MORFOLOGIA, STRUTTURA E FISIOLOGIA DELL OSSO: IL CAPITALE DI UN TESSUTO VIVO. Iacopo Chiodini

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1 MORFOLOGIA, STRUTTURA E FISIOLOGIA DELL OSSO: IL CAPITALE DI UN TESSUTO VIVO Iacopo Chiodini

2 MORFOLOGIA E STRUTTURA FISIOLOGIA

3 MORFOLOGIA E STRUTTURA

4 MORFOLOGIA DELL OSSO

5 DISTRIBUZIONE DELL OSSO TRABECOLARE E CORTICALE NELLO SCHELETRO UMANO American Society for Bone and Mineral Research Contributed by Gregory Mundy

6 ANATOMIA DELLE OSSA LUNGHE J Bone Miner Res. 1989;4: American Society for Bone and Mineral Research Contributed by David W. Dempster, PhD

7 STRUTTURA DELL OSSO

8 ARCHITETTURA TRABECOLARE DELLE VERTEBRE Anat Rec 2001, Apr15;265(2): L immagine rappresenta l architettura delle trabecole ossee di una donna di 52 anni senza osteoporosi. È ben visibile la densità della matrice ossea delle trabecole sia verticali sia orizzontali. Non è difficile immaginare l alto grado di robustezza fornito dalle numerose interconnessioni di questa matrice. Borah, et al. Anat. Rec. 2001

9 STRUTTURA DELL OSSO TRABECOLARE E CORTICALE Osso trabecolare Osso corticale Dempster DW, Lindsay R 1993 Pathogenesis of osteoporosis. Lancet 341: American Society for Bone and Mineral Research Contributed by David W. Dempster, PhD

10 STRUTTURA DELL OSSO Osso corticale: è denso e compatto; costituisce le parti esterne di tutte le strutture scheletriche; le lamelle possono essere circolari ed estese o riunite strettamente in cerchi concentrici (osteoni); rappresenta l 80% dello scheletro. La sua funzione principale è meccanica e di protezione ma, in condizioni di grave deficit minerale, partecipa all attività metabolica. Osso trabecolare: è all interno delle ossa lunghe (epifisi), all interno delle vertebre, nelle parti interne della pelvi e delle altre ossa piatte. Svolge un importante azione meccanica, in particolare a livello vertebrale. È metabolicamente attivo e costituisce la riserva minerale in caso di deficit acuto.

11 COMPOSIZIONE DELL OSSO OSSO Osteoblasti Matrice Cellule ( 2% ) Osteoclasti Osteociti ORGANICA ( 33% ) - proteine collagene (Tipo I 94%) - proteine non collageniche - glicoproteine - polisaccaridi INORGANICA ( 65%) -idrossipatite (sali di fosfato di calcio --> cristalli di idrossiapatite) -altri ioni: carbonato, magnesio, sodio, calcio, fluoruri detta: Osteoide (prodotta dagli osteoblasti) Mineralizzazione

12 TESSUTO OSSEO Parte cellulare: osteoblasti, osteociti, lining cells, osteoclasti. Matrice ossea Minerale: cristalli di idrossiapatite Proteine: collagene e proteine non collageniche (osteocalcina, sialoproteine, osteopontina). Il collagene è in forma lamellare e rinforzato da legami crociati (cross-links) intra- ed inter-molecolari; sono resistenti alla degradazione durante il riassorbimento (dosabili nel siero e nelle urine). Le proteine non collageniche sono regolatrici della velocità di mineralizzazione, ma non sono indispensabili per la sintesi ossea.

13 Collagene FORMAZIONE DEL COLLAGENE Cross-links Tropocollagene Procollagene Le molecole di procollagene si uniscono ad alfa-elica e, dopo il distacco dei frammenti C- e N-terminali, formano le catene di tropocollagene. Le catene di tropocollagene si appaiano e formano legami tra le molecole di idrossilisina che stabilizzano la struttura (cross-links).

14 Collagene FORMAZIONE DEL COLLAGENE Cross-links Peptide C-terminale Tropocollagene Procollagene Le molecole di procollagene si uniscono ad alfa-elica e, dopo il distacco dei frammenti C- e N-terminali, formano le catene di tropocollagene. Le catene di tropocollagene si appaiano e formano legami tra le molecole di idrossilisina che stabilizzano la struttura (cross-links).

15 Collagene FORMAZIONE DEL COLLAGENE Cross-links Peptide C-terminale Tropocollagene Peptide N- terminale Procollagene Le molecole di procollagene si uniscono ad alfa-elica e, dopo il distacco dei frammenti C- e N-terminali, formano le catene di tropocollagene. Le catene di tropocollagene si appaiano e formano legami tra le molecole di idrossilisina che stabilizzano la struttura (cross-links).

18 MARKER DI RIASSORBIMENTO SCHELETRICO I cross-links del Piridinio avvengono in numerosi tessuti. Alla degradazione del collagene sono liberati, possono essere dosati nel siero e nelle urine e costituiscono dei marker di riassorbimento scheletrico. Quelli specifici del tessuto scheletrico sono i telopeptidi N- e C-terminali (NTX e CTX) e della parte centrale della catena collagenica (DPD).

19 MARKER DI APPOSIZIONE Procollagene Peptide N-terminale Peptide C-terminale Tropocollagene La prima fase della sintesi di collagene è la produzione del tropocollagene dall unione ad alfa-elica delle fibrille di procollagene ed il successivo distacco dei propeptidi C- e N-terminali, che possono essere dosati nelle urine e costituiscono dei marker di apposizione scheletrica.

20 MARKER DI APPOSIZIONE Procollagene Peptide N-terminale Peptide C-terminale Tropocollagene La prima fase della sintesi di collagene è la produzione del tropocollagene dall unione ad alfa-elica delle fibrille di procollagene ed il successivo distacco dei propeptidi C- e N-terminali, che possono essere dosati nelle urine e costituiscono dei marker di apposizione scheletrica.

21 MORFOLOGIA E STRUTTURA FISIOLOGIA

22 FISIOLOGIA

23 OSTEOBLASTI Si trovano in periostio e midollo osseo. Derivano da cellule mesenchimali pluripotenti (possono differenziarsi anche in miociti, fibrociti, adipociti e condrociti, e trasformarsi in adipociti).

24 OSTEOBLASTI Si trovano in periostio e midollo osseo. Derivano da cellule mesenchimali pluripotenti (possono differenziarsi anche in miociti, fibrociti, adipociti e condrociti, e trasformarsi in adipociti). In attività (cilindrici e con molto ret. endopl.), producono collagene, fosfatasi alcalina, osteocalcina, osteopontina e sialoproteine ossee, per la sintesi di matrice ossea.

25 OSTEOBLASTI Si trovano in periostio e midollo osseo. Derivano da cellule mesenchimali pluripotenti (possono differenziarsi anche in miociti, fibrociti, adipociti e condrociti, e trasformarsi in adipociti). In attività (cilindrici e con molto ret. endopl.), producono collagene, fosfatasi alcalina, osteocalcina, osteopontina e sialoproteine ossee, per la sintesi di matrice ossea. Dopo la mineralizzazione rimangono intrappolati nell osso neoformato (osteociti) in contatto tra loro mediante processi cellulari all interno di canalicoli: questo sincizio è importante per la regolazione della sintesi ossea (carico). Altri osteoblasti si trasformano in lining cells, cellule a riposo (piatti e con poco ret. endopl.) sulla superficie della unità di rimodellamento osseo.

26 OSTEOBLASTI Si trovano in periostio e midollo osseo. Derivano da cellule mesenchimali pluripotenti (possono differenziarsi anche in miociti, fibrociti, adipociti e condrociti, e trasformarsi in adipociti). In attività (cilindrici e con molto ret. endopl.), producono collagene, fosfatasi alcalina, osteocalcina, osteopontina e sialoproteine ossee, per la sintesi di matrice ossea. Dopo la mineralizzazione rimangono intrappolati nell osso neoformato (osteociti) in contatto tra loro mediante processi cellulari all interno di canalicoli: questo sincizio è importante per la regolazione della sintesi ossea (carico). Altri osteoblasti si trasformano in lining cells, cellule a riposo (piatti e con poco ret. endopl.) sulla superficie della unità di rimodellamento osseo. Hanno recettori per PTH, calcitriolo, GH, IGFs, glucocorticoidi, ormoni tiroidei, estrogeni, testosterone, IL-1, TNF-alfa, TGF-beta, prostaglandine, BMPs, FGF.

27 IL SISTEMA WNT/β-CATENINA REGOLA L OSTEOBLASTOGENESI Krishnan V et al, JCI 2006 La cellula mesenchimale può differenziarsi in osteoblasta, adipocita o condrocita sotto stimolo di diversi fattori di trascrizione. L osteoblasta può controllare la proliferazione osteoclastica.

28 IL SISTEMA WNT/β-CATENINA Rachner TD et al, Lancet 2011 Quando WNT si lega al suo recettore (Frizzled) ed al co-recettore (LRP5/6) inibisce GSK e libera β-catenina non fosforilata che può migrare nel nucleo ed attivare la trascrizione. In presenza di inibitori del legame WNT-Frizzled (DKK1 e sclerostina), GSK rimane attiva ed in grado di fosforilare β-catenina che viene così degradata.

29 OSTEOCITI Sono le cellule più abbondanti del tessuto osseo dell adulto. Gli osteociti sono osteoblasti che, una volta esaurita la loro funzione di formare l osso, rimangono intrappolati nelle lacune ossee, piccole cavità all interno delle lamelle (strati con cui sono organizzati i componenti dell osso). Hanno una forma appiattita, dovendosi adattare alla cavità che li contiene, e sono provvisti di numerosi e sottili prolungamenti. Sebbene l osteocita sia una cellula a riposo, sembra partecipare al metabolismo osseo in risposta a stimoli di diversa natura e alla regolazione della quota di calcio e di fosforo nel sangue, controllando l attività degli osteoblasti e degli osteoclasti.

30 OSTEOCITI Klein-Nulend et al, Bone 2013 Immagine in immunofluorescenza del citoscheletro di osteociti nel topo. Da ogni osteocita originano circa processi citoplasmatici che si irradiano attraverso i canalicoli a formare una rete con gli osteociti adiacenti

31 OSTEOCITI Armas LAG, Endocrinol Clin Metab North Am 2012 Gli osteoclasti rimuovono osso in zone circoscritte (Unità di Rimodellamento Scheletrico). Alla fine della fase di riassorbimento, gli osteoblasti depositano uno strato di matrice osteoide che viene quindi mineralizzata. Alcuni osteoblasti rimangono incorporati nella matrice ossea mineralizzata, diventando osteociti che rimangono estesamente connessi con la superficie della trabecola ossea e tra di loro, attraverso processi citoplasmatici che passano attraverso i canalicoli.

32 OSTEOCLASTI Derivano da colonie di granulociti/macrofagi e si differenziano sotto stimolo del M-CSF (macrophage colony stimulating factor).

33 OSTEOCLASTI Derivano da colonie di granulociti/macrofagi e si differenziano sotto stimolo del M-CSF (macrophage colony stimulating factor). Progenitori sono nella milza, nel midollo osseo e in circolo.

34 OSTEOCLASTI Derivano da colonie di granulociti/macrofagi e si differenziano sotto stimolo del M-CSF (macrophage colony stimulating factor). Progenitori sono nella milza, nel midollo osseo e in circolo. Grandi cellule multinucleate (2-5 nuclei, molti sistemi Golgi e mitocondri); riassorbono osso dissolvendo i cristalli di idrossiapatite e degradando la matrice. Durante il riassorbimento la superficie a contatto con il tessuto da riassorbire diventa rugosa.

35 OSTEOCLASTI Derivano da colonie di granulociti/macrofagi e si differenziano sotto stimolo del M-CSF (macrophage colony stimulating factor). Progenitori sono nella milza, nel midollo osseo e in circolo. Grandi cellule multinucleate (2-5 nuclei, molti sistemi Golgi e mitocondri); riassorbono osso dissolvendo i cristalli di idrossiapatite e degradando la matrice. Durante il riassorbimento la superficie a contatto con il tessuto da riassorbire diventa rugosa. La differenziazione e proliferazione dipende dal sistema RANK/RANKL/OPG, ed è inibita da IL-18 e Sca (proteina osteoblastica).

36 OSTEOCLASTI Derivano da colonie di granulociti/macrofagi e si differenziano sotto stimolo del M-CSF (macrophage colony stimulating factor). Progenitori sono nella milza, nel midollo osseo e in circolo. Grandi cellule multinucleate (2-5 nuclei, molti sistemi Golgi e mitocondri); riassorbono osso dissolvendo i cristalli di idrossiapatite e degradando la matrice. Durante il riassorbimento la superficie a contatto con il tessuto da riassorbire diventa rugosa. La differenziazione e proliferazione dipende dal sistema RANK/RANKL/OPG, ed è inibita da IL-18 e Sca (proteina osteoblastica). Sono stimolati da calcitriolo, PTH, TNF-alfa, PgE2, IL-1, IL-11 e IL-6; sono inibiti da IL-4, IL-12, IL-13, IL-18, e IFN-gamma, estrogeni e TGF-beta (inducono apoptosi).

37 OSTEOCLASTA Area di adesione Matrice ossea Orletto a spazzola Riassorbe osso mediante liberazione di enzimi (catepsine) in ambiente acido, dissolvendo i cristalli di idrossiapatite e degradando la matrice. Durante il riassorbimento la superficie a contatto con il tessuto da riassorbire diventa rugosa.

38 SISTEMA OPG/RANK/RANKL

39 REGOLAZIONE OSTEOCITARIA DEL RIASSORBIMENTO E APPOSIZIONE OSSEI Iperparatiroidismo Ipertiroidismo Ipogonadismo Artrite reumatoide Lupus Eritematosus Ipercortisolismo Deficit di GH Diabete.. O Brien CA et al, Bone 2012

40 MICRODANNO E OSTEOCITI Il microdanno può interrompere la lamella ed i canalicoli e bloccare la comunicazione tra osteociti, determinandone l apoptosi. Questo potrebbe essere il segnale per la differenziazione osteoclastica dei precursori monocitomacrofagici che così si accumulano nel sito del microdanno ed iniziano la rimozione del tessuto danneggiato e la sua riparazione. Armas LAG, Endocrinol Clin Metab North Am 2012

41 UNITA DI RIMODELLAMENTO SCHELETRICO o «BONE REMODELLING UNIT» (BMU) NELL OSSO TRABECOLARE E CORTICALE American Society for Bone and Mineral Research Contributed by David W. Dempster, PhD

42

43 14-28 giorni 3-6 mesi Il ciclo di rimodellamento inizia con la migrazione dei preosteoclasti parzialmente differenziati alla superficie ossea e alla loro coalescenza a formare ostecolasti multinucleati. Questi rimuovono la matrice ossea e la componente minerale (cristalli di idrossiapatite) fino ad un determinato livello (il processo è forse limitato dalle alte concentrazioni di calcio e da sostanze liberate dalla matrice). Quindi monociti/macrofagi rilasciano materiale glicoproteico sulla superficie che permette l adesione degli osteoblasti (l osteopontina sembra avere un ruolo importante) Quindi gli osteoblasti attivati (cilindrici) riempiono di osso neoformato la cavità; la superficie è così rivestita di osteoblasti a riposo (piatti) (Adapted from Raisz, LG, N Engl J Med 1988; 318: 818)

44 MICRODANNO: IL SEGNALE CHE DÀ INIZIO AL REMODELLING Osso neo-formato Osso ipermineralizzato

45 RIMODELLAMENTO OSSEO Osso normale Osso osteoporotico Il 90% della superficie dell osso è quiescente. Gli osteoclasti sono attirati dalla superficie dell osso esposta. Gli osteoclasti erodono 1 cavità di riassorbimento (2-4 settimane). Gli osteoblasti sostituiscono gli osteoclasti e depongono nuovo osso fino a riempire la cavità (3-6 mesi). L intera fase dura in media 3-4 mesi, seguita da un periodo di mineralizzazione di 6-12 mesi.

46 RIMODELLAMENTO OSSEO NORMALE E PATOLOGICO Bilancio osseo negativo Perforazione trabecolare

47 PERDITA DELL ARCHITETTURA TRABECOLARE DELLE VERTEBRE NELLA DONNA OSTEOPOROTICA Donna normale Donna osteoporotica Perdita di massa ossea e di trabecole orizzontali Borah, et al. Anat. Rec. 2001

48 IN CHE MODO LA MICROARCHITETTURA DELL OSSO INFLUENZA LA SUA RESISTENZA? Normale Osteoporosi moderata Riduzione dello spessore delle trabecole più accentuato in quelle orizzontali non sottoposte a carico Osteoporosi grave Diminuzione del numero di connessioni fra le trabecole verticali Diminuzione della resistenza delle trabecole Mosekilde L. Calcified Tissue Inter. 53 ( Suppl 1): S121-S

49 LE TRABECOLE ORIZZONTALI SONO IMPORTANTI AI FINI DELLA RESISTENZA DELL OSSO Teoria di Eular Buckling Si supponga: - Volume 1 = Volume 2 - Materiali e dimensioni identici Struttura 1 Struttura 2 La struttura 1 è 16 volte più resistente della Struttura 2

50 APPOSIZIONE PERIOSTALE E RESISTENZA ALLA FRATTURA Seeman E, N Engl J Med 2003

51 INVECCHIAMENTO: SEDE ED ENTITÀ DELLA PERDITA OSSEA NEI DUE SESSI Uomini Donne Quantità assoluta di osso: Riassorbito Formato Giovani Anziani Seeman E, Lancet 2002

52 PICCOLI INCREMENTI DEL RAGGIO PERIOSTALE POSSONO AUMENTARE NOTEVOLMENTE LA RESISTENZA ALLA FRATTURA Modulo di sezione= π/4r 03 [ 1 (r i /r 0 ) 4 ] ro ri Esempio: una donna di 65 anni può avere un diametro diafisario femorale r 0 di 1,6 cm e r i di 1,2 cm: il suo modulo di sezione è di circa 2,2 cm 3. Se il suo r 0 aumenta di solo 1 mm, il rispettivo modulo di sezione aumenta del 32%. Ciò corrisponde ad un incremento di circa 2 SD della popolazione e rappresenta un significativo aumento di resistenza dell osso. Orwoll SE, JBMR 2003

53 Numero di fratture per persone FRATTURE OSTEOPOROTICHE NEI 2 SESSI L INCIDENZA AUMENTA CON L ETÀ L INCIDENZA È PIÙ ELEVATA NEL SESSO FEMMINILE Incidenza delle più importanti fratture osteoporotiche Femmine Maschi Femore Vertebre Radio distale Riggs BL, Melton LJ III, N Engl J Med, 1986