Cytolys Definition
Cytolys, även känd som osmotisk lysis, inträffar när en cell spricker och släpper ut sitt innehåll i den extracellulära miljön på grund av ett stort inflöde av vatten i cellen, vilket vida överskrider cellmembranets förmåga att innehålla den extra volymen. Detta är ett problem särskilt för celler som inte har en hård cellvägg för att motstå det inre vattentrycket.
Vatten kan diffundera långsamt över cellmembranets lipiddubbelskikt, men för snabb transport krävs förekomsten av selektiva transmembrankanaler som kallas akvaporiner. Dessa integrerade membranproteiner möjliggör förflyttning av vatten samtidigt som de förhindrar tillgång till många lösningsmedel och joner.
Celler har vanligen en högre salt- och jonkoncentration än sin omedelbara omgivning, särskilt i encelliga organismer som lever i sötvattenförekomster, och detta kan leda till inflöde av vatten. De flesta celler har interna mekanismer för att hantera den konstitutiva rörelsen av vatten. Men när det sker en plötslig förändring av toniciteten i den extracellulära miljön eller en förändring av membranstrukturen kan vatten översvämma cellen och få den att brista.
Bilden visar hur den extracellulära jonkoncentrationen påverkar cellstrukturen. Cytolys är en orsak till celldöd i flercelliga organismer när deras kroppsvätskor blir hypotoniska och ses som en bieffekt av att drabbas av en stroke. Osmotisk lysis används också av vissa replikerade viruspartiklar för att lämna sin värdcell och fortsätta den infektiösa processen.
Hur som helst har cytolysen också en funktionell roll och används av immunsystemet för att selektivt förstöra tumörceller eller sådana som är infekterade av vissa patogener.
Typer av cytolys
Cytolys kan orsakas av många faktorer, från den extracellulära vätskans tonicitet till andra cellers aktivitet som påverkar cellmembranets struktur.
Cytolys genom hypotonisk miljö
När celler placeras i en miljö med rent vatten översvämmas cellen av vatten och får den att brista. Exempelvis kommer röda blodkroppar att genomgå hemolys när de placeras i destillerat vatten och detta kan mätas utifrån förekomsten av hemoglobin i lösningen. En lösning som innehåller 0,9 gram natriumklorid (NaCl eller vanligt salt) i 100 ml vatten anses vara isotonisk eller innehålla samma saltkoncentration som en röd blodcells inre. Lösningar med lägre saltkoncentrationer får cellerna att spricka. Därför kan intravenösa injektioner av rent destillerat vatten vara extremt skadliga, särskilt för de ömtåliga cellmembranen hos erytrocyter eller röda blodkroppar.
Cytolys av patogener
Virus är mycket specifika i sitt val av värd. Dessutom är de flesta av dem anpassade för att infektera inte bara en viss organism utan en specifik celltyp inom värden. Virus kan inte fungera utanför sin värd och måste kapa det cellulära maskineriet för att genomgå metabolism och inleda reproduktion. Efter flera omgångar av duplikation kan dock närvaron av virionpartiklar överväldiga värdcellen. Vid denna tidpunkt kan virusen äventyra cellmembranet på ett sätt som leder till att vatten tränger in och slutligen till cytolys. När cellen genomgår lysis frigörs virusen så att de kan upprepa infektionscykeln med nya värdceller i samma vävnad.
Virusens specificitet för sin värd kan potentiellt utnyttjas i cancerbehandling. Fenomenet med virus som framkallar remission av cancer har observerats sedan 1800-talet. Många virus infekterar företrädesvis cancerceller medan de lämnar normala celler intakta eftersom malignitet dämpar en cells antivirala svar. Dessa virus kan framkalla cytolys i tumörceller och därmed bidra till behandlingen. År 2011 rapporterades att en viruspartikel inducerade cytolys i tumörcellinjer, tumörinitierande celler och primär tumörvävnad från patienter. År 2015 godkände den amerikanska läkemedelsmyndigheten FDA den första virala melanombehandlingen.
Bakteriell cytolys har observerats på grund av en överväxt av laktobaciller i vagina. Vagina hos vuxna kvinnor koloniseras normalt av laktobaciller och i lågt antal skyddar dessa bakterier mot svampinfektioner. Vissa kvinnor uppvisar dock symtom på svampinfektion som är resistent mot behandling med svampdödande läkemedel. I dessa fall uppvisar kvinnor som har kraftiga flytningar, klåda och inga patogena bakterier eller svampar i våtutstryk också ett ökat antal laktobaciller. Utflödet orsakas av cytolys av vaginala epitelceller på grund av bakteriell infektion med laktobaciller.
Cytolys av immunsystemet
Immunsystemet använder sig av en mängd olika metoder för att framkalla cytolys – i patogener såväl som i infekterade eller cancersjuka celler i kroppen. Bland de mest potenta mediatorerna för cytolys i immunsystemet är T-cellerna och Natural Killer-cellerna (NK-cellerna). Båda dessa celler kan antingen förmå en cell att genomgå apoptos eller frigöra proteiner som kallas perforiner som bildar kanaler på cellmembranet. När vatten tränger in i cellen genom dessa kanaler genomgår den osmotisk lysis. Dessutom kan NK-celler även verka genom det adaptiva immunsystemet och interagera med T-celler samt antikroppar som frigörs från B-celler. Genom antikropps- och komplementsystemet kan patogena celler lyseras genom att komplementproteiner bildar en ringliknande transmembranstruktur på cellmembranet.
Denna metod för cytolys kan leda till en stor komplikation när det finns histoinkompatibilitet mellan mor och foster. När en viss typ av antikroppar (IgG) passerar genom placenta och känner igen antigener på fostrets blod kan den aktivera komplementsystemet samt den medfödda immuniteten vilket leder till att dessa röda blodkroppar genomgår hemolys. Barnet föds med gulsotliknande symtom.
Naturliga mördarceller är också avgörande för kroppens försvarsmekanism mot tumörbildning. När cancerceller nedreglerar uttrycket av ytantigenerna kan kraftfulla celler i det adaptiva immunförsvaret inte känna igen dessa celler eller sätta in ett immunsvar mot dem. NK-celler kan aktivera ett inflammatoriskt svar, locka till sig andra cytotoxiska celler och tillsammans inducera antingen osmotisk lysis eller apoptos på tumörprekursorceller.
Cytolysens funktioner
Cytolysen används ofta som ett överlevnadsverktyg av olika celler. Medan encelliga organismer och patogener använder den för att avvärja angrepp eller få tillgång till nya värdar, använder flercelliga organismer cytolys under ett immunsvar eller för att avlägsna skadade och farliga celler från kroppen.
Förhindrande av cytolys
Trots dess många användningsområden är det viktigt för en organism att kontrollera när och hur cytolysen sker. Växter har en naturlig försvarsmekanism mot cytolys eftersom de innehåller en hård cellvägg. När en växtcell placeras i en hypoton miljö och vatten strömmar in, utövar cellväggen ett mottryck på cellmembranet och förhindrar att det expanderar eller spricker. I en hypertonisk miljö genomgår cellen en vattenförlust, även kallad plasmolys. I en isoton lösning är det lika mycket vatten som kommer in i och ut ur cellen, vilket gör att dess totala volym förblir intakt. I hypotona lösningar tar vakuolen, när vatten kommer in i cellen, upp en stor del av överskottsvattnet och skyddar cytoplasman från utspädning.
Cellväggen skapar också ett omvänt tryck, vilket gör att vatten lämnar cellen, samtidigt som den optimala turgiditeten bibehålls. Denna turgiditet gör att växter kan hålla sig upprätt i avsaknad av ett inre skelettsystem.
Encelliga protister som amöba och paramecium innehåller en organell som kallas kontraktila vakuoler och som är inblandad i att förhindra cytolys. Det är en pulserande struktur som genomgår upprepade cykler av diastole (vatten som kommer in i vakuolen) och systole (vatten som pumpas ut ur cellen). Den exakta mekanismen för dessa sammandragningar är inte känd, men dessa organeller verkar fungera även när cellerna placeras i en lösning med hög saltkoncentration.
Multicellulära organismer har vanligtvis en sofistikerad mekanism för att se till att alla deras celler badar i en isotonisk lösning. Hos människor och andra däggdjur är detta det utsöndringsorgansystem som utgörs av de funktionella enheterna nefronerna i njuren. När blodet filtreras i njurarna avlägsnas och utsöndras salter, joner, avfallsprodukter, ammoniak och överskottsvatten med jämna mellanrum, vilket gör det möjligt för organismen att upprätthålla homeostas. Om vattenintaget ökar, ökar samtidigt avlägsnandet av vatten genom utsöndringssystemet. Detta system regleras av ett omfattande nätverk av hormoner och andra fysiologiska reaktioner och ser till att alla celler i kroppen i första hand utsätts för en isotonisk extracellulär vätska. Celler som befinner sig i gränssnittet mot omvärlden – oavsett om det är på huden eller i matsmältningssystemet – skyddas från cytolys genom ett hydrofobt skikt av antingen oljor eller vaxer.
Ibland blir utsöndringssystemet överväldigat när en organism plötsligt får i sig en stor mängd vatten i förhållande till kroppens saltreserver. Detta kallas vattenförgiftning och symtomen uppstår genom effekten av cytolys i hjärnans celler.
- Adaptivt immunsystem – En undergrupp av immunsystemet hos ryggradsdjur som har förmåga till immunologiskt minne. Andra och efterföljande exponeringar för en viss patogen framkallar snabba, specialiserade reaktioner.
- Krenation – Kontraktion av en cell efter exponering för en hypertonisk lösning.
- Tonicitet – Ett mått på den relativa koncentrationen av lösningsmedel i två lösningar som är åtskilda av ett halvgenomsläppligt membran. Toniciteten bestämmer riktningen och omfattningen av diffusionen genom membranet.
- Turgortryck – Trycket från vatten som trycker cellmembranet mot cellväggen i en växtcell.
Quiz
1. Vilken av dessa lösningar orsakar cytolys i röda blodkroppar?
A. 0,9 % NaCl
B. 1,5 % NaCl
C. 0,4 % NaCl
D. Havsvatten
2. Vilken av dessa framkallar INTE cytolys?
A. Placering av celler i en hypertonisk miljö
B. Perforins verkan på cellmembran
C. Aktivitet av membranangreppskomplex av komplementproteiner
D. Störning av membranstrukturen genom virus
3. Vilken av dessa metoder används av amöba för att förhindra cytolys?
A. Cellvägg
B. Utsöndrande organsystem
C. Kontraktila vakuoler
D. Alla ovanstående
