Struttura delle Ossa

Le architetture delle ossa, che riguardano la disposizione della struttura ossea nello spazio, sono molto importanti dal punto di vista clinico: si parla di osso compatto o corticale ed osso spugnoso o trabecolare. La parte in cui la densità dell’osso è più elevata è rappresentata da un’architettura compatta mentre la parte piena di trabecole è rappresentata da un’architettura ossea spugnosa.

Qui non si parla di tessuto osseo compatto o di tessuto osseo spugnoso, ma di architetture ossee, infatti ogni trabecola di architettura spugnosa può essere costituita da diversi tessuti ossei.
Queste architetture si trovano ovunque, in tutte le ossa, e dal punto di vista metabolico l’osso spugnoso è sempre più attivo dell’osso compatto, lavorando infatti sulle superfici spugnose gli osteoclasti hanno una maggiore superficie d’attacco.

Nelle ossa lunghe la canna è formato da un’architettura compatta, mentre procedendo verso le due estremità diafisarie l’osso compatto piano piano si assottiglia, mentre all’interno della cavità trabecolare a livello della diafisi si ha internamente un’architettura spugnosa a maglie larghe, poi   procedendo verso le diafisi si ha un’architettura a maglie più strette. L’osso compatto si riduce a livello dell’epifisi ad uno strato sottilissimo, la massa interna è infatti tutta spugnosa. Dentro le cavità della struttura spugnosa è contenuto midollo rosso, anche nell’osso adulto, mentre nelle cavità trabecolari della diafisi compare midollo giallo.

Le ossa brevi hanno un’architettura identica delle estemità delle ossa lunghe, presentano una buccia sottile di architettura compatta con dentro un traliccio spugnoso. La struttura delle epifisi delle ossa lunghe possiamo infatti considerarla come analoga alla struttura delle ossa brevi, che hanno infatti la stessa attività metabolica.

Le ossa piatte, ad esempio a livello dello sterno, sono caratterizzate da un traliccio di spugnosa con una compatta molto sottile che le delimita, mentre nelle ossa della volta cranica hanno un’architettura un pò diversa: abbiamo all’esterno ed all’interno della struttura uno strato compatto che prende il nome di lamina interna e lamina esterna, mentre lo strato di spugnosa interno è chiamato diploe.

 

All’interno dell’architettura spugnosa possiamo distinguere una spugnosa di tipo laminare, che rappresenta la parte più slargata, in cui sono presenti sottili laminette, mentre la parte di spugnosa un pò più densa, in cui riconosciamo strutture tubulari è detta spugnosa tubulare. All’interno della zona corticale possiamo riconoscere diversi fori, rappresentanti i canali haversiani.
Tra la spugnosa e la compatta c’è un graduale passaggio, le strutture sono in continuità tra loro, inoltre a livello di questa zona è possibile che lo strato spongioso si compatti o che lo strato compatto diventi più simile ad un’architettura di tipo spongioso.

Con questi cambiamenti è difficile determinare i confini tra un architettura spugnosa ed un architettura compatta, per determinare meglio l’architettura delle ossa facciamo riferimento al loro livello di densità ossea, che ha un livello medio di porosità del 30 %, che corrisponde a 60 cm²/cm³.
Al di sopra di questo livello, con una porosità che va dal 50 al 90 % si ha una struttura trabecolare (aumenta la quantità di superficie nel volume unitario, maggiore infatti è la superficie di lavoro su cui operano gli osteoclasti) mentre con una porosità tra il 10 ed il 20 % si ha una struttura corticale.

Se prendiamo un pezzetto di struttura compatta, vediamo come siano presenti numerose strutture ad osteoni, con osteoni primari (di prima deposizione) ed osteoni secondari (di seconda deposizione), quest’ultimi delimitati da una linea basofila ricca di glicoproteine e proteoglicani che segna il limite dell’erosione della struttura osteonica, prima che avvenga la fomazione di un nuovo osteone. Sono presenti canali haversiani longitudinali alla struttura ossea, canali di volkmann che invece sono trasversali ai canali haversiani, mentre i buchini che vediamo tra le lamelle osteoniche concentriche sono le lacune osteocitarie, da cui dipartono numerosi canalicoli ossei, in cui erano presenti i prolungamenti osteocitari. Dunque anche nella struttura compatta di un osso esistono numerosissime fratture, non solo nell’architettura spugnosa dove sono più evidenti.

All’esterno delle ossa possiamo vedere delle sporgenze, delle bozze, delle protuberanze, delle tuberosità, dei tubercoli, delle spine, delle creste, delle linee (date da inserzioni di muscoli), si possono vedere cavità, articolari e non articolari, che possono essere d’ingrandimento come i seni paranasali che sono importanti per la loro funzione da cassa di risonanza della voce, poi si possono vedere delle impronte, dei solchi, delle docce, dei fori nutritizi, che possono essere di 1, 2 o 3 ordine, in cui possono passare arterie, arteriole o venule e capillari, oppure possiamo vedere dei fori di transito dove passano ad esempio vasi sanguigni che non portano nutrimento alla struttura ossea.

 

Il Periostio

Per poter osservare tutto ciò bisogna però togliere una membrana che ricopre l’osso, chiamata periostio, tutta la superficie esterna è infatti avvolta da questa lamina fibrosa.

Questa lamina manca sulle superfici articolari che sono rivestiti da cartilagine articolare, un tipo di cartilagine ialina, ed anche dove s’inseriscono i tendini. In queste inserzioni dette “tendinee” alcuni muscoli s’inseriscono con un tendine che s’inserisce in un punto preciso dell’osso, dove manca il periostio e l’osso ingloba il tendine ancorandolo saldamente alla sua struttura, ed il periostio si continua con la guaina del tendine, mentre un altro tipo d’inserzione, l’inserzione carnea, prevede che sia la carne del muscolo e non il tendine che s’inserisce nella struttura ossea, se osserviamo al microscopio i punti d’inserzione vediamo tendini microscopici che s’inseriscono direttamente sul periostio. Questa lamina fibrosa manca anche dove sono presenti i fori nutritizi ed i fori di transito.

Del periostio definiamo uno strato esterno, fibroso, particolarmente ricco di collagene, che forma una struttura tangenziale alla superficie dell’osso, in cui sono presenti poche cellule e c’è poca vascolarizzazione, mentre grosse reti di arteriole e venule sono presenti nello strato profondo del periostio perchè a contatto con l’osso alimentano i vasi sanguigni che entrano nella struttura ossea. Lo strato profondo è un tessuto lasso pieno di cellule, anche staminali (rappresentano i precursori delle cellule che si attaccano sulla superficie dell’osso), ed è ricco di capillari sanguigni, alimentato dalle arteriole dello strato esterno e comunicante con i vasi dell’osso. Vi sono tre diversi tipi di cellule nello strato di cellule attaccate all’osso, chiamato strato cambiale: sono presenti cellule piatte o di rivestimento a livello delle superfici inattive dell’osso, osteoblasti che appongono matrice preossea o osteoclasti che liberano ioni fosfato e ioni calcio a livello della struttura ossea.

In corrispondenza delle articolazioni lo strato fibroso esterno del periostio si continua con la capsula articolare, avente una struttura simile, mentre lo strato profondo continua a rivestire l’osso fino alla cartilagine, ha infatti bisogno dello strato cambiale anche quest’ultimo pezzo di osso.

Nello strato esterno si ha un decorso prevalentemente poligonale dei capillari, mentre nello strato interno si ha un decorso prevalentemente longitudinale, infatti quando gli osteoblasti fanno accrescere l’osso, la struttura ossea ingloba i vasi del periostio in docce, in modo che possano così partecipare alla struttura ossea. Esiste una fitta rete comunicante di vasi nel periostio, soprattutto nello strato profondo, che sono inglobati anche dentro l’osso e comunicano tra loro: i vasi dell’osso hanno prevalentemente un decorso longitudinale perchè viene mantenuto il decorso dello strato profondo del periostio. Il fatto che l’osso si accresca in lunghezza fa sì che vengano esercitate forze di trazione sullo strato del periostio che fa decorrere longitudinalmente i vasi presenti a livello del periostio.

Le funzioni del periostio sono diverse: a livello dello strato esterno abbiamo una funzione prettamente meccanica, in grado di aumentare la resistenza dell’osso alle sollecitazioni di trazione o di torsione, ma non di compressione, perchè in questo caso sono presenti solo fibre collagene. Questo strato fornisce anche l’attacco alle inserzioni muscolari carnee. Lo strato interno del periostio possiede fibre nervose sensitive somatiche provenienti dai gangli sensitivi, nocicettive, cioè sensibili al dolore, sembra infatti che solo il periostio dia sensazioni di dolore, inoltre ha un’importante funzione nutritiva della struttura ossea. Lo strato cambiale è molto importante per quei fenomeni di accrescimento, modellamento (cambiamento della struttura ossea) e rimodellamento (la forma dell’osso rimane la stessa, si ha un rinnovamento della struttura).

 

L’endostio

Rappresenta una superficie che riveste le cavità interne delle superifici ossee, in particolare riveste la cavità midollare, i canali haversiani e le trabecole ossee. Assomiglia molto allo strato cambiale che riveste esternamente l’osso, infatti può essere costituito da uno strato di cellule che possono essere cellule di rivestimento se ci troviamo su superfici inattive dell’osso, osteoblasti se ci troviamo su superfici in accrescimento e osteoclasti se ci troviamo su superfici in via di modellamento. Alcuni autori sostengono anche che lo strato continuo di cellule media lo scambio di liquido tra l’esterno e l’interno dell’osso, inoltre può anche non essere sempre presente, può esserci anche solamente uno strato di connettivo per quanto riguarda l’endostio. Per quanto riguarda le sue funzioni, ha le stesse funzioni dello strato cambiale, senza svolgere ruoli importanti per quanto riguarda il sostegno meccanico.

 

Significato meccanico delle architetture ossee

Fa riferimento alla macroscopica dell’osso, non alle sue strutture microscopiche, ogni trabecola ossea può infatti essere costituita da diversi tipi di tessuto osseo.
Diversi bioingegneri studiarono che, oltre ad una componente genetica che influisce in maniera relativa, la struttura dei tralicci portanti a livello delle stesse strutture ossee, indipendentemente dal sesso, si ripeteva in modo piuttosto regolare e costante in tutti i soggetti.
Essi hanno dunque ipotizzato l’esistenza di grossi tragitti di trabecole, uniti poi a loro volta da piccoli “tralicci” che li stabilizzano, ad esempio alla struttura del femore destro hanno teorizzato l’esistenza di diverse strutture portanti, tra cui il fascio trocanterico che parte dalla zona corticale mediale per arrivare al grande trocantere, il fascio cefalico parte sempre dalla corticale mediale per arrivare alla testa del femore, mentre il fascio arciforme parte dalla zona corticale laterale del femore per arrivare fino alla testa.
Questa disposizione di questi tragitti principali è costante negli individui, mentre tra i tre fasci possiamo notare un piccolo triangolo in cui non sono presenti tiranti ed è chiamato triangolo di ward. Dato che il peso del corpo arriva sulla testa del femore e la zona di ward non ha trabecole, questa zona è sensibile a fratture, la maggior parte delle fratture arriva infatti a livello di questo triangolo.

Questi bioingegneri hanno utilizzato dei sofisticati modelli per cercare di capire se la disposizione delle trabecole sulle strutture ossee rispondevano ad esigenze meccaniche: in particolare hanno visto che le ossa lunghe come il femore erano soggette a forze di compressione e di flessione nel momento in cui erano soggette a forze di compressione, se fossero state ritte avrebbero subito solamente forze di compressione, in questi casi si parla invece di pressoflessione: dalla parte convessa dell’osso prevalgono le forze di trazione, mentre dalla parte concava prevalgono le forze di compressione, e sono massime sulla superficie.
Queste forze però si riducono d’intensità raggiungendo il centro della struttura, annullandosi a vicenda, andando a formare l’asse neutro di carica. Ecco perchè all’interno dell’osso c’è una cavità in cui è contenuto il midollo, le strutture ossee infatti a parità di volume con un cilindro di materiale della stessa forma pesano di meno in quanto sono cave all’interno, ma mantengono la stessa resistenza, è inutile infatti mantenere materiale per il nostro corpo dove non serve.
Possiamo immaginare una situazione ipotetica in cui togliamo materiale all’interno di una struttura cilindroide per andarla a mettere all’esterno, per ottenere una struttura più grande ma più leggera a parità di volume con una struttura piena internamente, ed allo stesso tempo è ugualmente resistente.

La maggiore densità delle linee trabecolari indica delle sollecitazioni maggiori sulla superficie ossea, dove si forma infatti l’osso compatto c’è una concentrazione di linee di forza maggiori, c’è bisogno di una maggiore resistenza alle forze di sollecitazione, mentre esistono sistemi ad incrocio givale alle estremità dell’osso lungo, dove è presente architettura spugnosa, che è la disposizione principale delle linee di forza per la zona trabecolare di spugnosa.
In questa zona il trabecolato di spugnosa segue precise leggi meccaniche, con le trabecole principali orientate secondo le principali linee di forza e sempre legate da trabecole più piccole, di congiunzione, che vengono anche erose prima di quelle portanti nei processi di erosione per la liberazione di calcio.
Ad esempio nel corpo della vertebra le trabecole portanti sono orientate verticalmente al corpo vertebrale, mentre le trabecole di congiunzione sono perpendicolari ad esse, e sono le prime che vengono erose nei processi metabolici dell’osso.

Ma queste strutture sono stabili o dinamiche alle sollecitazioni? In base a diverse osservazioni si è visto che queste strutture sono in grado di cambiare, in particolare uno studioso tedesco ha studiato un caso di anchilosi (limitazione motoria di un’articolazione), in cui ha osservato che in un cadavere che aveva subito un grosso trauma il femore e la tibia si erano uniti, con i tralicci di spugnosa che avevano modificato la loro conformazione, con due sistemi ad arco givale, uno nella tibia ed uno nel femore, e due tragitti verticali davanti e dietro alla struttura.
Successivamente è stato confermato da un modello di anchilosi di pauwels, che attraverso lo studio delle linee di forza con modelli sperimentali più avanzati ha verificato quest’ipotesi.
Tutto ciò ha confermato l’idea che si possa parlare di omeostasi scheletrica, ovvero del cambiamento delle linee di forza che sono presenti sulla struttura scheletrica in base alle forze che vengono esercitate dalle modificazioni attuali, ovvero in un certo momento dell’esistenza.

La prima importante teoria sull’omeostasi scheletrica fu la legge di wolff enunciata nel 1870: essa ci dice che ogni mutamento di forma e funzione dell’osso o solamente della sua funzione comporta alcune definite variazioni sia della sua architettura interna sia della sua conformazione esterna, secondo leggi matematiche, che però wolff non riuscì a dimostrare.

 

Vascolarizzazione

Per quanto riguarda la vascolarizzazione della struttura ossea, diciamo fin da subito che l’osso compatto, ovunque si trovi, è sempre vascolarizzato nello stesso modo, così come l’osso spugnoso.

Secondo un’antica concezione, a livello delle ossa lunghe una o due arterie nutritizie passano attraverso il periostio, attraversano lo strato dell’osso compatto senza dare collaterali, poi una volta entate nel midollo si divide in due rami che vanno alle due estremità, emettendo numerosi collaterali, inoltre esistono arterie periostali che comunicano con l’interno delle ossa, e possono essere diafisarie, epifisarie e metafisarie.
Col tempo si è passati a vedere che non c’è una sola arteria nutritizia, ma altre arteriole che hanno lo stesso comportamento, esse infatti bucano l’osso senza emettere collaterali mentre una volta dentro la struttura ossea sono formati da una fitta rete di vasi, un sistema di vasi perforanti che all’interno si ramifica in tutti e tre i settori dell’osso lungo, di cui l’arteria nutritizia è la più grossa.
Queste arterie perforanti alimentano la rete capillare del midollo osseo con i rami midollari, mentre i rami corticali si occupano di portare sangue alla rete capillare contenuta nell’osso compatto.
Il sangue del midollo portato dalle sinusoidi midollari è preso da un sistema di capillari venosi chiamato seno centrale di hashimoto, da cui partono vene emissarie che fanno il percorso inverso ed escono con seguendo il percorso delle arterie perforanti.
I rami corticali portano sangue all’osso corticale, che riceve anche sangue dal periostio, dunque in questa sede c’è una circolazione centrifuga data dalle arterie perforanti ed una circolazione centripeta che proviene dal periostio. In questo modo è assicurata la vascolarizzazione della struttura ossea, anche nel caso di rimozione del periostio durante un intervento chirurgico. Il sangue che circola nella zona corticale, sia che provenga dall’esterno o dall’interno, esce con le vene periostali.

Dove c’è l’osso compatto ci sono dunque tre reti di capillari: una rete è nel periostio, che comunica con la rete dell’osso corticale, a cui si accompagna la rete presente nella cavità midollare.
Le arterie perforanti sono tante, una è più grossa delle altre e non emettono collaterali, arrivano nel midollo attraverso rami midollari, che alimentano i sinusoidi del midolli, mentre il sangue esce con le vene emissarie, cui la più grossa segue la grande arteria perforante.
Oltre a questo i rami corticali delle arterie perforanti alimentano da dentro a fuori la rete nella zona corticale, dando origine alla circolazione centrifuga. A quest’osso corticale arriva anche la circolazione centripeta del periostio, ma la circolazione prevalente è quella centrifuga, quella periostale serve ad alimentare circa un terzo dell’osso compatto. Il sangue dalla zona corticale esce attraverso le vene periostali.
La circolazione centripeta è preminente nell’inserzione carnea, quando il muscolo si contrae aumenta infatti la pressione a livello dei vasi sanguigni che si stringono e la circolazione centripeta diventa preminente, ma lo può diventare anche in varie condizioni patologiche, come le osteomieliti.

A livello dell’osso spugnoso la buccia di osso compatto, sottile quanto una trabecola, non ha una circolazione, dunque scompare la rete corticale, permangono invece le arterie perforanti e le arterie del periostio, si arriva così alla formazione di una rete capillare unica, che alimenta le cavità midollari ed i vasi sanguigni presenti tra le trabecole ossee. Il sangue esce poi grazie alle vene emissarie ed alle vene periostali.

Quando è presente la metafisi non esistono comunicazioni circolanti tra la circolazione diafisaria e la circolazione epifisaria, l’epifisi è infatti caratterizzata da una circolazione come quella vista prima, ma se viene lesa l’intera struttura epifisaria può andare incontro a necrosi, in quanto non è collegata alla circolazione diafisaria. Quando scompare la metafisi s’istituisce una comunicazione tra la rete sanguigna diafisaria ed epifisaria. Questo ci fa capire come l’architettura ossea caratterizzi le strutture ossee da un punto di vista molto più utile per il medico rispetto alla classificazione morfologica.

 

Innervazione

Per quanto riguarda l’innervazione delle ossa, esse hanno un innervazione somatica sensitiva data dalle fibre nervose mieliniche che dipartono dai gangli pseudounipolari, in cui gli assoni formano il nervo spinale e terminano nel periostio, con terminazioni nocicettive, sensibili al dolore. La muscolatura liscia dei vasi sanguigni è invece innervata da fibre motrici amieliniche viscerali che provengono da neuroni postgangliari del sistema simpatico, facenti parte della catena laterovertebrale del simpatico. Con il loro neurite amielinico entrano nel nervo spinale, passano per il ramo comunicante grigio e si portano sulle cellule muscolari lisce delle arteriore delle arterie, regolando la vasodilatazione e la vasocostrizione.