background image

1

Patomorfologia

Wykład 01

cracked by fazi
created by: sobatolog

background image

2

Aspects of Disease

• Etiology

– cause of disease

• Pathogenesis

– mechanism of development

• Morphologic changes

– structural alterations within cells and organs 

caused by a disease

• Clinical & Functional Significance 

(Symptoms)

– consequences of morphologic changes

background image

3

Disease Etiology - 

VINDICATE

• Vascular
• Infections

– viral, bacterial, mycobacterial, fungal, 

protozoall…

• Neoplastic

– malignant tumors…

• Drugs or toxins

background image

4

Disease Etiology – VINDICATE, 

cd.:

• Idiopathic
• Congetital

– chromosomal abnormalities, gene defects

• Autoimmune disorders
• Trauma or environmental

– heat, cold, vitamin deficiences, nutritional…

• Endocrine / metabolic

– diabetes, acidosois…

background image

5

Morphologic Changes

• Morphologic changes in cell and 

tissue structure may either be 
characteristic or suggestive of the 
disease process in question

• Morphologic changes which are 

diagnostic of a specific disease are 

pathognomic

background image

6

Cell injury

Adaptation

altered steady state 
new homeostatis 
(i.e.muscle 
hypertrophy)

Cell injury

reversible or 
irreversible cell 
death (necrosis)
(myocardial infarct)

Cell in normal environment – homeostatic (steady state)

physiologic stress / pathologic stimull

adaptive capacity exceeded

background image

7

Cell injury

background image

8

Causes Cell Injury

• Hypoxia & ischemia
• Free-radical injury
• Physical agents (heat, cold, radiation, 

trauma)

• Chemical agents & drugs
• Infectious organism
• Immunologie reactions
• Genetic derangements
• Nutritional imbalances

background image

9

Principles of Cell Injury

• A cell / tissue’s response to injury is 

dependent upon

– Injury factors

• type of infury (ischemia vs. toxic vs. infection 

…)

• duration injury
• severity of the inciting injury

– Cellular factors

• cell type
• stage of cell cycle
• cell adaptability

background image

10

Principles of Cell Injury

Susceptibility of cells to Ischemic 

Necrosis

• High

– neurons

• 3-5 min.  ischemia

• Intermediate

– myocardium, hepatocytes renal 

epithelium

• 30 min-2hrs  ischemia

• Low

– Fibroblasts, Epidermis Skeletal Muscles

• several hours  ischemia

background image

11

Principles of Cell Injury

• Systems hughly vulnerable to injury

– cellular membranes
– mitochondria (aerobic respiration)
– endoplasmic reticulum (protein synthesis)
– genetic apparatus (DNA, RNA)

• Injury at one focus often has a cascade 

effect on multiple systems

– impaired aerobic respiration  disruption Na 

pump cell membrane

background image

12

General Biochemical 

Mechanisms of Cell Injury

• ATP depletion

• Oxygen free radicals 

• Loss of calcium homestatis

• Membrane damage

• Irreversible mitochondrial damage

background image

13

ATP DEPLETION

• ATP required for

– membrane transport, protein synthesis, 

lipogenesis

• Production of ATP

– oxidative phosphorylation of ADP (major 

pathway)

• aerobic respiration, requires O

2

– glycolytic pathway (minot pathway)

• does not require O

2

background image

14

Oxygen-Derived Free 

Radicals

• Reactive Oxygen Species (ROS)

– O•

2

 (superoxide anion), H

2

0

2

 (peroxide), OH 

(hydroxyl radical)

– byproduct of mitochondrial respiration & other 

causes

– radical scavenging system

• suproxide dismutase, catalase, glutathione 

peroxidase

• neutralize ROS, prevent cell injury

– imbalance between ROS production and 

scavenging system  cell injury (oxidative stress)

• damage proteins, lipids, nucleic acids

background image

15

Loss of Calcium (Ca) 

Homeostasis

• Normal cell

– High extracellular Ca, Low intracytosolic 

Ca

•intracellular Ca sequestered in 

mitochondria (mito.) & endo plasmic 
reticulum (ER)

•gradients maintained by membrane 

associated energy (ATP) dependent 
ATPases

background image

16

Loss of Calcium (Ca) 

Homeostasis

Cell Injury

• Cell injury (ischemia, certain toxins)
• Influx Ca into cytosol from extracellular 

space, mitochondria & endoplasmic 
reticulum

• Activates intracellular enzymes  cell injury

– proteases  damage membrane & 

cytoskeleton proteins

– phospholipides  damage membranes
– ATPases  deplete ATP
– endonucleases  damage DNA

background image

17

Membrane Damage

• Loss of membrane selective 

permeability

– Ca influx  enzyme activation 

• Causes

– ATP depletion

• effect energy dependent ATPases

– Direct damage

• bacteria, viruses, complement, neutrphile 

enzymes & ROS, lymphocytes porphorins, 
physical & chemical agent

background image

18

Irreversible Mitochondrial 

Damage

• Causes

– inc. cytoplasmic Ca, phospholipases, ROS …

• Formation of high conductance channels 

in inner mitochondrial membrane 
(mitochodrial permeability transitions)

– prevent maintenance of proton motive force 

(potential) across membrane  cessation of 

oxidative phosphorylation

• begins at reversible change becomes irreversible

background image

19

Irreversible Mitochondrial 

Damage

• Leakage of cytochrome c into cytosol 

 apoptosis

background image

20

Cell Injury

Reversible vs. Irreversible Injury

• Cell injury is a continuum, and it is not 

possible to precisely identify the exact 
point at which injury becomes irreversible

– Certain ultrastructural & light microscopie 

changes are associated with each type of 
infury

• When irreversible injury occurs, the cell 

undergoes 

necrosis

, which is the light-

microscopie hallmark of cell death

background image

21

Cell Injury

Reversible vs. Irreversible Injury

• Permanent organ injury is generally 

associated with cellular necrosis

• The cellular response to persistent 

sub-lethal injury reflects adaptation 
of the cell to a hostile environment

– these changes are usually 

reversible

 on 

discontinuation of the stress

background image

22

Manifestation of reversible Cell 

Injury (Degeneration)

Electron Microscopic Changes

• Cellular swelling (light microscopy)
• Endoplasmic reticulum swelling
• Ribosome detachment endoplasmic 

reticulum

• Mitochondria swelling
• Blebs at cell surface
• Loss at microvilli
• Early clumping of nuclear chromatin

background image

23

Reversible Cell Injury

Cell swelling – Light Microscopy

Normal 

epithelium

Cellular Swelling

background image

24

Reversible Cell Injury

Electron Microscopy

 (EM)

         Normal epithelium

    Apical blebbing loss of microvilli

background image

25

Manifestation of Irreversible 

Cell Injury (Necrosis)

• Disruption of plasma & cell membranes (EM)
• Rupture of lysosomes (EM)
• Pyknosis – nuclear shrinkage & 

condensation (EM & light)

• Karyorrhexis - nuclear shrinkage & 

fragmentation (EM & light)

• Karyolysis – nuclear dissolution (EM & light)
• Mitochondrial Dense Bodies (calcium) (EM)

background image

26

Irreversible Cell Injury

• Irreversible injury is classified into 

two types depending on the 
underlying mechanism

–  

necrosis

 & 

apoptosis

–  both look similar under the light 

microscope

•can be distinguished by electron 

microscopy

background image

27

Irreversible Cell Injury

Pyknosis – Light Microscopy

background image

28

Cell Injury

Pyknosis - EM

Pyknotic nucleus

     Normal nucleus

background image

29

Cell Injury

Karyorrhexis – Light Microscopy

background image

30

Cell Injury

Karyorrhexis - EM

background image

31

Cell Injury

Karyorrhexis – Light Microscopy

background image

32

Cell Injury

Dense Bodies in Mitochondria

background image

33

Overview of cell injury

background image

34

Ischemia & Reperfusion 

Injury

background image

35

Ischemia – Reversible Cell 

Injury

background image

36

Ischemia – Reversible Cell 

Injury

• Irreversible cell injury is consistently 

charakterized by

– Irreversible mitochondrial damage 

causing severe ATP depletion

– Severe disruption of membrane function

background image

37

Mechanisms Reperfusion 

Injury

• Increased production of ROS by 

parenchymal cells, endothelium & 
infiltrating leukocytes due to

– Oxidases derived from parenchyma, 

endothelial cells & lekocytes

– Cells biochemically damaged by anoxia

• incomplete reduction of O

2

 by mitochondria

• compromised radical scavenging system

background image

38

Free Radical – Induced Cell 

Injury

background image

39

Free Radicals

• Chemical species (usually O

2

) with a 

single unpaired electron in an outar 

orbit

• Unstable configuration  reactions with 

adjacent molecules (proteins, lipids, 

carbohydrates, nucleid acids)

• Can initiate autocatalytic reactions

– react with other molecules & convert them 

into free radicals

– chain reaction pf auto-propagation

background image

40

Formation of Free Radicals

• Cellular respiration (byproduct)

– O

2  

mitochondria  O

2

•-  SOD  H

2

O

2

• Activated PMNs (neutrophils)during 

inflammation  O

2

•-

• Transition metals (Fe, Cu) in intracellular 

reactions donate or accept free electrons 

– H

2

O

2

 + Fe

2

+

  Fe

3

+

 + OH = OH

-

• Fenton reaction

background image

41

Formation of Free Radicals

• Nitric Oxide  (NO)

– produced by endothelial cells, macrophages, 

neurons …

– can act as a free radical or be converted to 

• ONOO

-

, NO

2

• & NO

3-

• Radiant energy (UV light, ionizing radiation)
• H

2

O  OH• + H•

• Enzymatic metabolism of chemical or drugs 

by

– CCl

4

  P-450 oxidase   CCl

3

background image

42

Effect of Free Radicals

• Lipid peroxidation of membranes

– double bonds of unsaturated fatty acids 

of membrane lipids are attacked by ROS 

(especially OH•)  H

2

O

2

  autocatalytic 

reaction  severe damage

background image

43

Effect of Free Radicals

• Oxidative modification of proteins

– oxidation of amino acid residues on protein 

side chains  protein-protein x-linkages

– oxidation of amino acid residues on protein 

backbone  fragmentation

– oxidative modyfication enhances protein 

degradation by peroxisomes  loss of 
crical enzymes

background image

44

Removal of Free Radicals

• Spontaneous degradation
• Antioxidants

– block formation or inactivate ROS
– Vit. E & A, ascorbic acid, glutathione

• Metal binding proteins

– transferrin, ceruloplasmin, lactoferin

background image

45

Removal of Free Radicals

• Enzymes

– Catalase (within peroxisomes)

• 2H

2

O

2

  2H

2

O + O

2

– Superoxide dismutase (SOD)

• 2O

2

• +2H  H

2

O

2

 + O

2

– Glutathione peroxidase

• H

2

O

2

 + 2GSH  GSSG = 2H

2

O

• 2OH• + 2GSH  GSSG + 2H

2

O

background image

46

Free Radicals

background image

47

Acetaminophen (Tylenol) 

Toxicity

• Large doses  depletion GSH

– accumulation of ROS (H

2

O

2

, OH•)  

oxidative damage, lipid peroxidation

• major cause of injury

– accumulation toxic metabolite

• destroys nucleophilic macromolecules, binds 

proteins & nucleid acids

• Massive hepatic necrosis 3-5 days after 

ingestion

– can be reduced by antuoxidant adminitration

background image

48

Acetaminophen Toxicity

Liver

background image

49

Reversible Cell Injury 

(Degeneration)

vs. Necrosis

background image

50

Reversible Cell Injury 

(Degeneration)

Electron microscopie change

• Endoplastic reticulum swelling
• Ribosome detachment endoplasmic 

reticulum

• Mitochondria swelling
• Blebs at cell surface
• Loss of microvilli
• Early clumping of nuclear

background image

51

Reversible Cell Injury 

(Degeneration)

Light Microscopy

• Cell swelling (hydropic change / 

vacuolar degeneration)

– Cells incapable of maintaining ionic / 

fluid homeostasis

– First manifestation of almost all forrms of 

cell injury

– Microscopie

•swollen cell w / small clear vacuoles in 

cytoplasm

– distended pinched-off ER

background image

52

Cell swelling

swollen cells, vacuoles within cytoplasm

background image

53

Reversible Cell Injury 

(Degeneration)

Light Microscopy

• Fatty change

– Hypoxic, metabolic & toxic injury in cells 

involvedon fat metabolism

• hepatocytes, myocardial cells

– Microscopie

• small & large lipid vacuoles in cytoplasma

background image

54

Fatty Change Liver

background image

55

Fatty change liver


Document Outline