Cytolyse Definitie
Cytolyse, ook osmotische lysis genoemd, treedt op wanneer een cel barst en zijn inhoud aan het extracellulaire milieu afgeeft ten gevolge van een grote toevloed van water in de cel, die de capaciteit van het celmembraan om het extra volume te bevatten, ver overschrijdt. Dit is vooral een probleem voor cellen die geen sterke celwand hebben om de interne waterdruk te weerstaan.
Water kan langzaam diffunderen over de lipide bilaag van het celmembraan, maar snel transport vereist de aanwezigheid van selectieve transmembraankanalen, aquaporines genaamd. Deze integrale membraaneiwitten maken de verplaatsing van water mogelijk en verhinderen tegelijkertijd de toegang tot vele oplosmiddelen en ionen.
Cellen hebben gewoonlijk een hogere zout- en ionconcentratie dan hun directe omgeving, vooral in eencellige organismen die in zoetwaterlichamen leven, en dit kan leiden tot de instroom van water. De meeste cellen hebben interne mechanismen om met de constitutieve beweging van water om te gaan. Wanneer er echter een plotselinge verandering optreedt in de toniciteit van de extracellulaire omgeving, of een verandering in de membraanstructuur, kan water de cel overspoelen en tot barsten brengen.
De afbeelding toont de invloed van de extracellulaire ionenconcentratie op de celstructuur. Cytolyse is een oorzaak van celdood in meercellige organismen wanneer hun lichaamsvloeistoffen hypotoon worden. Osmotische lysis wordt ook gebruikt door sommige gerepliceerde virale deeltjes om hun gastheercel te verlaten en het infectieproces voort te zetten.
Hoewel cytolyse ook een functionele rol heeft en wordt gebruikt door het immuunsysteem om selectief tumorcellen te vernietigen of die geïnfecteerd zijn door sommige pathogenen.
Typen van cytolyse
Cytolyse kan door vele factoren worden veroorzaakt, van de toniciteit van de extracellulaire vloeistof tot de activiteit van andere cellen die de structuur van het celmembraan beïnvloeden.
Cytolyse door hypotone omgeving
Wanneer cellen in een omgeving met zuiver water worden geplaatst, overstroomt het water de cel en veroorzaakt het dat deze barst. Zo zullen rode bloedcellen hemolyse ondergaan wanneer zij in gedestilleerd water worden geplaatst en dit kan worden gemeten aan het verschijnen van hemoglobine in de oplossing. Een oplossing die 0,9 g natriumchloride (NaCl, of gewoon zout) in 100 ml water bevat, wordt beschouwd als isotoon, d.w.z. met dezelfde zoutconcentratie als de binnenkant van een rode bloedcel. Oplossingen met lagere zoutconcentraties zullen deze cellen doen barsten. Daarom kunnen intraveneuze injecties van zuiver gedestilleerd water uiterst schadelijk zijn, vooral voor de kwetsbare celmembranen van erytrocyten of rode bloedcellen.
Cytolyse door ziekteverwekkers
Virussen zijn zeer specifiek in hun keuze van gastheer. Bovendien zijn de meeste van hen aangepast om niet alleen een bepaald organisme, maar een specifiek celtype binnen de gastheer te infecteren. Virussen kunnen niet buiten hun gastheer functioneren en moeten de cellulaire machinerie kapen om het metabolisme te ondergaan en de voortplanting op gang te brengen. Na meerdere duplicatierondes kan de aanwezigheid van viriondeeltjes de gastheercel echter overweldigen. Op dat moment kunnen virussen het celmembraan aantasten op een manier die leidt tot het binnendringen van water en uiteindelijk cytolyse. Zodra de cel lysis ondergaat, komen de virussen vrij waardoor zij de infectiecyclus kunnen herhalen met nieuwe gastheercellen in hetzelfde weefsel.
De specificiteit van virussen voor hun gastheer kan mogelijk worden benut bij kankertherapie. Het verschijnsel van virussen die een remissie van kanker teweegbrengen is reeds waargenomen sinds de jaren 1800. Vele virussen infecteren bij voorkeur kankercellen terwijl zij normale cellen intact laten omdat maligniteit de antivirale respons van een cel verstoort. Deze virussen kunnen cytolyse induceren in tumorcellen en zo bijdragen tot de behandeling. In 2011 werd gemeld dat een virusdeeltje cytolyse induceerde in tumorcellijnen, tumor initiërende cellen en primair tumorweefsel van patiënten. In 2015 keurde de Amerikaanse FDA de eerste virale melanoomtherapie goed.
Bacteriële cytolyse is waargenomen als gevolg van een overgroei van lactobacillen in de vagina. De vagina van volwassen vrouwen is normaal gekoloniseerd met lactobacillus en in lage aantallen beschermen deze bacteriën tegen schimmelinfecties. Sommige vrouwen vertonen echter symptomen van een schimmelinfectie die resistent is tegen behandeling met antischimmelmiddelen. In deze gevallen vertonen vrouwen met hevige afscheiding, jeuk en geen pathogene bacteriën of schimmels in natte uitstrijkjes ook een verhoogde overvloed aan lactobacillen. De afscheiding wordt veroorzaakt door cytolyse van vaginale epitheelcellen als gevolg van bacteriële infectie door lactobacillen.
Cytolyse door het Immuunsysteem
Het immuunsysteem gebruikt een verscheidenheid van methoden om cytolyse te induceren – zowel in ziekteverwekkers als in geïnfecteerde of kankercellen in het lichaam. Tot de krachtigste mediatoren van cytolyse in het immuunsysteem behoren de T-cellen en de Natural Killer (NK)-cellen. Deze beide cellen kunnen een cel aanzetten tot apoptose of eiwitten vrijmaken die perforines worden genoemd en kanalen vormen op het celmembraan. Wanneer water via deze kanalen de cel binnendringt, ondergaat deze osmotische lysis. Bovendien kunnen NK-cellen ook optreden via het adaptieve immuunsysteem, waarbij zij interageren met T-cellen en met de antilichamen die vrijkomen uit B-cellen. Via het antilichaam- en complementsysteem kunnen pathogene cellen worden gelyseerd door de vorming van een ringvormige transmembraanstructuur op het celmembraan door complementproteïnen.
Deze methode van cytolyse kan tot een grote complicatie leiden wanneer er sprake is van histoincompatibiliteit tussen een moeder en een foetus. Wanneer een bepaald type antilichaam (IgG) de placenta passeert en antigenen op het bloed van de foetus herkent, kan het het complementsysteem en de aangeboren immuniteit activeren, waardoor die rode bloedcellen hemolyse ondergaan. Het kind wordt geboren met geelzuchtachtige verschijnselen.
Natural Killer Cells zijn ook van cruciaal belang voor het verdedigingsmechanisme van het lichaam tegen de vorming van tumoren. Wanneer kankercellen de expressie van oppervlakteantigenen downreguleren, kunnen krachtige cellen van het adaptieve immuunsysteem deze cellen niet herkennen of er een immuunrespons tegen in gang zetten. NK cellen kunnen een ontstekingsreactie activeren, andere cytotoxische cellen aantrekken en samen ofwel osmotische lysis ofwel apoptose op tumor voorlopercellen induceren.
Functies van Cytolyse
Cytolyse wordt vaak door verschillende cellen gebruikt als een middel om te overleven. Terwijl eencellige organismen en ziekteverwekkers het gebruiken om aanvallen af te weren of toegang te krijgen tot nieuwe gastheren, gebruiken meercellige organismen cytolyse tijdens een immuunreactie of om beschadigde en gevaarlijke cellen uit hun lichaam te verwijderen.
Preventie van cytolyse
Ondanks de vele toepassingen is het voor een organisme belangrijk om te controleren wanneer en hoe cytolyse optreedt. Planten hebben een natuurlijk afweermechanisme tegen cytolyse omdat zij een taaie celwand bevatten. Wanneer een plantencel in een hypotone omgeving wordt geplaatst en er water binnenstroomt, oefent de celwand een tegendruk uit op het celmembraan, waardoor dit niet kan uitzetten of scheuren. In een hypertone omgeving ondergaat de cel waterverlies, ook wel plasmolyse genoemd. In een isotone oplossing gaat er een gelijke hoeveelheid water de cel in en uit, waardoor het totale volume intact blijft. In hypotone oplossingen neemt de vacuole, wanneer water de cel binnenkomt, een groot deel van het overtollige water op, waardoor het cytoplasma tegen verdunning wordt beschermd.
De celwand creëert ook een omgekeerde druk, waardoor water de cel verlaat, terwijl een optimale turgiditeit wordt gehandhaafd. Deze turgiditeit stelt planten in staat rechtop te blijven staan bij afwezigheid van een intern skeletsysteem.
Eencellige protisten zoals amoeben en paramecium bevatten een organel die de contractiele vacuole wordt genoemd en die betrokken is bij het voorkomen van cytolyse. Het is een pulserende structuur die herhaalde cycli van diastole (water dat de vacuole binnenkomt) en systole (water dat uit de cel wordt gepompt) ondergaat. Het precieze mechanisme van deze samentrekkingen is niet bekend, maar deze organellen lijken zelfs te functioneren wanneer cellen in een oplossing met een hoge zoutconcentratie worden geplaatst.
Multicellulaire organismen hebben gewoonlijk een geraffineerd mechanisme om ervoor te zorgen dat al hun cellen in een isotone oplossing baden. Bij de mens en andere zoogdieren is dit het uitscheidingsorgaan dat wordt gevormd door de functionele eenheden van nefronen in de nier. Terwijl het bloed in de nier wordt gefilterd, worden zouten, ionen, afvalproducten, ammoniak en overtollig water verwijderd en op regelmatige tijdstippen afgevoerd, waardoor het organisme zijn homeostase kan handhaven. Als de waterinname toeneemt, neemt ook de waterverwijdering via het uitscheidingssysteem toe. Dit systeem wordt gereguleerd door een uitgebreid netwerk van hormonen en andere fysiologische reacties en zorgt ervoor dat alle cellen in het lichaam in de eerste plaats worden blootgesteld aan een isotone extracellulaire vloeistof. Cellen op het grensvlak met de buitenwereld – op de huid of in het spijsverteringsstelsel – worden tegen cytolyse beschermd door een hydrofobe laag van oliën of wassen.
Occidenteel wordt het uitscheidingssysteem overrompeld wanneer een organisme plotseling een grote hoeveelheid water binnenkrijgt in verhouding tot de zoutreserves van het lichaam. Dit wordt waterintoxicatie genoemd en de symptomen ontstaan door het effect van cytolyse in de cellen van de hersenen.
- Adaptief immuunsysteem – Een subset van het immuunsysteem bij gewervelde dieren dat in staat is tot immunologisch geheugen. Tweede en volgende blootstellingen aan een bepaalde ziekteverwekker roepen snelle, gespecialiseerde reacties op.
- Crenatie – Samentrekking van een cel na blootstelling aan een hypertone oplossing.
- Toniciteit – Een maat voor de relatieve concentratie van opgeloste stoffen in twee oplossingen, gescheiden door een semi-permeabel membraan. Toniciteit bepaalt de richting en mate van diffusie over het membraan.
- Turgordruk – Druk van water dat het celmembraan tegen de celwand van een plantencel duwt.
Quiz
1. Welke van deze oplossingen veroorzaakt cytolyse in rode bloedcellen?
A. 0,9% NaCl
B. 1,5% NaCl
C. 0,4% NaCl
D. Zeewater
2. Welke van deze induceert GEEN cytolyse?
A. Het plaatsen van cellen in een hypertonisch milieu
B. Actie van perforines op celmembranen
C. Activiteit van membraanaanvalcomplex door complementproteïnen
D. Verstoring van de membraanstructuur door virussen
3. Welke van deze methoden wordt door amoeben gebruikt om cytolyse te voorkomen?
A. Celwand
B. Uitscheidingsorgaan
C. Contractiele vacuole
D. Al het bovenstaande