Radiology and Physical Medicine

Types of cell death induced by radiation TIPOS DE MUERTE CELULAR POR RADIACIÓN

July 28, 2014 | Translate

Ionizing radiation can cause biochemical and morphological damage at the cellular level, both directly and through free radicals. The event that determines cell death is the damage to the DNA, especially by double-strand breaks. At very high doses of radiation, cells cannot repair the damage and die immediately or within a certain period of time. The loss of reproductive capacity is equivalent to cell death.

Ilustración interior

The mechanisms of cell death by radiation are complex. Therefore, the Nomenclature Committee of Cell Death (NCCD) proposed eight types of cell death. However, given the difficulty of relating the morphological and biochemical abnormalities, the Committee established in 2007 a ​​morphological classification consisting of four types of cell death1: apoptosis (type 1 cell death), autophagic cell death (type 2), necrosis (type 3), and mitotic catastrophe (See Figure 1).

Other authors have attempted to elucidate the mechanisms of cell death by radiation; 2 these can be divided into apoptotic and non-apoptotic:

Apoptotic cell death is defined by morphological criteria (rounding up of the cell, nuclear pyknosis, karyorhexis, and phagocytosis of apoptotic bodies by adjacent cells), and the requirement for active participation of the dying cell.1,2  Mitochondria play a major role for this type of cell death. A large number of biochemical pathways are involved in apoptosis; however, caspases are considered the main effector molecules and responsible for digestive processes that cause the morphological abnormalities observed.1,3 Apoptosis plays an important role in the efficacy of radiotherapy.2

The non-apoptotic cell death include: necrosis, mitotic catastrophe, autophagy and senescence.

Necrosis has its own morphological features, compressing cellular swelling (oncosis) with loss of plasma membrane integrity and moderate chromatin condensation.1 The importance of necrosis is being reevaluated, since today is not considered a merely accidental cell death mechanism, but can occur in a regulated manner.4

Mitotic catastrophe: cell death occurs during or shortly after a failed mitosis.1 Cells attempt to divide without proper repair of DNA damage, there are stops in metaphase with aberrant mitosis and multinucleated giant cells. It is the most prominent mode of cell death after radiotherapy in solid tumors, and has implications in resistance to antitumor therapy.2,3

In autophagic cell death a cellular self-digestion occurs. You can see a cytoplasm with abundant double-membraned vacuoles, and lack of chromatin condensation. We discuss whether this type of cell death is always through autophagy or with autophagy.1,3

Senescence is characterized by a loss of the proliferative capacity of the cells caused by DNA damage. We can see increased granularity in flattened and enlarged cells.2 Senescent cells remain metabolically active but have completely abolished the ability to enter mitosis, so the risk of resistance to antitumor therapy is reduced.3

The majority of ionizing radiation induced cell death is produced by apoptosis and mitotic catastrophe.

In 2012, the NCCD proposed a new functional classification of cell death types, based on measurable biochemical characteristics.4 Types identified were: extrinsic apoptosis, intrinsic apoptosis (caspase-dependent, or caspase-independent), regulated necrosis (necroptosis), autophagic cell death and mitotic catastrophe. Also, other forms of cell death were discussed, for which the following terms were used: anoikis, entosis, parthanatos, pyroptosis, netosis and cornification.

References

Galluzzi L, Maiuri MC, Vitale I, Zischka H, Castedo M, Zitvogel L, Kroemer G. Cell death modalities: classification and pathophysiological implications. Cell Death Differ. 2007; 14:1237–1243.

Verheij M. Clinical biomarkers and imaging for radiotherapy-induced cell death. Cancer Metastasis Rev. 2008; 27:471–480.

Rello Varona S. Mecanismos de muerte celular inducidos por nuevas terapias antitumorales [Tesis Doctoral]. Madrid: Universidad Autónoma de Madrid; 2007.

Galluzzi LVitale I, Abrams JM, Alnemri ES, Baehrecke EH, Blagosklonny MV, et al. Molecular definitions of cell death subroutines: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2012. Cell Death Differ. 2012; 19:107–120.

 

Author: Irene María López García
4º Course, Medicine. Granada University

Las radiaciones ionizantes pueden provocar daños bioquímicos y morfológicos a nivel celular, tanto de forma directa como a través de radicales libres. El suceso que determina la muerte celular es el daño sufrido por el ADN, especialmente por dobles roturas de la hélice. A dosis muy elevadas de radiación, las células no pueden reparar el daño y mueren de forma inmediata o diferida. La pérdida de la capacidad reproductiva equivale a la muerte celular.

Ilustración interior

Los mecanismos de la muerte celular por radiación son complejos. El Comité de Nomenclatura de Muerte Celular (NCCD) propuso ocho tipos de muerte celular. Sin embargo, ante la dificultad de relacionar las anomalías morfológicas y bioquímicas, el Comité estableció en 2007 una clasificación morfológica constituida por cuatro tipos de muerte celular 1: apoptosis (muerte celular tipo 1), muerte celular autofágica (tipo 2), necrosis (tipo 3), y catástrofe mitótica (Ver Figura 1).

Otros autores han intentado esclarecer los mecanismos de muerte celular por radiación; 2 éstos se pueden dividir en apoptóticos y no apoptóticos:

La muerte celular apoptótica se define mediante criterios morfológicos (redondeamiento celular, picnosis nuclear, cariorrexis, cuerpos apoptóticos y fagocitosis de éstos por células adyacentes), y requiere de la participación activa de la propia célula.2,1 La mitocondria es importante en este tipo de muerte celular. Un gran número de rutas bioquímicas están implicadas en la apoptosis; sin embargo, las caspasas están consideradas como las principales moléculas efectoras, y responsables de los procesos digestivos causantes de las anomalías morfológicas observadas.1,3 La apoptosis tiene un importante papel en la eficacia de la radioterapia.2

La muerte celular no apoptótica incluye: la necrosis, catástrofe mitótica, autofagia y senescencia.

La necrosis presenta sus propias características morfológicas, como hinchazón celular (oncosis) con pérdida de integridad de la membrana plasmática y moderada condensación cromatínica.1 La importancia de la necrosis está siendo reevaluada, ya que hoy no se considera un mecanismo de muerte celular meramente accidental, sino que puede ocurrir de forma regulada.4

Catástrofe mitótica: la muerte celular se produce durante o poco después de una mitosis fallida.1 Las células dañadas tratan de dividirse sin reparar adecuadamente el ADN, se producen paradas en metafase, con mitosis aberrantes y células gigantes multinucleadas. Es el tipo de muerte celular más habitual tras la radioterapia en los tumores sólidos, y posee implicaciones en la resistencia a la terapia antitumoral.2,3

En la muerte celular autofágica se produce una autodigestión  celular. Se aprecia un citoplasma con abundantes vacuolas de doble membrana y falta de condensación cromatínica. Se discute si este tipo de muerte celular es siempre por autofagia o con autofagia.1,3

La senescencia se caracteriza por una pérdida de la capacidad proliferativa de la célula, inducida por un daño del ADN. Se aprecia un aumento de la granularidad en células agrandadas y aplanadas. 2 Las células senescentes siguen siendo metabólicamente activas, pero tienen completamente abolida la posibilidad de entrar en mitosis, por lo que el riesgo de resistencias a la terapia antitumoral es reducido.3

La mayor parte de las muertes celulares inducidas por radiaciones ionizantes son producidas por apoptosis y por catástrofe mitótica.

En 2012, el NCCD propuso una nueva clasificación funcional de los tipos de muerte celular, basada en características bioquímicas  mensurables.4 Los tipos señalados fueron: apoptosis extrínseca, apoptosis intrínseca (caspasa-dependiente, o caspasa-independiente), necrosis regulada (necroptosis), muerte celular autofágica, y catástrofe mitótica. Asimismo, se discutían otras modalidades de muerte celular, para las que se empleaban los siguientes términos: anoikis, entosis, parthanatos, pyroptosis, netosis y cornificación.

Bibliografía

Galluzzi L, Maiuri MC, Vitale I, Zischka H, Castedo M, Zitvogel L, Kroemer G. Cell death modalities: classification and pathophysiological implications. Cell Death Differ. 2007; 14:1237–1243.

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Rello Varona S. Mecanismos de muerte celular inducidos por nuevas terapias antitumorales [Tesis Doctoral]. Madrid: Universidad Autónoma de Madrid; 2007.

Galluzzi LVitale IAbrams JM, Alnemri ES, Baehrecke EH, Blagosklonny MV, et al. Molecular definitions of cell death subroutines: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2012. Cell Death Differ. 2012; 19:107–120.

 

Autora: Irene María López García
4º Curso, Grado de Medicina. Universidad de Granada

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