenon that serves to eliminate cells that 

are no longer need it is important in the following physiologic situations. 

2.  During emberyogenesis (organogenesis). 
3.  hormone deprivation as in endomaterial cells breakdown during the menstrual 

cycle. 

4.  In  proliferating  cells  such  as  intestinal  crypts  epithelia  (  to  maintain  a  constant 

number). 

5.  In self-reactive lymphocytes ( to prevent self tissue destruction). 
6.  Cytotoxic T lymphocytes- induce cell death ( a defense mechanism against viruses 

and tumors that serves to kill and eliminate virus infected and neoplastic cells. 

Apoptosis in pathologic condition:- 

•  Apoptosis  eliminates  cells  that  are  genetically  altered  or  injured  beyond  repair 

without  eliciting  a  host  reaction  ,  thus  keeping  in  the  damaged  as  restricted  as 
possible  

Mechanism of apoptosis 

The basic process can be understood as four separable but overlapping components: 

1.  Signaling. 
2.  Control and integration.  
3.  Execution. 
4.  Removal of the dead cells. 

 

1)  Signaling:- apoptosis may be triggered by a variety of signals ranging 

  from  intrinsic  activation    of  programmed  cell  death  pathways  (e.g  during 

embryogenesis). 

  withdrawal of growth factors or hormones. 
  release of granzymes by cytotoxic  T cells. 


background image

 

  or selected injurious agents radiation, toxins  or free radicals (which damage DNA 

and activate P53 pathways). 

  specific receptor –ligand interactions. 

The  TNF  receptor  is  belong  this  superfamily  of  plasma  membrane    molecules  (also  FAS 
surface  molecule  is  belong  this  family  ).  These  plasma  membrane  receptors  share  an 
intracellular  (death  domain)  adapter  protein  ,  when  this  protein  is  oligomerized  lead  to 
activation of initiator caspases and a cascade of enzyme activation culminating in cell death  

2) Control and integration: this is accomplished by specific proteins that connect the 

original death signals to the final execution program. There are two broad pathways 
in this stage  

  Direct transmission of death signals by specific adaptor proteins to the execution 

mechanism 

  Regulation of the mitochondrial permeability by members of the BCL-2 family of 

proteins. As we know (free radicals, increase of ca,) can result into formation of 
mitochondrial transition pore with loss of the mitochondrial potential and more 
depletion of ATP and also increase the permeability of the outer mitochondrial 
membrane resulting in releasing of the cytochrome c  which binds to certain pro-
apoptotic cytosolic proteins triggering the execution caspase culminating in cell 
death. 

The  BCL-2    and  BCL-X  (found  in  the  mitochondrial  membrane)  suppress  apoptosis  by 
preventing increased mitochondrial permeability, (act as inhibitors) while BAX and BAD  act 
as promotors (promote the programmed cell death). 

3) Execution :- characterized by specific biochemical events result in synthesis and or 
activation  of  number  of  cytosolic  catabolizing  enzymes  culminating  in  morphological 
change of apoptosis 

4) Removal of the dead cells. The apoptotic cells and their fragments (apoptotic bodies) 
express a new ligands on their surfaces that enhancing the phagocytosis and removing 
these  fragments  without  releasing  of  proinflammatory  mediators  (so  inflammation  is 
abscent). 

 


background image

 

Morphology 

In  H&E-stained  tissue  sections,  apoptotic  cells  may  appear  as  round  or  oval  masses  with 
intensely  eosinophilic  cytoplasm.  Nuclei  show  various  stages  of  chromatin  condensation, 
aggregation and karyorrhexis. The cells rapidly shrink, form cytoplasmic buds, and fragment 
into  apoptotic  bodies  composed  of  membrane-bound  vesicles  of  cytosol  and  organelles. 
Because  these  fragments  are  quickly  extruded  and  phagocytosed  without  eliciting  an 
inflammatory response, even substantial apoptosis may be histologically undetectable. 

 

Apoptosis of a liver cell in viral hepatitis. The cell is reduced in size and contains brightly 
eosinophilic cytoplasm and a condensed nucleus. 

Example of apoptosis 

•  Growth Factor Deprivation  

Hormone-sensitive  cells  deprived  of  the  relevant  hormone,  lymphocytes  that  are  not 
stimulated by antigens and cytokines, and neurons deprived of nerve growth factor die by 
apoptosis. In all these situations, apoptosis is triggered by the mitochondrial pathway and is 
attributable  to  activation  of  pro-apoptotic  members  of  the  Bcl-2  family  and  decreased 
synthesis of Bcl-2 and Bcl-x

L

.  

DNA Damage  

Exposure of cells to radiation or chemotherapeutic agents induces DNA damage, and if this 
is  too  severe  to  be  repaired  it  triggers  apoptotic  death.  When  DNA  is  damaged,  the  p53 
protein accumulates in cells. It first arrests the cell cycle (at the G

1

 phase) to allow time for 

repair.  However,  if  the  damage  is  too  great  to  be  repaired  successfully,  p53  triggers 
apoptosis,  mainly  by  activating  sensors  that  ultimately  activate  BAX  and  BAD,  and  by 
stimulating synthesis of pro-apoptotic members of the Bcl-2 family. When p53 is mutated or 
absent (as it is in certain cancers), it is incapable of inducing apoptosis, so that cells with 
damaged DNA are allowed to survive. In such cells, the DNA damage may result in mutations 
or translocations that lead to neoplastic transformation.  

 

 


background image

 

Cytotoxic T Lymphocyte-Mediated Apoptosis  

 

Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) recognize foreign antigens presented on the surface 

of  infected  host  cells  and  tumor  cells.  Upon  activation,  CTL  granule  proteases  called 
granzymes enter the target cells. Granzymes are able to activate cellular caspases. In this 
way, the CTL kills target cells by directly inducing the effector phase of apoptosis, without 
engaging mitochondria or death receptors. CTLs also express FasL on their surface and may 
kill target cells by ligation of Fas receptors. 

Intracellular accumulations 

Cells may accumulate abnormal amount of various substances; these may be harmless or 
associated with injury. The location of these substances are either cytoplasmic within 
organelles ( typically lysosomes) or in the nucleus. 

Fatty change (steatosis):- 

This refer to an abnormal accumulation of triglycerides within paranchymal cells. It is most 
often seen in the liver ,since this is the major organ involved in fat metabolism, but it may 
also occur in the heart. 

Causes of fatty change include 

1.  Toxin including alcohol 
2.  Diabetes mellitus 
3.  Obesity 
4.  Protein malnutrition 
5.  Anoxia  

Fatty change (steatosis) 

Alcohol abuse and diabetes associated with obesity are the most common cause of fatty 
change in the liver ( fatty liver) in industrialized nations. 

Free  fatty  acids  from  adipose  tissue  or  ingested  food  are  normally  transported  into 
hepatocytes,  where  they  are  esterified  to  triglycerides  converted  into  cholesterol  or 
phospholipids or oxidized to ketone bodies. Triglycerides from the hepatocytes required the 
formation of complexes with apoprotiens to form lipoproteins which are able to enter the 
circulation.  

Excess accumulation of triglycerides may result from defect at any step from fatty acid entry 
to lipoprotein exit.  

  Hepatotoxins e.g.(alcohol) alter mitochondrial and SER function and thus inhibit 

fatty acid oxidation;  

  CCL4 and protein malnutrition decreases the synthesis of apoprotiens 
  anoxia inhibits fatty acid oxidation 
  starvation increase fatty acid mobilization from peripheral stores. 


background image

 

The significance of fatty change depends on the cause and severity of the accumulation. 
When mild it may have no effect. More severe fatty change may transiently impair cellular 
function, but the change is reversible. In  the severe form,  fatty change may precede cell 
death. 

 

Gross features:- 

  Fatty changes is most commonly seen in the liver and heart. 
  In the liver mild fatty change may not affect the gross appearance 
  With increasing the accumulation, the organ enlarged and become progressively 

yellow, until in extreme cases it may weight 5 Kg (3 times the normal weight) and 
appear bright yellow, soft and greasy 

Microscopic features:- 

  Early  fatty  changes  is  seen  by  light  microscopy  as  small  fat  vacuoles  in  the 

cytoplasm around the nucleus 

  In later stages, the vacuoles coalesce to create cleared spaces that displace the 

nucleus to the cell periphery. 

Cholesterol and cholesterol esters accumulations:- 

Cellular  cholesterol  metabolism  is  tightly  regulated  to  ensure  normal  cell  membrane 
synthesis  without  significant  intracellular  accumulation.  However,  phagocytic  cell  may 
become overloaded with lipid ( triglycerides, cholesterol and cholesteryl esters) in several 
different pathologic processes 

  Macrophage  in  contact  with  lipid  debris  of  necrotic  cells  or  abnormal  (e.g. 

oxidized) form of lipoproteins may become stuffed with phagocytosed lipid. These 
macrophages  may  be  filled  with  minutes,  membrane  bound  vacuoles  of  lipid, 
imparting a foamy appearance to their cytoplasm (foam cells). 

  In  atherosclerosis,  smooth  muscle  cells  and  macrophages  are  filled  with  lipid 

vacuoles  composed  of  cholesterol  and  cholesterol  esters;  these  give 


background image

 

atherosclerotic  plaques  their  characteristic  yellow  color  and  contribute  to  the 
pathogenesis of lesion. 

 
Protein accumulations:- 

  Morphologically visible protein accumulations may occur because excesses are 

presented to the cells or because the cells synthesize excessive amounts. In the 
kidney for example; trace amount of albumin filtered through the glomerulus are 
normally reabsorbed by pinocytosis in the proximal convoluted tubules. However 
in disorders with heavy protein leakage across the glomerular filter (e.g. nephrotic 
syndrome
),  there  is  a  much  larger  reabsorption  of  protein.  Pinocytic  vesicles 
containing this protein fuse with lysosomes, resulting in the histologic appearance 
of pink, hyaline cytoplasmic droplets

  Another  example is the  accumulation of intracellular  proteins are  also seen in 

certain type of cell injury. For example, the Mallory body (or alcoholic hyaline)   is 
an eosinophilic cytoplasmic inclusion in liver cells that is highly characteristic of 
alcohol liver disease. Such inclusions are composed predominantly of aggregated 
intermediate filaments that presumably resist degradation.  

Pigments:-  

are  colored  substances  that  exogenous,  coming  from  outside  the  body,  or  endogenous 
synthesized within the body itself. 

  Exogenous pigments; the most common of these is carbon (an example is coal 

dust), a ubiquitous air pollutant of urban life. When inhaled, it is phagocytosed by 
alveolar  macrophages  and  transported  through  lymphatic  channels  to  the 
regional tracheobronchial lymph nodes. Aggregates of the pigment blacken the 
draining  lymph  nodes  and  pulmonary  parenchyma  (anthracosis)  heavy 
accumulations may induce fibroblastic reaction that can result in a serious lung 
diseases called coal workers pneumoconiosis 

  Endogenous  pigments;  include  lipofuscin,  melanin  and  certain  derivatives  of 

hemoglobin  material  that  accumulates  in  a  variety  of  tissues  (particularly  the 
heart, liver and the brain) as a function of age or atrophy.  

 

Skin tattoo 


background image

 

Lt. Here is a tattoo. Tattooing is a practice that is thousands of years old. In many cultures, tattoos 
have great significance. The pigment in tattoos is transferred to the dermis with a needle. 

Rt.  This  is  the  microscopic  appearance  of  tattoo  pigment  (black)  in  the  dermis.  Note  that  this 
pigment is well within the dermis and, therefore, difficult to remove.  

  Lipofuscin represents complexes of the lipid  and protein that derived from lipids 

peroxidation  of  subcellular  membranes.  It  is  not  injurious  to  the  cell  but  is 
important  as  a  marker  of  past  free  radical  injury.  The  brown  pigment,  when 
present in large amounts, imparts an appearance to the tissue that is called brown 
atrophy
 

  Melanin:-  is  an  endogenous,  brown-black  pigment  produced  in  melanocytes 

following 

the 

tyrosinase- 

catalyzed 

oxidation 

of 

tyrosine 

to 

dihydroxyphenylalanine.  It  is  synthesized  exclusively  by  melanocytes  located  in 
the epidermis and acts as a screen against harmful ultraviolet radiation. Although 
melanocytes are the only source of melanin, adjacent basal keratinocytes in the 
skin can accumulate the pigment (e.g. in freckles), as can dermal macrophages. 

Pigmented nevi 

 

 

•  Above: these are benign nevi. Small brown flat to slightly raised nevi are quite common. They 

are usually less than a centimeter in diameter. 

•  Below: in this nevus, there are nevus cells in nests in the lower epidermis. They show brownish 

melanin pigment. 


background image

 

Hemosiderin: is a hemoglobin-derived granular pigment that is golden yellow to brown and 
accumulates in tissues when there is a local or systemic excess of iron. Hemosiderin pigment 
represent large aggregates of iron, readily visualized by light microscopy; the iron can be 
identified  by  the  Prussian  blue  histochemical  reaction.  Local  excesses  of  iron  and 
consequently of hemosiderin, result from hemorrahage. The best example is the common 
bruise.  

 Whenever there is systemic overload of iron, hemosiderin is deposited in many organs and 
tissues including their macrophages. This condition is called hemosiderosis . with progressive 
accumulation, paranchymal cells throughout the body (but principally the liver, pancreas, 
heart,  and  endocrine  organs)  become  (bronzed)  with  accumulating  pigments. 
Hemosiderosis occurs in the setting of  

  Increased absorption of dietary iron 
  Impaired utilization of iron 
  Hemolytic anemia and 
  Transfusion (the transfused red cells constitute an exogenous load of iron) 

In  most  of  instances  of  systemic  hemosidrosis,  the  iron  pigment  does  not  damage  he 
parenchymal cells or impair organ function despite an impressive accumulation. However 
more extensive accumulations of iron are seen in hereditary hemochromatosis, with tissue 
injury including liver fibrosis, heart failure, and diabetes mellitus.  

 

Normal                                                                             Fatty change 

 

Hemochromatosis                                                        Biliary obstruction 


background image

 

 

 

Pathological calcification:- 

  Pathologic calcification is a common process in a wide variety of diseases states; 

it implies the abnormal deposition of calcium salts.  

  When  the  deposition  occurs  in  dead  or  dying  tissues,  it  is  called  dystrophic 

calcification; it occur in the absence of calcium metabolic derangements (i.e. with 
normal serum levels of calcium). 

  In  contrast,  the  deposition  of  calcium  salts  in  normal  tissues  is  known  as 

metastatic calcification and almost always reflects some derangement  in calcium 
metabolism (hypercalcemia). It should be noted that while hypercalcemia is not a 
prerequisting for dystrophic calcification, it can exacerbate it.  

Dystrophic calcification:- is encountered in  

  Areas of necrosis ( of any type as coagulative, caseous, etc.) 
  Advanced atherosclerosis ( as in the aorta and coronaries) 
  Aging  or  damaged  heart  valves  resulting  in  severely  impaired  valve  motion. 

Dystrophic calcification of the aortic valves is an important cause of aortic stenosis 
in the elderly. 

  Regardless of  the site, calcium salts are  grossly seen as fine  white granules or 

clumps, often felt as gritty deposits. 

  Microscopically:-  calcification  appear  as  intracellular  and/or  extracellular  

basophilic (bluish) deposits. In time,  metaplastic bone may be formed in the focus 
of calcification. 

 

Dystrophic calcification 

 
 

 

 

 


background image

10 

 

Metastatic calcification:- 

This is seen in cases of hypercalcemia of any cause. The four major causes of hypercalcemia 
are:- 

  Increased  secretion  of  parathyroid  hormone  (primary  parathyroid  tumors  or 

production of parathyroid hormone-related protein by other malignant tumors) 

  Destruction  of  bone  (effect  of  accelerated  turnover  as  in  Paget  disease, 

immobilization  or  tumors  due  to  increase  bone  catabolism  associated  with 
multiple  myeloma, leukemia or diffuse skeletal metastases 

  Vitamin D related disorders including vitamin D intoxication and sarcoidosis (in 

which macrophages activate a vitamin D precursor) 

  Renal  failure,  in  which  phosphate  retention  leads  to  secondary 

hyperparathyroidism. 

  Metastatic  calcification  can  occur  widely  throughout  the  body  but  principally 

affects the interstitial tissues of the  vessels, kidneys, lungs and gastric mucosa. 
The  calcium  deposits  morphologically  resemble  those  described  in  dystrophic 
calcification. Although they do not generally cause clinical dysfunction, extensive 
calcifications in the lungs may produce remarkable radiographs and respiratory 
deficits  and  massive  deposits  in  the  kidney  (nephrocalcinosis)  can  cause  renal 
damage.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 90 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