Il tessuto osseo è una forma specializzata di tessuto connettivo, caratterizzata dalla mineralizzazione della matrice extracellulare, la quale conferisce durezza e resistenza. Questo tessuto costituisce lo scheletro del corpo umano ed è organizzato a formare strutture definite come ossa.
Funzioni del Tessuto Osseo
Le funzioni del tessuto osseo sono principalmente meccaniche e riguardano:
- La formazione dell'impalcatura del corpo umano.
- La protezione degli organi interni.
- La presenza di cavità che contengono il midollo osseo.
- La creazione di inserzioni per muscoli e tendini.
Composizione Ossea
La composizione ossea comprende due distinte parti: le cellule del tessuto osseo (osteoblasti, osteoclasti ed osteociti) e la matrice extracellulare.
Matrice Extracellulare
La matrice extracellulare (MEC) o ECM (Extracellular matrix), come più comunemente viene definita nell'ambito scientifico internazionale, rappresenta la più complessa unità di organizzazione strutturale dei tessuti degli organismi viventi. I tessuti, infatti, non sono costituiti solo da cellule: una parte rilevante del loro volume è formata dallo spazio extracellulare, occupato da un'intricata rete di macromolecole, la cui organizzazione tridimensionale rappresenta appunto l'ECM.
Se fino a qualche tempo fa si pensava che l'ECM servisse principalmente da impalcatura relativamente inerte in grado di stabilizzare la struttura fisica dei tessuti, è ormai ampiamente dimostrato che l'ECM rappresenta il substrato su cui tutte le cellule dei tessuti possono aderire, migrare, proliferare e differenziare, e che ne influenza inoltre la sopravvivenza, la forma e la funzione.
Leggi anche: Infiammazione e PCR: la connessione
Sebbene l'ECM sia presente strutturalmente e funzionalmente in tutte le componenti tessutali che costituiscono un organo, quali epiteli, vasi, muscoli, nervi e connettivo, è proprio in quest'ultimo, dove è anche definita 'sostanza fondamentale', che essa è più abbondante delle cellule, tanto da determinare le proprietà dell'organo stesso. L'ECM non solo si presenta come sostanza extracellulare, ma è anche organizzata in strutture specializzate come le lamine basali (LB). Esse si trovano alla base di tutti gli epiteli e gli endoteli e circondano anche singole cellule muscolari, gli adipociti e le cellule di Schwann, che avvolgono gli assoni neuronali formando la mielina. Le LB giocano anche un ruolo importante nella rigenerazione dei tessuti dopo un danno.
L'ECM (Extracellular matrix) è composta da due principali classi di macromolecole: catene polisaccaridiche appartenenti alla classe dei glicosamminoglicani (GAG) e proteine fibrose (fig. 2). Le prime si trovano solitamente legate alle proteine per formare i proteoglicani, che possono essere ricchi di gruppi solfato (il condroitinsolfato, il dermatansolfato, l'eparansolfato e il cheratansolfato) o privi (l'acido ialuronico). Le seconde comprendono due gruppi: uno con funzione principalmente strutturale (i collageni e l'elastina), e uno con funzioni principalmente adesive (la fibronectina, le laminine, le entactine o nidogeni e la vitronectina). Tutte queste macromolecole sono caratterizzate da grande varietà di forme e di dimensioni.
Le molecole dei glicosamminoglicani e dei proteoglicani formano, nei tessuti connettivi, una sostanza 'fondamentale' gelatinosa e fortemente idratata, in cui sono immerse le proteine fibrose; questo gel di polisaccaridi consente la diffusione di sostanze nutritive, metaboliti e ormoni tra il sangue e le cellule dei tessuti e resiste alle forze compressive esercitate sull'ECM. Le fibre dei collageni rinforzano l'ECM, la organizzano e ne assicurano la resistenza alla trazione, mentre le fibre dell'elastina ne determinano l'elasticità.
Alcuni collageni, interagendo con le laminine, le entactine o nidogeni e i proteoglicani perlecano e agrina, costituiscono le impalcature delle lamine basali, o LB (fig. 3 e fig. 4). Le proteine d'adesione agevolano inoltre la connessione delle cellule tessutali all'ECM stessa e ne influenzano la polarizzazione: la fibronectina, infatti, favorisce il congiungimento dei fibroblasti e di altre cellule con la matrice dei tessuti connettivi, mentre le laminine favoriscono quello delle cellule epiteliali con le LB.
Oltre ai GAG e alle proteine fibrose strutturali e adesive sopra descritte, nell'ECM sono presenti anche altre proteine, definite 'proteine matricellulari'. Esse costituiscono una nuova classe di proteine di secrezione che non hanno funzioni strutturali, ma rivestono il ruolo di adattatori molecolari in quanto interagiscono con le proteine fibrose e adesive dell'ECM, con recettori cellulari o con altre molecole come fattori di crescita, citochine e proteasi. Sebbene diverse tra loro per funzione, le proteine matricellulari hanno in comune la capacità di modulare le interazioni cellula-matrice.
Leggi anche: Valori Alti di PCR: Cosa Significa?
Questa famiglia di proteine adattatrici comprende:
- la SPARC (proteina secreta acida e ricca in cisteina), conosciuta anche come 'osteonectina', che contribuisce al rimodellamento dei tessuti in risposta al danno e funge da inibitore dell'angiogenesi;
- le trombospondine, una famiglia di grandi proteine multifunzionali alcune delle quali, analogamente alla SPARC, inibiscono l'angiogenesi;
- l'osteopontina, che regola la calcificazione ossea ma che agisce anche come promotore della migrazione dei leucociti;
- i membri della famiglia della tenascina, grandi proteine multimeriche coinvolte nella morfogenesi e nella modulazione dell'adesione cellulare;
- le matriline, principalmente espresse nella cartilagine, che partecipano alla formazione delle componenti fibrillari e filamentose dell'ECM;
- le fibuline, che, associate a fibre elastiche, microfibrille di fibronectina, aggregati di proteoglicani e a componenti delle LB, sono coinvolte nello sviluppo embrionale e nell'organizzazione strutturale e funzionale dei tessuti cardiaci, cutanei e oculari;
- le emiline che sono associate alle fibre elastiche come le fibuline e regolano l'elastogenesi e il mantenimento delle strutture vascolari.
Le macromolecole che costituiscono l'ECM sono per lo più secrete localmente dalle cellule presenti nell'ECM: esse ne controllano anche l'organizzazione e l'orientamento. Nella maggior parte dei tessuti connettivi le macromolecole dell'ECM sono prodotte dai fibroblasti.
Gran parte delle macromolecole dell'ECM può stabilire interazioni altamente funzionali con le cellule di un tessuto grazie ai recettori che queste esprimono. Tra questi, i più importanti sono le integrine, in quanto rappresentano la via fondamentale con cui le cellule si legano all'ECM e rispondono ai suoi stimoli.
Le integrine sono proteine eterodimeriche transmembranarie costituite da due subunità associate, indicate con le lettere greche α e β, che presentano entrambe un'estesa porzione extracellulare, un dominio transmembrana e una porzione intracitoplasmatica (fig. 5). Al momento sono state descritte più di 10 differenti catene β (β1, β2, β3, β4, ecc.) e più di 20 diverse subunità α (α1, α2, α3, α4, α5, α6, α7, ecc., con l'eccezione di due, definite αv e αE).
Mentre le catene β hanno la possibilità di unirsi a numerose catene α, queste ultime si associano generalmente a una sola subunità β, a differenza della subunità αv che ha la capacità di legare diverse catene β come le β1, le β3, le α5, le α6, e le α8.
Leggi anche: Scopri Klotho
Le integrine β1, β3, β4 e αv sono 'classicamente' quelle in grado di riconoscere con le loro porzioni extracellulari le proteine dell'ECM. Nell'ambito della famiglia delle integrine β1, le integrine α1β1 e α2β1 sono entrambi recettori delle laminine e dei collageni, mentre l'α3β1 lega, oltre a questi, anche la fibronectina.
L'α5β1 lega esclusivamente la fibronectina, mentre l'α6β1 e l'α7β1 sono i maggiori recettori delle laminine. A differenza di tutte queste integrine, l'α4β1, oltre a legare la fibronectina, è in grado di mediare anche interazioni cellula-cellula avendo la capacità di legare il VCAM-1 (molecola-1 di adesione cellulare vascolare), presente sulle cellule endoteliali attivate da citochine.
Di tutte le integrine β3, l'αvβ3 è un recettore in grado di legare la vitronectina, la fibronectina, le trombospondine e l'osteopontina. L'integrina α6β4 è il maggiore recettore epiteliale delle laminine (fig.
Le integrine assicurano anche le comunicazioni tra l'ECM e l'interno delle cellule, in quanto le porzioni intracitoplasmatiche delle loro subunità α e β interagiscono con proteine del citoscheletro e intracellulari. Le connessioni più rilevanti riguardano le subunità β.
È stato dimostrato che la β1 lega la talina, la vinculina, la tensina e l'α-actinina, la β2 l'α-actinina, la paxillina e la filamina, la β3 l'α-actinina e la paxillina e la β4 proteine intracellulari, come l'HD1, la proteina 1 degli emidesmosomi (HD) nota anche come 'plectina', e il BP230, l'antigene del peso molecolare di 230 kDa del pemfigoide bolloso (BP). Tramite queste interazioni, le subunità β sono in connessione con lo scheletro di actina e di cheratina del citoplasma delle cellule (fig.
Le integrine, quando legano i componenti dell'ECM, sono in grado inoltre di trasmettere segnali biochimici all'interno della cellula che le esprime.
Recentemente è stato identificato un gran numero di mediatori dell'attivazione cellulare indotta dalle integrine: chinasi della famiglia Src (oncogene trasformante del virus del sarcoma di Rous) e della famiglia delle adesioni focali, il cui prototipo è FAK (chinasi delle adesioni focali); serino-treonino-chinasi, come la PKC (proteina-chinasi di tipo C) e le MAPK (proteine-chinasi attivate dai mitogeni); molecole adattatrici; proteine che legano il GTP (guanosina trisfosfato), tra cui quelle appartenenti alla famiglia Ras (oncogene trasformante associato al sarcoma di Ratto); la PLCγ (fosfolipasi Cγ) e la PI3-K (fosfatidilinositolo-3-chinasi); fattori trascrizionali; le cicline A, D ed E e le loro chinasi Cdk (chinasi dipendenti dalle cicline); molecole anti- e proapoptotiche (fig. 7). La loro attivazione regola funzioni cellulari differenti, quali l'adesione, la migrazione, la proliferazione, la differenziazione, l'apoptosi e l'espressione genica.
Le integrine rappresentano pertanto i più importanti adattatori molecolari attraverso i quali l'ECM può modulare le funzioni cellulari. Molteplici sono le evidenze che dimostrano questo e paradigmatici sono gli effetti delle proteine delle ECM sui cheratinociti.
Infatti è stato dimostrato che la proliferazione e la differenziazione dei cheratinociti sono controllate dalle laminine e dalla fibronectina presenti nelle LB dell'epidermide: mentre le laminine, interagendo con l'integrina α6β4, inducono l'attivazione della via di segnalazione di Ras/MAPK e controllano la crescita e la proliferazione dei cheratinociti, la fibronectina, mediante l'integrina α5β1, attivando vie di segnalazione complesse, ne blocca la differenziazione.
I glicosamminoglicani sono catene di polisaccaridi non ramificate composte da unità di disaccaridi ripetute. Sono dette GAG perché uno dei due residui di zucchero nel disaccaride ripetuto è sempre un amminozucchero (N-acetilglucosammina o N-acetilgalattosammina); il secondo zucchero è di solito un acido uronico (glucuronico o iduronico).
In entrambi i residui glicidici sono presenti gruppi solforici o carbossilici che conferiscono ai GAG un'elevata carica negativa. In base ai residui glicidici, al tipo di legame tra i residui e al numero e alla posizione dei gruppi solforici, si distinguono quattro gruppi principali di GAG:
- l'acido ialuronico;
- il condroitinsolfato e il dermatansolfato;
- l'eparansolfato e l'eparina;
- il cheratansolfato.
I GAG tendono ad assumere conformazioni distese, che occupano un volume enorme rispetto alla loro massa, e formano gel anche a concentrazioni molto basse, in quanto a causa dell'elevata densità delle loro cariche negative attraggono una nube di cationi, quali il Na+, che sono osmoticamente attivi, provocando l'afflusso di grandi quantità d'acqua nell'ECM. Infatti, sebbene la quantità di GAG nel tessuto connettivo sia meno del 10% rispetto a quella delle proteine fibrose, la loro capacità di formare gel porosi e idratati fa sì che essi occupino gran parte dell'ECM dei tessuti connettivi, vi permettano la diffusione di molecole idrosolubili e la migrazione cellulare e ne determinino la funzione di supporto meccanico ai vari organi, nonché la resistenza alle forze di compressione.
Lo ialuronano (altrimenti detto 'acido ialuronico' o 'ialuronato') è la molecola più semplice di GAG. Per la sua semplicità strutturale, si ritiene che l'acido ialuronico costituisca la prima forma evolutiva di GAG, ma non lo si può considerare rappresentativo della maggioranza dei GAG.
Tutti gli altri, infatti, contengono zuccheri solfatati, tendono a comprendere un certo numero di unità disaccaridiche differenti e ordinate in sequenze più complesse, possiedono catene molto più corte, e, unendosi alle proteine mediante legami covalenti, formano i proteoglicani. Per di più, mentre gli altri GAG sono sintetizzati all'interno della cellula e rilasciati per esocitosi, l'acido ialuronico viene direttamente liberato dalla superficie cellulare per mezzo dell'azione di un complesso enzimatico localizzato nella membrana plasmatica.
Si ritiene che l'acido ialuronico giochi un ruolo fondamentale nella resistenza dei tessuti e delle articolazioni a forze compressive. Fatta eccezione per l'acido ialuronico, tutti gli altri GAG sono legati a proteine a formare i proteoglicani: i più comuni sono l'eparansolfato, il condroitinsolfato, il dermatansolfato e il cheratansolfato.
Come nella maggior parte delle glicoproteine, la catena proteica centrale di un proteoglicano viene sintetizzata all'interno della cellula sui ribosomi e traslocata nel lume del reticolo endoplasmatico.
Le catene polisaccaridiche vengono successivamente assemblate alla proteina centrale nell'apparato di Golgi, dove molti dei loro residui glicidici sono modificati covalentemente mediante una serie ordinata di reazioni di epimerizzazione e solfatazione. I proteoglicani sono facilmente distinguibili dalle altre glicoproteine in base alla natura, alla quantità e alla disposizione delle loro catene glicidiche laterali: per definizione, almeno una delle catene glicidiche laterali di un proteoglicano deve essere un GAG.
Infatti, l'aggrecano, che è un cheratansolfato-condroitinsolfato proteoglicano ed è il maggior componente dell'ECM della cartilagine, possiede più di 100 catene di GAG, e la decorina, che è un dermatansolfato proteoglicano ed è secreta dai fibroblasti, ha una singola catena di GAG. Data la diversa e complessa struttura dei proteoglicani, sarebbe sorprendente che la loro funzione nell'ECM fosse limitata a fornire uno spazio idratato intorno alle cellule.
Le catene di GAG dei proteoglicani, infatti, possono formare gel caratterizzati da pori di varie dimensioni e da varie densità di cariche elettriche, e quindi funzionare come setacci selettivi che regolano il traffico delle molecole e delle cellule. Si pensa che i proteoglicani giochino inoltre un ruolo essenziale nella trasmissione di segnali chimici tra le cellule.
Lo dimostra il fatto che l'FGF (fattore di crescita dei fibroblasti), che stimola una varietà di cellule a proliferare, si lega alle catene dell'eparansolfato e il TGF-β (fattore di crescita trasformante-β), una citochina che agisce ubiquitariamente, si lega alla decorina.
Alcuni eparansolfati proteoglicani, quali i sindecani, possono...
Matrice Organica
La matrice organica del tessuto osseo è molto simile a quella presente nella cartilagine. La differenza fondamentale risiede nel maggior contenuto di fibre collagene di tipo I nelle ossa rispetto alle cartilagini le quali presentano invece, una percentuale maggiore di proteoglicani.
All'interno delle lamelle ossee, le fibrille di collagene si dispongono ad elica cosicché in ciascun osteone vi sono fibre che decorrono seguendo diverse inclinazioni; alcune con andamento destrorso ed altre con andamento sinistrorso (Fig. 3).
Per quanto concerne le glicoproteine presenti nella matrice organica del tessuto osseo, possiamo menzionare l'Osteopontina e la Sialoproteina Ossea che hanno l'importante funzione di adesione ancorandosi agli Osteoclasti ma anche l'Osteonectina che ha un ruolo nella mineralizzazione delle fibre collagene.
La proteina più abbondante, dopo il collagene, è però rappresentata dalla Osteocalcina. Quest'ultima è sintetizzata dagli Osteoblasti ma non è implicata nei meccanismi di mineralizzazione ossea. L'Osteocalcina possiede infatti, una funzione di regolazione dell'omeostasi del glucosio poiché stimola la proliferazione delle cellule β del pancreas che aumentano la secrezione dell'ormone Insulina il quale a sua volta stimola gli adipociti a produrre Adiponectina, un ormone che aumenta la sensibilità all'Insulina.
L'Osteocalcina può influenzare anche la fertilità maschile poiché è nota la sua ulteriore funzione riguardante la stimolazione delle cellule interstiziali del testicolo e la conseguente secrezione di Testosterone.
Nella composizione del tessuto osseo, la componente cellulare può essere annoverata nella Matrice Organica della quale però, rappresenta solamente il 2%. Sono distinte quattro tipologie di cellule ossee (Fig. 4):
- Preosteoblasti o Cellule Osteoprogenitrici: costituiscono una popolazione di elementi indifferenziati che durante l'accrescimento proliferano fino a divenire Osteoblasti.
- Osteoblasti: si tratta di cellule che partecipano attivamente alla formazione del tessuto osseo andando a secernere le componenti della matrice organica.
- Osteociti: si tratta delle cellule più numerose nell'osso maturo. Sono essenzialmente Osteoblasti rimasti intrappolati nella matrice calcificata all'interno delle lacune ossee.
- Osteoclasti: si tratta di cellule giganti polinucleate che occupano la superficie delle trabecole ossee in via di riassorbimento. Per questa ragione, all'interno del loro citoplasma sono molto presenti mitocondri, lisosomi ed idrolasi acide.
Matrice Inorganica
La matrice inorganica del tessuto osseo è anche denominata matrice minerale in quanto risulta essere formata esclusivamente da carbonato di calcio e cristalli di Idrossiapatite [Ca10(PO4)6(OH)2]. Al microscopio elettronico questi ultimi appaiono come aghi sottili della lunghezza di 20 - 40 nm e risultano distribuiti lungo i fasci di fibre collagene ma anche al loro interno.
Durante la calcificazione ossea si allineano lungo le fibre collagene divenendo i diretti responsabili della durezza delle ossa.
Gli elementi che caratterizzano la matrice inorganica del tessuto osseo sono il Calcio ed il Fosfato.
- Calcio: presente per la maggior parte in ossa e denti; solo l'1% risulta essere extraosseo, presente a livello cellulare nel Citosol o in specifici organelli quali Mitocondri e Reticolo Endoplasmatico. Esso è assorbito dall'intestino tenue attraverso un trasporto transcellulare attivo mediato da un trasportatore che segue il gradiente elettrochimico o paracellulare passivo che sfrutta il gradiente osmotico tra lume intestinale e torrente ematico.
- Fosfato: l'85% si trova a livello di ossa e denti, il 15% nei tessuti molli e lo 0,5% nel sangue. Esso viene è assorbito a livello dell'intestino tenue sotto l'influenza dell'assorbimento del Calcio ma indipendentemente dalle quantità assunte e dalla regolazione ormonale. Il suo riassorbimento e la sua escrezione sono prevalentemente controllati dai reni e dalle vie urinarie piuttosto che dal tratto terminale dell'intestino.
Le principali molecole ormonali che regolano l'omeostasi di Calcio e Fosfato sono la Calcitonina che ne diminuisce le concentrazioni; la vitamina D3 in forma attiva e il Paratormone (PTH) che ne aumenta le concentrazioni.
Ruolo dell'Osteocalcina
Osteocalcina, nota anche come Gla-proteina ossea (BGP), è una proteina non collagenosa della matrice ossea. L'osteocalcina è composta da una catena polipeptidica di circa 49 aminoacidi. La sua caratteristica più distintiva è la presenza di tre residui di acido γ-carbossiglutammico (Gla), formati tramite la carbossilazione specifica della vitamina K. L'osteocalcina svolge un ruolo cruciale nel processo di mineralizzazione dell'osso. Essa si lega agli ioni calcio e ai cristalli di idrossiapatite, stabilizzando e promuovendo la formazione del tessuto osseo mineralizzato.
Studi recenti hanno evidenziato che l'osteocalcina non si limita al metabolismo osseo, ma ha anche effetti sistemici significativi. L'osteocalcina sembra influenzare il metabolismo glucidico e lipidico. I livelli di osteocalcina nel sangue possono fornire importanti indicazioni sullo stato di turnover osseo. Valori elevati di osteocalcina nel sangue possono indicare una maggiore formazione ossea e possono essere osservati in condizioni come l’osteoporosi e la malattia ossea di Paget. Gli individui affetti da osteoporosi beneficiano del monitoraggio dei livelli di osteocalcina per valutare l'efficacia delle terapie in corso. L’apatia crescente verso il ruolo dell’osteocalcina nel metabolismo sistemico ha aperto nuovi orizzonti per possibili trattamenti.
L'osteocalcina è una proteina multifunzionale con un ruolo essenziale nel mantenimento della salute ossea e con rilevanti funzioni sistemiche emergenti nel metabolismo glucidico e lipidico. La comprensione e il monitoraggio dei suoi livelli possono fornire informazioni critiche per una vasta gamma di popolazioni, inclusi pazienti con malattie ossee, atleti e individui con malattie metaboliche.
Composizione della matrice ossea
All'interno del tessuto osseo e della stessa matrice extracellulare possiamo riconoscere componenti organiche (30-35%) ed extraorganiche (65-70%). Tra le componenti organiche ricordiamo, oltre al collagene, i proteoglicani, alcune proteine non collageniche, le citochine ed i fattori di crescita. L'elemento più abbondante è il collagene di tipo I, che si organizza in fibre, che fungono da supporto (matrice) per la sedimentazione di sali durante il processo di mineralizzazione. La presenza di minerali, come pure l'abbondanza e la particolare distribuzione delle fibre di collagene, conferisce all'osso spiccate proprietà meccaniche di durezza e di resistenza alla pressione, alla trazione e alla torsione.
Tabella riassuntiva della composizione della matrice ossea
| Componente | Percentuale | Esempi |
|---|---|---|
| Componenti organiche | 30-35% | Collagene di tipo I, proteoglicani, proteine non collageniche, citochine, fattori di crescita |
| Componenti inorganiche | 65-70% | Carbonato di calcio, cristalli di Idrossiapatite [Ca10(PO4)6(OH)2] |