Cytolysis

Cytolysis Definition

Cytolysis は浸透圧溶解としても知られ、細胞が破裂してその内容物が細胞外に放出され、細胞膜の容量をはるかに超えて、余分な水分を含むために生じる現象です。

水は細胞膜の脂質二重層をゆっくりと拡散することができますが、迅速な輸送にはアクアポリンと呼ばれる選択的な膜貫通チャンネルの存在が必要です。 これらの積分型膜タンパク質は、多くの溶質やイオンへのアクセスを妨げながら、水の移動を可能にします。

細胞は通常その直接の環境よりも高い塩およびイオン濃度を持っており、特に淡水域で暮らす単細胞生物ではこれが水の流入を招くことがあるのです。 ほとんどの細胞は、構成的な水の移動に対処するための内部機構を備えている。 しかし、細胞外環境の張力が急激に変化したり、膜構造に変化が生じたりすると、細胞内に水があふれて破裂することがあります。

細胞外イオン濃度が細胞構造に与える影響を示した画像です。 細胞溶解は、多細胞生物において体液が低張になったときに起こる細胞死の原因であり、脳卒中を患ったときの副作用として見られるものである。 浸透圧溶解は、複製されたウイルス粒子が宿主細胞から出て感染プロセスを継続する際にも利用されます。

しかし、細胞溶解には機能的な役割もあり、免疫系が腫瘍細胞やある病原体に感染した細胞を選択的に破壊するために利用されています。

細胞溶解の種類

細胞溶解は、細胞外液の緊張度から、細胞膜の構造に影響を及ぼす他の細胞の活動まで、多くの要因によって引き起こされます。 例えば、赤血球は蒸留水中に置かれると溶血を起こし、これは溶液中のヘモグロビンの様子から測定することができます。 100mlの水に0.9gの塩化ナトリウム（NaCl、一般的な塩）を含む溶液は等張、すなわち赤血球の内部と同じ塩濃度を含むと考えられている。 塩分濃度が低い溶液では、この細胞が破裂してしまいます。 したがって、純蒸留水の静脈内注射は、特に赤血球や赤色細胞の壊れやすい細胞膜にとって非常に有害となる可能性がある。 さらに、そのほとんどは、特定の生物だけでなく、宿主の中の特定の種類の細胞に感染するように適応している。 ウイルスは宿主の外では機能しないので、代謝を受け生殖を開始するためには、細胞機構を乗っ取る必要がある。 しかし、何度も複製を繰り返しているうちに、ビリオン粒子が宿主細胞を圧倒してしまうことがある。 このとき、ウイルスは細胞膜を破壊し、水の侵入と細胞融解を引き起こすことがある。

宿主に対するウイルスの特異性は、がん治療に利用できる可能性がある。 ウイルスが癌の寛解を誘導する現象は、1800年代から観察されている。 悪性腫瘍は細胞の抗ウイルス反応を鈍らせるため、多くのウイルスは正常細胞はそのままに、がん細胞に優先的に感染する。 これらのウイルスは、腫瘍細胞の細胞分裂を誘導し、治療に貢献することができる。 2011年には、ウイルス粒子が腫瘍細胞株や腫瘍形成細胞、患者さんの原発腫瘍組織において細胞溶解を誘導することが報告されています。 2015年、米国FDAは初のウイルス性メラノーマ治療薬を承認しました。

細菌性細胞溶解は、膣内の乳酸菌の過剰増殖により観察されています。 成人女性の膣内には通常、乳酸菌が生息しており、数が少なくてもこれらの菌が真菌感染から守っている。 しかし、中には抗真菌薬による治療が効かない真菌感染症の症状を示す女性もいます。 このような場合、おりものが多く、かゆみがあり、湿潤塗抹標本で病原性細菌や真菌が認められない女性でも、乳酸菌の増加が認められます。

免疫系による細胞溶解

免疫系は、病原体や体内の感染細胞やがん細胞の細胞溶解を誘導するために様々な方法を用いている。 免疫系で最も強力な細胞溶解のメディエーターは、T細胞とナチュラルキラー（NK）細胞である。 これらの細胞は、細胞をアポトーシスに導くか、パーフォリンと呼ばれるタンパク質を放出し、細胞膜にチャネルを形成することができる。 このチャンネルから水が入ると、細胞は浸透圧溶解を受ける。 さらに、NK細胞は、T細胞やB細胞から放出される抗体と相互作用し、適応免疫系を介して作用することもできる。

この細胞溶解法は、母体と胎児の間に組織不和合性があると、大きな合併症を引き起こすことがある。 ある特定の種類の抗体（IgG）が胎盤を通過して胎児の血液上の抗原を認識すると、自然免疫と同様に補体系を活性化して、赤血球に溶血を起こさせることがある。

ナチュラルキラー細胞は、腫瘍の形成に対する体の防御機構にも重要な役割を果たしている。 がん細胞が表面抗原の発現を低下させると、適応免疫系の強力な細胞はこれらの細胞を認識することができず、がん細胞に対する免疫反応を起こすことができなくなる。

細胞溶解の機能

細胞溶解は、様々な細胞が生き残るための手段としてしばしば利用されています。 単細胞生物および病原体は、攻撃に対する防御や新たな宿主へのアクセスに、多細胞生物は免疫反応の際に、あるいは体内の損傷した危険な細胞を除去するために細胞融解を利用します。 植物は丈夫な細胞壁を持っているため、細胞溶解に対する自然な防御機構を持っています。 植物細胞は、低張力環境に置かれ、水が流入すると、細胞壁が細胞膜に対抗する圧力をかけ、細胞の膨張や破裂を防ぐ。 高張環境では、細胞は水分を失い、プラスモライシス（plasmolysis）と呼ばれる。 等張溶液では、細胞への水の流入と流出が等しく、全体の容積はそのまま維持されます。

細胞壁も逆圧を生み出し、最適な緊張状態を維持しながら、細胞から水を放出させる。 この緊張性によって、植物は内部の骨格系がなくても直立していることができます。

アメーバやゾウリムシなどの単細胞原生生物には、細胞溶解の防止に関与する収縮液胞というオルガネラがあります。 これは、拡張期（水が液胞に入る）と収縮期（水が細胞外に送り出される）のサイクルを繰り返す脈動構造である。 この収縮の正確なメカニズムはわかっていないが、これらの小器官は、細胞が塩濃度の高い溶液に置かれても機能しているようだ。

多細胞生物は通常、すべての細胞が等張溶液に浸されるようにするための高度なメカニズムを持っている。 ヒトをはじめとする哺乳類では、腎臓のネフロンという機能単位で形成される排泄器官系がこれにあたる。 腎臓で血液がろ過される際に、塩分、イオン、老廃物、アンモニア、余分な水分が一定時間ごとに除去・排出され、生体は恒常性を維持することができるのです。 水分の摂取量が増えれば、それに伴って排泄系を通じた水分の排出量も増加する。 このシステムは、ホルモンやその他の生理的反応の緻密なネットワークの制御下にあり、体内のすべての細胞が主に等張の細胞外液にさらされるようにするものである。 皮膚であれ消化器官であれ、外界との境界に存在する細胞は、油かワックスでできた疎水層によって細胞溶解から守られている。

時折、生物が体の塩分貯蔵量に対して突然大量の水を摂取すると、排泄システムが圧倒されることがある。 これは水中毒と呼ばれ、症状は脳の細胞における細胞溶解の影響から生じる。

• 適応免疫系-脊椎動物の免疫系のサブセットで、免疫学的記憶が可能であること。
• Crenation – 高張力溶液にさらされた後の細胞の収縮。
• Tonicity – 半透過膜で隔てられた二つの溶液中の溶質の相対濃度の尺度。
• Turgor Pressure – 植物細胞の細胞膜を細胞壁に押し付けている水の圧力

Quiz

1. 赤血球に細胞溶解を起こす溶液はどれか＜8722＞A． 0.9% NaCl
B. 1.5%NaCl
C. 0.4%NaCl
D. 海水

3. アメーバが細胞溶解を防ぐために用いている方法はどれか？
A. 細胞壁
B. 排泄器官系
C. 収縮性液胞
D. 上記のすべて

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