细胞的超微结构及其基本病理

细胞的超微结构及其基本病理过程景玉宏2005.4.26背景资料Virchow在19世纪中期所奠定的细胞病理学说，通过近代对细胞及其病变的超微结构以及结构与功能相结合的研究，已经获得了新的更广更深的基础，扩大和加深了对疾病的理解。细胞是一个由细胞膜封闭的基本生命单元，内含一系列明确无误的互相分隔的反应腔室，这就是由细胞膜为界限的各种细胞器，是细胞代谢和细胞活力的形态支柱。细胞内的这种严格分隔保证各种细胞器分别进行着无数的生化反应，行使各自的独特功能，维持细胞和机体的生命活动。细胞器的改变是各种病变的基本组成部分。来自不同组织器官的细胞，其细胞器在形态上有一定的差别，因此在超微结构的研究上首先必须了解该类细胞器的不同形态，在确证细胞器的病理变化中尤其应该考虑到这一因素，下结论一定要慎重。细胞器的多态性细胞核在形态上的多样性细胞核的正常结构与病理变化细胞核（nucleus）是遗传信息的载体，细胞的调节中心，其形态随细胞所处的周期阶段而异，通常以间期核为准。细胞核外被核膜。核膜由内外二层各厚约3nm的单位膜构成，中间为2～5nm宽的间隙（核周隙）；核膜上有直径约50nm的微孔，作为核浆与胞浆间交通的孔道，其数目因细胞类型和功能而异，多者可占全核表面积的25％；在肝细胞核据估算约有2000个核孔。核浆主由染色质构成，其主要成分为脱氧核糖核酸（DNA），并以与蛋白质相结合的形式存在，后者由组蛋白与非组蛋白组成。染色质的NDA现在已可用多种方法加以鉴定和定量测定。核内较粗大浓缩的、碱性染料深染的团块状染色质为异染色质，呈细颗粒状弥散分布的、用普通染色法几乎不着色的染色质则为常染色质。一部分异染色质也可以上述两种状态存在。从生化角度看，异染色质不具遗传活性，相反，常染色质则大部分具遗传活性。间期核的染色质模式还反映细胞的功能状态。一般而言，大而淡染的核（浓缩染色质少）提示细胞活性（如蛋白质和酶的合成）较高；小而深染的核（浓缩染色质较多）则提示细胞活性有限或降低细胞损伤时核的改变核大小的改变核的大小通常反映着核的功能活性状态，功能旺盛时核增大，核浆淡染，核仁也相应增大和（或）增多。如果这种状态持续较久，则可出现多倍体核或形成多核巨细胞。多倍体核在正常情况下亦可见于某些功能旺盛的细胞，如肝细胞中可见约20％为多倍体核。在病理状态下，如晚期肝炎及实验性肝癌前期等均可见多倍体的肝细胞明显增多。核的增大除见于功能旺盛外，也可见于细胞受损时，最常见的情况为细胞水肿。这主要是细胞量匮乏或毒性损伤所致，是核膜钠泵衰竭导致水和电解质运输障碍的结果。这种核肿大又称为变性性核肿大。相反，当细胞功能下降或细胞受损时，核的体积则变小，染色质变致密，如见于器官萎缩时。与此同时核仁也缩小。核形的改变光学显微镜下，各种细胞大多具有各自形状独特的核，可为圆形、椭圆形、梭形、杆形、肾形、印戒形、空洞形以及奇形怪状的不规则形（图1－1）等。在电镜下由于切片极薄，切面可以多种多样，但均非核的全貌。核的多形性和深染特别多见于恶生肿瘤细胞，称为核的异型性（atypia）。图1－1恶性肿瘤细胞的奇异形核核结构的改变：细胞在衰亡及损伤过程中的重要表征之一是核的改变，主要表现为核膜和染色质的改变。核浓缩（karyopyknosis）：染色质在核浆内聚集成致密浓染的大小不等的团块状，继而整个细胞核收缩变小，最后仅留下一致密的团块，是为核浓缩。这种浓缩的核最后还可再崩解为若干碎片（继发性核碎裂）而逐渐消失。核碎裂(karyorrhexis)：染色质逐渐边集于核膜内层，形成较大的高电子密度的染色质团块（图1－2）。核膜起初尚保持完整，以后乃在多处发生断裂，核逐渐变小，最后裂解为若干致密浓染的碎片。核溶解(karyolysis)：变致密的结成块状的染色质最后完全溶解消失。即核溶解。核溶解变可不经过核浓缩或核碎裂而一开始即独立进行。在这种情况下，受损的核很早就消失。上述染色质边集（即光学显微镜下所谓的核膜浓染）、核浓缩、核碎裂、核溶解等核的结构改变为核和细胞不可复性损伤的标志，提示活体内细胞死亡（坏死）。核内包含物（intranuclearinclusions）在某些细胞损伤时可见核内出现各种不同的包含物，可为胞浆成分（线粒体、内质网断片、溶酶体、糖原颗粒、脂滴等），亦可为非细胞本身的异物，但最常见的还是前者。这种胞浆性包含物可在两种情况下出现：①胞浆成分隔着核膜向核内膨突，以致在一定的切面上看来，似乎胞浆成分已进入核内，但实际上大多仍可见其周围有核膜包绕，其中的胞浆成分常呈变性性改变（如髓鞘样结构，膜碎裂等）。这种包含物称为胞浆性假包含物（图1－3）；②在有丝分裂末期，某些胞浆结构被封入形成中的子细胞核内，以后出现于子细胞核中，称为真性胞浆性包含物。图1－2细胞核染色质边集中毒性肝炎的肝细胞×8000图1－3核内假包含体垂体嗜酸性细胞瘤的瘤细胞，左侧瘤细胞核内可见一卵圆形包含体，有膜包绕，内含细胞器和胞浆分泌颗粒×8400非胞浆性（异物性）核内包含物的种类繁多，性质各异。在真性糖尿病时，肝细胞核内可有较多糖原沉积。在常规切片制作过程中，糖原被溶解，核内出现或大或小的空洞（糖尿病性空洞核）。在铅、铋、金等重金属中毒时，核内亦可出现丝状或颗粒状真性包含物，其中有时含有相应的重金属（如铅中毒时）。此外，在某些病毒性疾病如DNA病毒感染时，可在电镜下检见核内病毒颗粒，如聚积成较大集团（如巨细胞包含体病），则亦可在光学显微镜下检见，表现为较大的核内包含物。核仁的改变核仁（nucleolus）为核蛋白体RNA转录和转化的所在。除含蛋白的均质性基质外，电镜下核仁主由线团状或网状电子致密的核仁丝（nucleolonema）和网孔中无结构的低电子密度的无定形部（parsamorpha）组成。核仁无界膜，直接患浮于核浆内。形态上和生物上核仁由3种不同的成分构成：①原纤维状成分，内含蛋白质及与其相结合的45S－rRNA；②细颗粒状成分，主要由12S－rRNA构成，为核仁的嗜碱性成分；③细丝状成分，仅由来自胞浆的蛋白质构成，穿插于整个核仁内。３种核仁成分的空间排列状态可反映细胞的蛋白合成活性，例如：壳状核仁：原纤维状成分集中位于核仁中央，细颗状成分呈壳状包绕于外层。这种细胞的合成活性甚低。海绵状核仁：这种核仁的原纤维状与细颗状成分呈海绵状（或线团状）排列。这种细胞的合成活性升高。大多数所谓的“工作核”具有这种核仁。高颗粒性核仁：由海绵状核仁转化而成，原纤维状成分几乎消失，核仁主要由颗粒状成分构成，故组织学上呈强嗜碱性，细胞的合成活性旺盛。这种核仁常见于炎症和肿瘤细胞。低颗粒性核仁，与上述高颗粒性核仁相反，这种核仁的细颗粒状成分锐减，故电镜下原纤维状成分显得突出，电子密度较低。这种核仁常见于再生时，因此时细颗粒成分（rRNA）过多地被胞浆所利用。分离性核仁：超微结构上3种核仁成分清楚地互相分离，原纤维状和细颗粒状成分减少。这种核仁变小，无活性，常见于核仁转录过程被抗生素、细胞抑制剂、缺氧和蝇菌素中毒等所完全阻断时。由此可见，核仁的大小和（或）数目的多少常反映细胞的功能活性状态：大和（或）多的核仁是细胞功能活性高的表现，反之则细胞功能活性低。细胞膜的结构与病理变化细胞膜是包于细胞表面、将细胞与周围环境隔开的弹性薄膜，厚约8～10nm，由脂质和蛋白质构成，故为脂蛋白膜，对于细胞的生命活动和功能具有十分重要的意义。细胞膜在许多特定场合可向外形成大量的纤细突起（微绒毛、纤毛），或向内形成各种形式的内褶(图1-4)以利于其功能活动。相邻细胞的细胞膜之间还可形成闭锁小带、附着小带、桥粒和缝隙连接等各种特化结构，以保持细胞间的联系。此外，新近还发现，在相领细胞膜上有“粘附分子（如adhesionmolecule,cadherin）”，对细胞正常结构和联系以及细胞极性的维持和细胞的分化等，均具有重要作用。细胞膜除作为细胞的机械性和化学性屏障外，还具有一系列重要的功能诸如细胞内外的物质交换、细胞运动、细胞识别以及细胞的生长调控、免疫决定和各种表面受体形成等。细胞的物质交换：细胞内外的物质交换主要以两种方式进行，一为渗透，一为出入胞过程。渗透乃指低分子物质（主要为水和电解质）通过细胞膜进出细胞，又可分两种情况：一种是按该物质在细胞内外环境中的浓度差，由浓高的一侧弥散底到低的一侧（被动运输）；另一种则逆浓度差进行，即由浓度低的一侧向浓度高的一侧输送（主动运输），其经典的例子即Na+和K+的运输（在细胞内Na+和K+的比例为1:20，而在细胞外隙则为30:1），即依靠所谓“钠泵”的作用将Na+移向细胞外隙，而使K+移向细胞内。这种主动运输是一个耗能的过程，并由Na+和K+激活细胞膜上的ATP酶分解ATP而提供所需的能量。因此，如ATP酶受到某些毒物的抑制，则这种主动运输过程也同样受到阻抑。除Na+和K+外，其他一些有机物质如葡萄糖、氨基酸以及一些低分子代谢产物也是借这样的过程运输的。第二种物质运输方式为出入胞过程。较大的分子和颗粒不能借渗透过程通过细胞膜，乃借出入胞过程将细胞内物质运送到细胞外和将细胞外物质移入细胞内。前者称为出胞（exocytosis），后者称为入胞(endocytosis)。进入细胞的如为液态物质则称之为胞饮或吞饮（pinocytosis），如为固体颗粒（如细菌、尘粒等异物）则称之为吞噬（phagocytosis）。在吞饮过程中，被吞饮的物质先接触并附着于细胞膜上，然后该处细胞膜连同该物质内凹，继而从细胞膜上断离下来，在胞浆内形成有膜包绕的小泡（吞饮小泡）；吞噬过程与吞饮相似，稍不同的是，被吞噬物附着于细胞膜上后，细胞膜乃形成伪足样突起，将该物质环抱，最后封闭成有膜包绕的泡状结构，从而将该物质移入胞浆内（吞噬泡或吞噬体）。细胞自身的成分如蛋白质分子、糖原颗料、衰变的或受损而待处理的细胞器等，亦可被膜包绕而形成自噬泡（autophagicvacuoles）或自噬体（autophagosome）。胞饮泡或吞噬泡一般在胞浆内与溶酶体相结合，并被溶酶体酶所降解消化。但胞饮泡也可不经处理而穿过胞浆，最后从细胞的另一极重新移出细胞外。细胞膜上还有特殊的识别区，结合在糖萼上，借此，细胞可相互识别，从而相互接近形成一定的细胞组合，或相互排斥而分离。同样，通过识别区，增生中的细胞在互相接触时就会停止分裂（接触抑制），而癌细胞则已失去这种表面功能，故可不受限制地增生。此外，细胞膜上还有一种膜抗原可以识别“自我”和“非我”（组织相容性抗原）。这种膜抗原在器官移植中具有重要意义，因为它可致敏受体，从而引起对移植物的排斥反应。最后，细胞上还有一些特异性区域带着特殊的化学簇，可以接受相应的化学信号，称为膜受体或表面受体。但从形态学上不能辨认。这种膜受体具有十分重要的意义，因为已知许多物质如激素、免疫球蛋白、药物、毒素以及感染因子等都是作为外来信号被受体接受后才转化为细胞内效应而发挥其作用。如封闭其受体，则亦同时消除其作用。细胞膜的病变细胞膜形态结构的改变:机械力的作用或细胞强烈变形，可引起红细胞膜的破损，如人工心瓣膜可引起细胞膜的破裂；某些脂溶性阴离子物质、溶蛋白和溶脂性酶以及毒素等也能破坏细胞膜的完整性。细胞膜结构的损伤可导致细胞内容物的外溢或水分进入细胞使细胞肿胀。细胞膜通透性的改变能量代谢不足（如缺氧时）或毒物的直接损害等所致各种不同的细胞损伤时，均可造成细胞主动运输的障碍，从而导致细胞内Na+的潴留和K+的排出，但Na+的潴留多于K＋的排出，使细胞内渗透压升高，水分因而进入细胞，引起细胞水肿。这种单纯的通透性障碍时并不见细胞膜的形态学改变，只有借细胞化学方法才可在电镜下检见细胞膜上某些酶（如ATP酶、硷性磷酸酶、核苷酸酶等）活性的改变。当然，如损伤或水肿严重，则亦可发生继发性形态改变如出现肿浆膨出、微绒毛变短甚至消失、细胞膜基底变平乃至细胞膜破裂等。在某些较严重的损伤时还可出现细胞膜的螺旋状或同心圆层状卷曲，形成典型的髓鞘样结构（myelinfigure）（图1－5）图1-5髓鞘样结构×8800内质网的结构及病理变化除红细胞外，内