Ossificazione Membranosa e Ossificazione Endocondrale

L’istogenesi studia il modo con cui si forma il tessuto, mentre l’organogenesi studia come si forma l’osso come organo, quindi ci chiediamo come si arriva alla costituzione di un trabecolato di spugnosa e poi dell’osso compatto?

Iniziamo ora l’istogenesi dell’osso: esistono due modalità di derivazione del tessuto osseo, un ossificazione diretta o membranosa o intramembranosa, e l’ossificazione indiretta o endocondrale.

 

Ossificazione membranosa

L’ossificazione membranosa parte dal tessuto mesenchimale, nel quale ad un certo punto si forma un addensamento di tessuto fibroso, poi in seno a questo tessuto compaiono, accanto ai fibroblasti, degli osteoblasti, che non differiscono molto dai fibroblasti, infatti sono entrambe cellule fibrillogenetiche, solo che gli osteoblasti producono solo fibre collagene e poi una matrice nella quale precipitano i sali minerali.

A questo punto una volta che si è formato il centro di ossificazione, l’osso non si diffonde a macchia d’olio spingendo via i vasi, in quanto se fosse così avremmo un osso senza vasi, ma si verifica un particolare meccanismo che ingloba i vasi.
Entrando più nel dettaglio abbiamo che nel mesenchima, dove procede l’abbozzo osseo, ci sono i vasi sanguigni e l’osso si accresce, attraverso la formazione di colate ossee, attorno ai vasi, creando delle docce che poi si chiudono racchiudendo al proprio interno i vasi. In questo modo l’osso è riccamente vascolarizzato. Inoltre se consideriamo quello che succede attorno alla diafisi dell’osso, vediamo che parte il nucleo di ossificazione pericondrale (termine da non confondere con endocondrale in quanto endo- significa dentro, mentre peri- significa attorno), che è un’ossificazione membranosa in quanto nel pericondrio e nel tessuto connettivo che circonda l’abbozzo partono delle colate, delle creste di osso che, come nella volta cranica, poi finiscono per inglobare i vasi, e questo fenomeno (di accerchiamento dei vasi e formazione di cordoni di osteoblasti attorno ad essi) è chiamato osteogenesi statica.
Esiste però anche un’osteogenesi dinamica, durante la quale gli osteoblasti, che sono polarizzati in una direzione, rilasciano matrice ossea lungo una direzione, spostandosi in direzione opposta e formando delle lamine pseudo-epiteliali, che si appoggiano a una superficie ossea pre-esistente. Bisogna inoltre osservare che alcuni di questi osteoblasti rimangono però avvolti dalla matrice ossea e si trasformano in osteociti. Dunque, questa osteogenesi è stata definita dinamica perché ci sono degli osteoblasti che si spostano.

Invece cosa succede nell’osteogenesi statica?

Nell’ossificazione membranosa, nel tessuto fibroso della volta cranica, ma anche alla periferia delle ossa lunghe, non c’è nessun supporto dove gli osteoblasti possano appoggiarsi, perciò deve crearsi per forza un supporto su cui gli osteoblasti classici, dinamici, possano appoggiarsi. Entrando più nel dettaglio abbiamo che a una certa distanza da questi vasi, presenti nella membrana fibrosa, si differenziano per effetto di segnali provenienti probabilmente dalle citochine o da fattori della crescita prodotti dall’endotelio dei vasi, dei cordoni di osteoblasti (non lamine), che orientati tutti in modo diverso non si spostano, ma rimangono lì e nel punto in cui si sono differenziati, si trasformano in osteociti. Ecco perché si parla di ossificazione statica.

In questo modo viene formata una trabecola di osso a fibre intrecciate, piena di cellule, e quindi di buchi, e poco resistente ma comunque di supporto dal punto di vista meccanico, difatti tale supporto è indispensabile perché poi, su questo traliccio di osso, compaiono le lamine tipiche degli osteoblasti e parte l’osteogenesi dinamica. Questo fenomeno avviene sempre in un’ossificazione dove prima non c’è un supporto. Invece nell’ossificazione endocondrale questo non accade perché c’è il residuo di cartilagine calcificata che fa da piatto di supporto su cui si dispongono gli osteoblasti. Quindi in generale possiamo dire che il primo osso che si forma è sempre di tipo spugnoso, poi viene semmai compattato (sui tralicci gli osteoblasti chiudono i buchi e formano le lamelle costituendo gli osteoni primari) se deve esserlo (ad esempio la diafisi), oppure rimane spugnoso. Poi esternamente all’osso neoformato si colloca il periostio.

In sintesi nell’ossificazione membranosa abbiamo un mesenchima in cui compare un nucleo di ossificazione e molti vasi, attorno ai quali nascono i cordoni di osteoblasti che non si muovono e quindi si trasformano in osteociti. In particolare gli osteolasti in questione sono statici e l’osso che si forma è un osso a fibre intrecciate pieno di buchi, di cattiva (qualità meccanica), sul quale compare l’osso lamellare (deposto in lamine di osteoblasti). Lo scopo di tutto questo è di creare in un abbozzo che funga da primo supporto su cui poi si depone l’osso buono.

A questo punto dobbiamo osservare che tutto questo avviene anche nelle riparazioni di fratture (tranne alcuni casi in cui compare della cartilagine), che avvengono andando dall’endostio al periostio, quindi dall’interno verso l’esterno. In particolare abbiamo che prima si forma tessuto fibroso, poi cordoni di osteoblasti, poi travate di osso. Quindi anche nelle riparazioni abbiamo un primo stadio di formazione di cordoni di osteoblasti statici e successivamente la trasformazione in osteociti e la comparsa delle lamine tipiche dell’ossificazione dinamica.

Infine bisogna osservare che il primo osso di origine statica, si forma anche indipendentemente dalle sollecitazioni meccaniche. Infatti normalmente si aggiunge nuovo osso su un segmento osseo che viene particolarmente sollecitato meccanicamente, ma nel primo stadio di produzione ossea si deve tutto a fenomeni induttivi di quelle citochine prodotte dall’endotelio dei vasi. Quindi in caso di frattura, l’ortopedico non consiglia di caricare da subito l’arto perché c’è il rischio che si rompa, ma consiglia un periodo di riposo, perchè anche se l’arto è parzialmente scaricato, l’osteogenesi parte lo stesso. Poi una volta comparsi gli osteociti delle trabecole statiche, che risentono delle sollecitazioni meccaniche, ecco che compaiono gli osteoni.


Quindi questo osso, dotato di lamine di osteoblasti attorno, risente delle deformazioni meccaniche per mezzo degli osteociti, che in questo modo guidano l’attività e la disposizione di queste lamine di osteoblasti per produrre nuovo osso. Bisogna poi osservare che anche dopo l’inserzione di protesi, il carico meccanico dato subito è sbagliato (tranne in alcuni casi specifici), difatti prima si deve aspettare la formazione di osso più resistente, e questo perché se si carica il primo osso statico poco resistente, in quanto è solo un supporto, esso si rompe. Poi quando compare l’altro osso, è il momento di dare il carico perché le sollecitazioni meccaniche accelerano le riparazioni ossee che appongono nuovo osso, così anche nell’osteoporosi.

L’ossificazione membranosa era stata anche definita erroneamente diretta perché si pensava che gli osteoblasti, differenziatisi in questi nuclei di ossificazione, producessero matrice preossea e che il collagene pre-esistente rimanesse e venisse mineralizzato anche lui. Ma ciò non avviene, infatti non avviene la trasformazione diretta di tessuto fibroso in tessuto osseo, perchè ossifica solo la matrice prodotta dagli osteoblasti dei cordoni, mentre quello che ci sta attorno scompare, perchè viene portato via dai macrofagi.

 

Ossificazione endocondrale

Per quanto riguarda l’ossificazione endocondrale, per prima cosa dobbiamo osservare che anni fa l’ossificazione condrale o indiretta veniva distinta in endocondrale e pericondrale, ma questo è assolutamente sbagliato e questo perché l’ossificazione pericondrale non ha a che fare con la cartilagine, ma è un’ossificazione membranosa. Di conseguenza oggi parliamo di ossificazione membranosa e di ossificazione endocondrale.

Ma come avviene l’ossificazione endocondrale?

In particolare abbiamo che dal mesenchima addensato, che è il presupposto per entrambe le ossificazioni, si formano dei modelli di cartilagine che ricordano molto grossolanamente la forma del futuro osso, difatti fino al 4° mese di vita fetale lo scheletro è esclusivamente cartilagineo oppure fibroso.
Poi a partire dal 4° mese compare l’ossificazione endocondrale, che si verifica all’interno, e non attorno. Si è infatti osservato che in un modello di cartilagine, che si è formato a spese del tessuto mesenchimale, si differenzia della cartilagine ialina che poi si ipertrofizza (per un tentativo della cartilagine di fare quello che fa l’osso, infatti passando da un ambiente acquatico ad un ambiente aerifero la cartilagine ialina non è abbastanza resistente e rigida, quindi si mineralizza), producendo delle vescicole, che poi escono dal citoplasma e sulle quali poi precipitano i cristalli minerali.
E ciò avviene perché ogni cellula ha la pompa per il calcio, grazie alla quale pompa fuori il calcio in eccesso affinché non mineralizzi dentro, quindi le vescicole, una volta estruse, hanno la loro pompetta del calcio fino a quando sopravvivono. Successivamente (in un lasso di tempo molto breve), la pompa del calcio cessa di funzionare e quindi il calcio precipita dentro queste vescicole formando i primi nuclei cristallini, che si accrescono grazie all’aggregazione di ioni circolanti che diventano atomi attaccandosi ai cristalli.
Abbiamo quindi il processo di calcificazione, preceduto da ipertrofia e tale fenomeno è un fenomeno chimico-fisico di attrazione. Poi dopo la calcificazione, che si rivela un fallimento in quanto le cellule cartilaginee muoiono, ad opera di lisosomi liberati dalle cellule, avvengono dei fenomeni di condrolisi.
Inoltre arrivano i macrofagi e i condroclasti che erodono parte di questa cartilagine calcificata lasciandone come residuo un traliccio senza cellule, sul quale si appongono gli osteoblasti, che questa volta hanno un supporto dove appoggiarsi. Di conseguenza non compaiono i cordoni e non c’è l’osteogenesi statica, difatti gli osteoblasti cominciano subito a deporre il loro osso attorno a questo residuo di cartilagine, spostandosi in direzione opposta.

Quindi le tappe dell’ossificazione endocondrale sono una moltiplicazione cellulare cartilaginea, seguita da una loro ipertrofia e da una calcificazione del tessuto, segue una condrolisi cellulare e la formazione di trabecole osteocartilaginee (perché al centro c’è la cartilagine e attorno c’è l’osso).

 

Osserviamo ora le tappe dell’organogenesi vera e propria dell’osso: per prima cosa dobbiamo osservare che il primo stadio è l’abbozzo cartilagineo che avviene per accrescimento apposizionale e per accrescimento interstiziale, e questo perché la cartilagine, può accrescersi sia per moltiplicazione di cellule cartilaginee all’interno, sia per apposizione di cartilagine sul pericondrio (è quindi molto veloce come accrescimento), poi verso il 4° mese di vita fetale nel pericondrio dell’abbozzo cartilagineo compare il primo nucleo di ossificazione pericondrale, difatti in sezione trasversale si vede un anello di osso che si sta formando attorno all’abbozzo stesso, tramite un’ossificazione pericondrale che, come già detto, è di tipo membranosa. Successivamente, in corrispondenza dell’anello pericondrale, ma internamente, al centro della diafisi, compare il primo nucleo di ossificazione primaria (i nuclei di ossificazione primaria ci sono soltanto durante la vita fetale), e quindi avviene ciò che è stato già detto: abbiamo un ipertrofia a cui segue una calcificazione, si ha la morte delle cellule, abbiamo una condrolisi e la formazione della trabecola osteocartilaginea.
Contemporaneamente si viene a formare un foro e questo perché non basta che le cellule cartilaginee si ipertrofizzino e calcifichino, infatti bisogna portare dentro al nucleo gli osteoclasti, che dovranno ripulire, mangiando i setti che stanno tra una cellula e l’altra della stessa filiera perché sono sottili, e tra una colonna e l’altra, cioè quelli longitudinali, che sono più grossi (in questo modo scavano dei tubi), i macrofagi, gli osteoblasti che dovranno produrre il nuovo osso, ma anche i precursori delle cellule del midollo rosso, cioè il tessuto emopoietico, che, a partire dal 4° mese di vita fetale dal fegato e dalla milza, dove troviamo le prime zone di ematopoiesi, dovrà entra nelle ossa dove resterà per tutta la vita. Per di più da questo foro entra anche l’arteria nutritizia che è una delle maggiori arterie perforanti.

Inoltre alla nascita, contemporaneamente all’ossificazione endocondrale che avviene al centro della diafisi, compaiono dapprima in un’epifisi, poi nell’altra, i nuclei epifisari, che sono considerati nuclei secondari di accrescimento, nei quali penetrano dei vasi perché, nonostante la cartilagine sia in linea generale non vascolarizzata, durante l’accrescimento si formano dei canali vascolari anche al suo interno. Per di più nel momento in cui compaiono questi nuclei epifisari, nei quali troviamo cartilagine in proliferazione, si forma anche la cartilagine metafisaria che è anche considerata una sincondrosi a funzione esclusivamente accrescitiva.
Quindi a questo punto abbiamo due abbozzi cartilaginei alle estremità, che servono ad accrescere l’osso in lunghezza e ad ingrossare le epifisi, un nucleo di ossificazione endocondrale, al centro dove viene scavato il canale midollare, e un nucleo pericondrale, che continua per conto suo ad ingrossare l’osso.
In questo modo vengono ripartiti i compiti, difatti mentre la cartilagine metafisaria prossimale e la cartilagine metafisaria distale servono ad accrescere in lunghezza l’osso lungo, e la canna diafisaria, il nucleo di ossificazione pericondrale membranosa serve per l’accrescimento in larghezza.
Invece i nuclei di ossificazione epifisari secondari servono ad accrescere le epifisi, che sono ossa brevi, a spese della cartilagine che li avvolge e che è il precursore della cartilagine articolare, ma funziona già da cartilagine articolare nonostante sia più estesa in questo stadio (al termine dell’accrescimento si riduce soltanto alla superficie di scorrimento dell’articolazione).

Infine al termine dell’accrescimento le cartilagini metafisarie scompaiono (prima disposte verso la diafisi con uno strato di cellule a riposo, poi che si allinenano in travate e vanno incontro ad ipertrofizzazione, per poi andare incontro alla morte), l’osso diafisario si unisce con l’osso epifisario, formando un osso unico (da tre che erano, o quattro, se ci sono più nuclei) e, sulla superficie articolare, la cartilagine epifisaria, che serviva all’accrescimento, si blocca diventando cartilagine articolare, nella quale si ritrovano tutti gli stadi dell’ossificazione endocondrale surgelati per tutta la vita, a testimonianza del fatto che è stato un centro di ossificazione endocondrale. Essa quindi si presenta con i suoi strati: ovvero tangrnzialmente alla superficie ossea, poi ad archi ed infine un superfiice radiale (di cui fa parte lo stato calcificato, quello che precede l’ossificazione), cui segue l’osso sottostante.

Bisogna infine osservare che nella zona in cui si forma il canale midollare, le trabecole ossee vengono portate via, e ciò comporta un enorme spreco di lavoro (ipertrofia, calcificazione e poi distruzione). Invece alla periferia, dove c’è anche il nucleo pericondrale, queste trabecole osteocartilaginee periferiche si attaccano al nucleo di ossificazione pericondrale e lì persistono concorrendo dall’interno a formare l’osso.

La cartilagine metafisaria, che è una sincondrosi asimmetrica perché l’accrescimento avviene da un versante solo, mentre nella base cranica, tra sfenoide e occipitale, c’è una lamina di cartilagine dove l’ossificazione è simmetrica.

Esistono delle tabelle mediche sulla comparsa dei nuclei di ossificazione nelle varie ossa. Esse sono utili per studiare i casi di rachitismo o ritardi dell’accrescimento, cioè un ritardo nella comparsa dei nuclei di ossificazione.

Quando l’osteoclasta scava fra le cellule, forma un tunnel circolare, infatti inizialmente abbiamo dei tunnel di cartilagine calcificata svuotati dagli osteoclasti e che in sezione appaiono come stalattiti ma in realtà sono dei tubi, successivamente dentro questi tubi si appongono gli osteoblasti costituendo osso compatto.