Cytolyse

Cytolyse Definition

Cytolyse, også kendt som osmotisk lysis, opstår, når en celle brister og frigiver sit indhold til det ekstracellulære miljø på grund af en stor tilstrømning af vand til cellen, der langt overstiger cellemembranens kapacitet til at indeholde det ekstra volumen. Dette er især et problem for celler, der ikke har en hård cellevæg, der kan modstå det indre vandtryk.

Vand kan diffundere langsomt gennem cellemembranens lipid-dobbeltlag, men hurtig transport kræver tilstedeværelsen af selektive transmembrankanaler kaldet aquaporiner. Disse integrale membranproteiner tillader bevægelse af vand, mens de forhindrer adgang for mange opløste stoffer og ioner.

Celler har normalt en højere salt- og ionkoncentration end deres umiddelbare omgivelser, især i encellede organismer, der lever i ferskvandsområder, og dette kan føre til tilstrømning af vand. De fleste celler har interne mekanismer til at håndtere den konstitutive bevægelse af vand. Men når der sker en pludselig ændring i toniciteten i det ekstracellulære miljø eller en ændring i membranstrukturen, kan vand oversvømme cellen og få den til at sprænge.

Billedet viser den ekstracellulære ionkoncentrations indvirkning på cellestrukturen. Cytolyse er en årsag til celledød i flercellede organismer, når deres kropsvæsker bliver hypotone, og ses som en bivirkning ved at lide af et slagtilfælde. Osmotisk lysis bruges også af nogle replikerede virale partikler til at forlade deres værtscelle og fortsætte den infektiøse proces.

Derimod har cytolyse også en funktionel rolle og bruges af immunsystemet til selektivt at ødelægge tumorceller eller celler, der er inficeret af nogle patogener.

Typer af cytolyse

Cytolyse kan skyldes mange faktorer, lige fra toniciteten af den ekstracellulære væske til andre cellers aktivitet, der påvirker cellemembranens struktur.

Cytolyse ved hypotont miljø

Når celler anbringes i et rent vandmiljø, oversvømmer vandet cellen og får den til at sprænge. Eksempelvis vil røde blodlegemer undergå hæmolyse, når de anbringes i destilleret vand, og dette kan måles ud fra hæmoglobinets udseende i opløsningen. En opløsning, der indeholder 0,9 g natriumklorid (NaCl eller almindeligt salt) i 100 ml vand, betragtes som isotonisk, dvs. med samme saltkoncentration som det indre af en rød blodcelle. Opløsninger med lavere saltkoncentrationer vil få disse celler til at sprænge. Derfor kan intravenøse injektioner af rent destilleret vand være yderst skadelige, især for de skrøbelige cellemembraner i erytrocytter eller røde blodlegemer.

Cytolyse af patogener

Virusser er meget specifikke i deres valg af vært. Desuden er de fleste af dem tilpasset til at inficere ikke blot en bestemt organisme, men også en specifik celletype i værten. Virus kan ikke fungere uden for deres vært og er nødt til at kapre det cellulære maskineri for at gennemgå metabolisme og påbegynde reproduktion. Efter flere runder af duplikation kan tilstedeværelsen af virionpartikler imidlertid overvælde værtscellen. På dette tidspunkt kan virusser kompromittere cellemembranen på en måde, der fører til vandindtrængen og eventuel cytolyse. Når cellen undergår lysis, frigøres virusene, så de kan gentage den infektiøse cyklus med nye værtsceller i det samme væv.

Virers specificitet i forhold til deres vært kan potentielt udnyttes i kræftbehandling. Fænomenet med vira, der fremkalder en remission af kræft, er blevet observeret siden 1800-tallet. Mange vira inficerer fortrinsvis kræftceller, mens de lader normale celler være intakte, fordi malignitet dæmper en celles antivirale respons. Disse vira kan fremkalde cytolyse i tumorceller og dermed bidrage til behandlingen. I 2011 blev det rapporteret, at en viruspartikel inducerede cytolyse i tumorcellelinjer, tumorinitierende celler og primært tumorvæv fra patienter. I 2015 godkendte den amerikanske FDA den første virale melanombehandling.

Bakteriel cytolyse er blevet observeret som følge af en overvækst af lactobaciller i skeden. Vaginen hos voksne kvinder er normalt koloniseret af lactobaciller, og i lavt antal beskytter disse bakterier mod svampeinfektioner. Nogle kvinder har imidlertid symptomer på svampeinfektion, som er resistent over for behandling med svampemidler. I disse tilfælde viser kvinder med kraftig udflåd, kløe og ingen patogene bakterier eller svampe i våde udstrygninger også en øget forekomst af lactobaciller. Udflåd skyldes cytolyse af vaginale epitelceller som følge af bakteriel infektion med lactobaciller.

Cytolyse af immunsystemet

Immunsystemet bruger en række metoder til at fremkalde cytolyse – i patogener såvel som i inficerede eller kræftceller i kroppen. Blandt de mest potente mediatorer af cytolyse i immunsystemet er T-cellerne og Natural Killer (NK)-cellerne. Begge disse celler kan enten få en celle til at undergå apoptose eller frigive proteiner kaldet perforiner, der danner kanaler på cellemembranen. Når vand trænger ind i cellen gennem disse kanaler, undergår den en osmotisk lysis. Desuden kan NK-celler også virke gennem det adaptive immunsystem, idet de interagerer med T-celler og antistoffer frigivet af B-celler. Gennem antistof- og komplementsystemet kan patogene celler lyseres ved, at komplementproteinerne danner en ringlignende transmembranstruktur på cellemembranen.

Denne metode til cytolyse kan føre til en større komplikation, når der er histoinkompatibilitet mellem mor og foster. Når en bestemt type antistof (IgG) passerer gennem placenta og genkender antigener på fosterblodet, kan det aktivere komplementsystemet samt den medfødte immunitet, hvilket medfører, at disse røde blodlegemer undergår hæmolyse. Barnet fødes med gulsotlignende symptomer.

Natural Killer Cells er også afgørende for kroppens forsvarsmekanisme mod tumordannelse. Når kræftceller nedregulerer ekspressionen af overfladeantigener, kan kraftige celler i det adaptive immunsystem ikke genkende disse celler eller iværksætte et immunforsvar mod dem. NK-celler kan aktivere et inflammatorisk respons, tiltrække andre cytotoksiske celler og sammen inducere enten osmotisk lysis eller apoptose på tumorprækursorceller.

Funktioner af cytolyse

Cytolyse bruges ofte som et overlevelsesredskab af forskellige celler. Mens encellede organismer og patogener bruger den til at afvise angreb eller få adgang til nye værter, bruger flercellede organismer cytolyse under et immunforsvar eller for at fjerne beskadigede og farlige celler fra deres krop.

Forebyggelse af cytolyse

Trods de mange anvendelsesmuligheder er det vigtigt for en organisme at kontrollere, hvornår og hvordan cytolyse finder sted. Planter har en naturlig forsvarsmekanisme mod cytolyse, fordi de indeholder en hård cellevæg. Når en plantecelle placeres i et hypotonisk miljø, og vandet strømmer ind, udøver cellevæggen et modtryk på cellemembranen og forhindrer den i at udvide sig eller sprænges. I et hypertonisk miljø taber cellen vand, også kendt som plasmolyse. I en isotonisk opløsning er der lige meget vand, der kommer ind i og ud af cellen, og dens samlede volumen forbliver intakt. I hypotone opløsninger optager vakuolen, når der kommer vand ind i cellen, en stor del af det overskydende vand og beskytter cytoplasmaet mod fortynding.

Cellevæggen skaber også et omvendt tryk, hvilket får vand til at forlade cellen, samtidig med at den optimale turgiditet opretholdes. Denne turgiditet gør det muligt for planter at forblive oprejst i fraværet af et indre skelet-system.

Encellede protister som amøber og paramecium indeholder en organel kaldet den kontraktile vacuole, der er involveret i at forhindre cytolyse. Det er en pulserende struktur, der gennemgår gentagne cyklusser af diastole (vand, der trænger ind i vacuolen) og systole (vand, der pumpes ud af cellen). Den nøjagtige mekanisme for disse sammentrækninger er ikke kendt, men disse organeller synes at fungere, selv når cellerne placeres i en opløsning med høj saltkoncentration.

Multicellulære organismer har normalt en sofistikeret mekanisme til at sikre, at alle deres celler bades i en isotonisk opløsning. Hos mennesker og andre pattedyr er dette det udskillelsesorgansystem, der udgøres af de funktionelle enheder af nefroner i nyrerne. Når blodet filtreres i nyrerne, fjernes og udstødes salte, ioner, affaldsprodukter, ammoniak og overskydende vand med regelmæssige mellemrum, hvilket gør det muligt for organismen at opretholde homøostase. Hvis der sker en stigning i vandindtaget, sker der samtidig en stigning i vandudskillelsen gennem udskillelsessystemet. Dette system reguleres af et omfattende netværk af hormoner og andre fysiologiske reaktioner og sikrer, at alle celler i kroppen primært er udsat for en isotonisk ekstracellulær væske. Celler, der befinder sig på grænsefladen til omverdenen – hvad enten det er på huden eller i foring af fordøjelsessystemet – er beskyttet mod cytolyse gennem et hydrofobt lag, der enten består af olier eller voks.

Forfeltvis bliver udskillelsessystemet overvældet, når en organisme pludselig optager en stor mængde vand i forhold til kroppens saltreserver. Dette kaldes vandforgiftning, og symptomerne opstår som følge af virkningen af cytolyse i hjernens celler.

• Adaptivt immunsystem – En delmængde af immunsystemet hos hvirveldyr, som er i stand til immunologisk hukommelse. Anden og efterfølgende eksponeringer for et bestemt patogen fremkalder hurtige, specialiserede reaktioner.
• Krenation – Sammentrækning af en celle efter eksponering for en hypertonisk opløsning.
• Tonicitet – Et mål for den relative koncentration af opløsningsstoffer i to opløsninger, der er adskilt af en semipermeabel membran. Toniciteten bestemmer retningen og omfanget af diffusionen på tværs af membranen.
• Turgortryk – Tryk fra vand, der presser cellemembranen mod cellevæggen i en plantecelle.

Quiz

1. Hvilken af disse opløsninger vil forårsage cytolyse i røde blodlegemer?
A. 0,9 % NaCl
B. 1,5 % NaCl
C. 0,4 % NaCl
D. Havvand