Патофизиология (или физиопатология ) — это раздел изучения на стыке патологии и физиологии , изучающий неупорядоченные физиологические процессы , которые вызывают, являются результатом или иным образом связаны с заболеванием или травмой . Патология — это медицинская дисциплина, описывающая состояния, обычно наблюдаемые во время болезненного состояния, тогда как физиология — это биологическая дисциплина, описывающая процессы или механизмы, действующие в организме . Патология описывает ненормальное или нежелательное состояние (симптомы заболевания), тогда как патофизиология стремится объяснить функциональные изменения, происходящие в организме человека из-за заболевания или патологического состояния. [1]
Термин патофизиология происходит от древнегреческих слов πάθος ( пафос ) и φυσιολογία ( физиология ).
В Германии в 1830-х годах Иоганнес Мюллер возглавил создание физиологических исследований, автономных от медицинских исследований. В 1843 году было основано Берлинское физическое общество , отчасти для того, чтобы очистить биологию и медицину от витализма , а в 1847 году Герман фон Гельмгольц , вступивший в общество в 1845 году, опубликовал статью «О сохранении энергии», оказавшую большое влияние на сведение исследовательской основы физиологии к физическим наукам. В конце 1850-х годов немецкий анатом-патолог Рудольф Вирхов , бывший ученик Мюллера, сосредоточил внимание на клетке, установив цитологию в качестве фокуса физиологических исследований, в то время как Юлиус Конхейм стал пионером экспериментальной патологии в научных лабораториях медицинских школ. [ необходима ссылка ]
К 1863 году, вдохновленный докладом Луи Пастера о ферментации в масляную кислоту , его коллега-француз Казимир Давен идентифицировал микроорганизм как ключевого возбудителя сибирской язвы крупного рогатого скота , но его обычное исчезновение из крови заставило других ученых сделать вывод, что это всего лишь побочный продукт гниения . [2] В 1876 году, после сообщения Фердинанда Кона о крошечной стадии спор бактериального вида, его коллега-немец Роберт Кох выделил бактерииды Давена в чистой культуре — решающий шаг, который определил бактериологию как отдельную дисциплину — идентифицировал стадию спор, применил постулаты Якоба Генле и подтвердил вывод Давена, что стало крупным достижением экспериментальной патологии . Пастер и его коллеги продолжили экологические исследования, подтвердившие его роль в естественной среде через споры в почве.
Также, что касается сепсиса , Давен вводил кроликам сильно разбавленное, крошечное количество гнилостной крови, воспроизводил заболевание и использовал термин « фермент гниения» , но было неясно, относилось ли это, как и термин Пастера «фермент», к микроорганизму или, как это было со многими другими, к химическому веществу. [3] В 1878 году Кох опубликовал «Этиологию травматических инфекционных заболеваний », в отличие от любой предыдущей работы, где на 80 страницах Кох, как отметил историк, «смог показать практически убедительным образом, что ряд заболеваний, различающихся клинически, анатомически и по этиологии , можно экспериментально вызвать путем инъекции гнилостных материалов животным». [3] Кох использовал бактериологию и новые методы окрашивания анилиновыми красителями для идентификации конкретных микроорганизмов для каждого из них. [3] Микробная теория заболеваний кристаллизовала концепцию причины — предположительно идентифицируемой путем научного исследования. [4]
Американский врач Уильям Уэлч обучался немецкой патологии с 1876 по 1878 год, в том числе под руководством Конхейма , и открыл первую в Америке научную лабораторию — лабораторию патологии — в больнице Бельвью в Нью-Йорке в 1878 году. [5] Курс Уэлча привлек студентов из других медицинских школ, которые отреагировали открытием собственных лабораторий патологии. [5] После того, как Дэниел Койт Гилман , по совету Джона Шоу Биллинс , назначил его деканом-основателем медицинской школы недавно сформированного Университета Джонса Хопкинса , который Гилман, как его первый президент, планировал, Уэлч снова отправился в Германию для обучения бактериологии Коха в 1883 году. [5] Уэлч вернулся в Америку, но переехал в Балтимор, стремясь перестроить американскую медицину, одновременно смешивая анатомическую патологию Вихова, экспериментальную патологию Конхейма и бактериологию Коха. [6] Медицинская школа Хопкинса, возглавляемая «Четырьмя всадниками» — Уэлчем, Уильямом Ослером , Говардом Келли и Уильямом Холстедом — наконец открылась в 1893 году как первая в Америке медицинская школа, посвященная преподаванию так называемой немецкой научной медицины. [5]
Первые биомедицинские институты, Институт Пастера и Берлинский институт инфекционных заболеваний , первыми директорами которых были Пастер и Кох , были основаны в 1888 и 1891 годах соответственно. Первый биомедицинский институт Америки, Рокфеллеровский институт медицинских исследований , был основан в 1901 году с Уэлчем, прозванным «деканом американской медицины», в качестве его научного руководителя, который назначил своего бывшего студента Хопкинса Саймона Флекснера директором лабораторий патологии и бактериологии. В результате Первой и Второй мировых войн Рокфеллеровский институт стал мировым лидером в области биомедицинских исследований. [ необходима цитата ]
Пандемия 1918 года вызвала лихорадочные поиски ее причины, хотя большинство смертей было вызвано крупозной пневмонией , уже приписываемой пневмококковой инвазии. В Лондоне патологоанатом Министерства здравоохранения Фред Гриффит в 1928 году сообщил о трансформации пневмококка из вирулентного в авирулентный и между антигенными типами — почти смене вида — что поставило под сомнение конкретную причину пневмонии. [7] [8] Лаборатория Освальда Эвери из Рокфеллеровского института , ведущего американского эксперта по пневмококкам, была настолько обеспокоена отчетом, что отказалась от попытки повторить его. [9]
Когда Эвери был на летних каникулах, Мартин Доусон , британо-канадец, убежденный, что все, что из Англии, должно быть правильным, повторил результаты Гриффита, а затем также добился трансформации in vitro , открыв ее для точного исследования. [9] Вернувшись, Эвери держал фотографию Гриффита на своем столе, пока его исследователи следовали по следу. В 1944 году Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти сообщили о факторе трансформации как ДНК , широко сомневаясь на фоне оценок, что что-то должно с ней работать. [10] Во время отчета Гриффита не было известно, что у бактерий вообще есть гены. [11]
Первая генетика, менделевская генетика , началась в 1900 году, однако наследование менделевских признаков было локализовано в хромосомах к 1903 году, таким образом, хромосомная генетика. Биохимия возникла в том же десятилетии. [12] В 1940-х годах большинство ученых рассматривали клетку как «мешок с химикатами» — мембрану, содержащую только свободные молекулы в хаотическом движении , — и единственные особые клеточные структуры как хромосомы, которые у бактерий отсутствуют как таковые. [12] Хромосомная ДНК считалась слишком простой, поэтому гены искали в хромосомных белках . Тем не менее, в 1953 году американский биолог Джеймс Уотсон , британский физик Фрэнсис Крик и британский химик Розалинд Франклин вывели молекулярную структуру ДНК — двойную спираль — и предположили, что она означает код. В начале 1960-х годов Крик помог взломать генетический код в ДНК , тем самым основав молекулярную генетику .
В конце 1930-х годов Фонд Рокфеллера возглавил и финансировал программу исследований в области молекулярной биологии , направленную на поиск фундаментального объяснения организмов и жизни, которую в основном возглавлял физик Макс Дельбрюк из Калифорнийского технологического института и Университета Вандербильта . [13] Однако реальность органелл в клетках была спорной на фоне неясной визуализации с помощью обычной световой микроскопии . [12] Около 1940 года, в основном благодаря исследованиям рака в Институте Рокфеллера, клеточная биология возникла как новая дисциплина, заполняющая огромный пробел между цитологией и биохимией, применяя новые технологии — ультрацентрифугу и электронный микроскоп — для идентификации и деконструкции клеточных структур, функций и механизмов. [12] Две новые науки переплелись, клеточная и молекулярная биология . [12]
Помня о Гриффите и Эвери , Джошуа Ледерберг подтвердил бактериальную конъюгацию — о которой сообщалось десятилетиями ранее, но которая была спорной — и был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине 1958 года . [14] В лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, Дельбрюк и Сальвадор Лурия возглавили группу фагов — пригласив Уотсона — которая открыла детали клеточной физиологии, отслеживая изменения бактерий при заражении их вирусами , процесс трансдукции . Ледерберг руководил открытием генетического факультета в медицинской школе Стэнфордского университета и способствовал более тесному общению между биологами и медицинскими факультетами. [14]
В 1950-х годах исследования ревматизма , осложнения стрептококковых инфекций, показали, что он был опосредован собственным иммунным ответом хозяина, что побудило патолога Льюиса Томаса провести исследование , которое привело к идентификации ферментов, выделяемых врожденными иммунными клетками макрофагами и разрушающих ткани хозяина. [15] В конце 1970-х годов, будучи президентом Мемориального онкологического центра имени Слоуна-Кеттеринга , Томас сотрудничал с Ледербергом , который вскоре стал президентом Университета Рокфеллера , чтобы перенаправить финансирование Национальных институтов здравоохранения США на фундаментальные исследования механизмов, действующих во время процессов заболевания, о которых в то время ученые-медики были почти полностью не осведомлены, поскольку биологи едва ли интересовались механизмами заболевания. [16] Томас стал для американских фундаментальных исследователей святым покровителем . [17]
Патофизиология болезни Паркинсона заключается в гибели дофаминергических нейронов в результате изменений биологической активности мозга в связи с болезнью Паркинсона (БП). Существует несколько предложенных механизмов гибели нейронов при БП; однако не все из них хорошо изучены. Пять предложенных основных механизмов гибели нейронов при болезни Паркинсона включают агрегацию белков в тельцах Леви , нарушение аутофагии , изменения в клеточном метаболизме или митохондриальной функции, нейровоспаление и разрушение гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), приводящее к сосудистой проницаемости. [18]
Патофизиология сердечной недостаточности заключается в снижении эффективности работы сердечной мышцы из-за повреждения или перегрузки. Таким образом, она может быть вызвана широким рядом состояний, включая инфаркт миокарда (при котором сердечная мышца испытывает кислородное голодание и умирает), гипертонию (при которой увеличивается сила сокращения, необходимая для перекачивания крови) и амилоидоз (при котором неправильно свернутые белки откладываются в сердечной мышце, вызывая ее жесткость). Со временем эти увеличения рабочей нагрузки приведут к изменениям в самом сердце.
Патофизиология рассеянного склероза — это воспалительное демиелинизирующее заболевание ЦНС , при котором активированные иммунные клетки проникают в центральную нервную систему и вызывают воспаление, нейродегенерацию и повреждение тканей. Основное состояние, вызывающее такое поведение, в настоящее время неизвестно. Текущие исследования в области нейропатологии, нейроиммунологии, нейробиологии и нейровизуализации, а также клинической неврологии подтверждают идею о том, что рассеянный склероз — это не отдельное заболевание, а скорее спектр [19]
Патофизиология гипертонии — это хроническое заболевание, характеризующееся повышением артериального давления . Гипертония может быть классифицирована по причине как эссенциальная (также известная как первичная или идиопатическая ) или вторичная . Около 90–95% гипертонии — это эссенциальная гипертония. [20] [21] [22] [23]
Патофизиология ВИЧ/СПИДа включает в себя, после приобретения вируса, что вирус реплицируется внутри и убивает Т-хелперные клетки , которые необходимы для почти всех адаптивных иммунных реакций . Существует начальный период гриппоподобного заболевания , а затем латентная, бессимптомная фаза. Когда количество лимфоцитов CD4 падает ниже 200 клеток/мл крови, хозяин ВИЧ прогрессирует до СПИДа, [24] состояния, характеризующегося дефицитом клеточного иммунитета и, как следствие, повышенной восприимчивостью к оппортунистическим инфекциям и некоторым формам рака .
Патофизиология укусов пауков обусловлена действием его яда . Интоксикация пауком происходит всякий раз, когда паук вводит яд в кожу. Не все укусы пауков впрыскивают яд — сухой укус, и количество впрыскиваемого яда может варьироваться в зависимости от типа паука и обстоятельств встречи. Механическая травма от укуса паука не представляет серьезной опасности для человека.
Патофизиология ожирения включает в себя множество возможных патофизиологических механизмов, участвующих в его развитии и поддержании. [25] [26]
Эта область исследований была почти не исследована, пока в 1994 году лабораторией Дж. М. Фридмана не был открыт ген лептина . [27] Эти исследователи предположили, что лептин является фактором сытости. У мышей ob/ob мутации в гене лептина привели к фенотипу ожирения, что открыло возможность терапии лептином при ожирении у людей. Однако вскоре после этого лаборатория Дж. Ф. Каро не смогла обнаружить никаких мутаций в гене лептина у людей с ожирением. Напротив, экспрессия лептина была увеличена, что предполагает возможность резистентности к лептину при ожирении у людей. [28]