Osteocita, Osteoblasto e Osteoclasto

Le ossa prevedono diversi livelli gerarchici di organizzazione, si parte infatti dalle cellule ossee, si prosegue con la matrice ossea, i tessuti ossei, le architetture ossee ed infine gli organi ossei, ovvero le ossa stesse.
Il tessuto osseo (tessuto connettivo specializzato) può presentare architetture diverse, le architetture sono infatti gli assemblamenti macroscopici dell’osso che si riescono a osservare senza l’utilizzo di alcun mezzo di indagine, in particolare si riesce a distinguere l’architettura compatta da quella spugnosa. Al di là dell’architettura, sia essa compatta o spugnosa, ci possono essere tessuti ossei diversi, un tessuto osseo a fibre intrecciate, o a fibre parallele, oppure anche lamellare.

È possibile distinguere due linee di cellule ossee all’interno dell’osso, una linea osteogenica ed una linea osteoclastica. La linea osteogenica prende vita da cellule che sono definite precursori degli osteoblasti, cellule mesenchimali, che danno origine ad una famiglia cellulare che comprende innanzitutto le cellule stromali, che sono sostanzialmente fibroblasti, ovvero cellule di aspetto stellato che riempiono tutti gli spazi tra i vasi sanguigni ed il tessuto osseo in via di formazione, andando a produrre lo stroma, l’impalcatura fibrocartilaginea formata da fibre collagene e sostanza fondamentale. Sono dunque in rapporto con diverse cellule a seconda del momento funzionale dell’osso, si parla infatti di osteoblasti se stiamo deponendo osso, osteoclasti se lo stiamo demolendo mentre se siamo in una fase di quiescenza abbiamo le cellule di rivestimento.

Nell’ambito del midollo osseo sono state distinte cellule stromali abbinate alla linea emopoietica e cellule stromali abbinate alla linea osteogenica. Da quelle della linea osteogenica derivano i progenitori degli osteoblasti, e infatti queste cellule sono caratterizzate dalla forma meno stellata e quindi da un certo livello di specializzazione, anche se non sono in grado ancora di produrre matrice ossea. Da qui origineranno gli osteoblasti che sono cellule globose e polarizzate, ricche di strutture citoplasmatiche con ergastoplasma ed apparato di golgi molto sviluppati, rappresentano l’elemento osteo-formativo, cioè quello che produce in un’unica direzione la matrice preossea o osteoide e la fa calcificare. Infatti la sua matrice è simile prodotta a quella dei fibroblasti, ma è calcaffine, riesce infatti a mineralizzare. Come detto deriva dalla cellula stromale, che a sua volta ha origine mesenchimale (questo è stato osservato perché la cellula mesenchimale e la cellula stromale hanno gli stessi markers di superficie).

L’osteoblasta può avere due destini: se ci sono fronti di osteogenesi attivi può essere inglobato dalla matrice ossea calcificata, trasformandosi in osteocita, altrimenti di fronte a fronti di osteogenesi quiescenti diventa una cellula di rivestimento. L’osteocita è un elemento dendritico asimmetrico che emette i prolungamenti prima di essere inglobato (asimmetrici perchè sono più lunghi verso la superficie d’accrescimento dell’osso) e risulta completamente differente, sia morfologicamente che funzionalmente, dall’osteoblasta.
Occorre evidenziare che la trasformazione da osteoblasta a osteocita è irreversibile, qualora invece l’osteoblasta non venga inglobato per arresto del fronte osteogenetico, esso smette di produrre osteoide e si trasforma, come accennato prima, in una cellula di rivestimento delle superfici inattive dell’osso (bone lining cells), strutturalmente piane e funzionalmente inattive. Questa, in presenza di particolari stimoli (ad esempio meccanici o ormonali) può ritrasformarsi in osteoblasta, e quindi in questo caso la trasformazione è reversibile.
Queste cellule vengono anche chiamate osteociti quiescenti, appunto per la reversibilità della trasformazione. In definitiva non ci sono quindi diversi tipi cellulari, ma una famiglia di cellule che si trasformano le une nelle altre, a seconda del momento funzionale: alcune trasformazioni, come visto, sono reversibili, mentre altre sono irreversibili.

 

L’osteoblasta

E’ la cellula osteo-formativa che produce il tessuto osseo, il quale rappresenta il tessuto preponderante dell’organo osso, circa il 90 %. Sono cellule immerse in una matrice extracellulare e sono di origine mesenchimale, ma con una peculiarità: spesso infatti si dispongono in lamine di aspetto pseudoepiteliale, non usuale per una cellula di origine mesenchimale. Formano come delle palizzate in modo che, producendo osteoide tutti dallo stesso versante, determinano un fronte di osteogenesi che avanza.
Si definisce osteoide la frazione organica prodotta dagli osteoblasti. In questa lamina, quindi, le cellule si polarizzano, cioè secernono osteoide tutte nella stessa direzione, mentre il nucleo è nella parte opposta. In tal modo, tutti gli osteoblasti, uno vicino all’altro, si allontanano dall’osso, a ridosso del quale stanno deponendo matrice preossea, e contemporaneamente si avvicinano ai vasi che stanno alle loro spalle.
L’osteoblasto in definitiva agisce in un ambiente asimmetrico: da una parte ha l’osso mineralizzato, sul quale stratifica il prodotto della secrezione, e dall’altra ha la fonte vascolare.

La matrice preossea prodotta dall’osteoblasta, che non contiene elastina ma collagene di tipo i, non calcifica subito. Ci sono cioè due processi: l’osteoidogenesi, cioè la produzione di osteoide e, successivamente, la mineralizzazione, cioè la sua calcificazione. Si vengono pertanto a formare un fronte di osteoidogenesi, un fronte di mineralizzazione e lo spazio compreso tra i due si chiama bordo o orletto osteoide. Se i due processi vanno di pari passo, l’osteoide avrà uno spessore costante, mentre se sono disaccoppiati e, ad esempio, gli osteoblasti lavorano ma il fronte di mineralizzazione non avanza, ci possono essere degli orletti osteoidi di larghissimo spessore.
Questo è quanto accade in patologie nelle quali, per carenza di vitamina d, non avviene la calcificazione. Ne sono esempi il rachitismo infantile, che porta alla deformazione delle ossa (“tibie a sciabola”), l’osteomalacia e l’osteoporomalacia (cioè osteomalacia accompagnata da osteoporosi), che colpisce gli anziani e che, a fianco alla carenza della massa ossea, evidenzia anche la presenza di orletti osteoidi molto spessi.
Le proteine della matrice sintetizzate dall’osteoblasta sono di sette diverse categorie: la prima riguarda le proteine collageniche mentre le altre, dalla seconda alla settima, riguardano la sostanza fondamentale, nella quale, come avviene per la matrice cartilaginea, non si vedono le fibre collagene perché rimangono mascherate da diversi composti quali glicoproteine e proteoglicani.
Inoltre, è stato visto che la sostanza fondamentale contiene anche fattori di crescita importanti per quando viene eroso il tessuto osseo dagli osteoclasti, che rilasciando questi fattori di crescita inducono un segnale agli osteoblasti di ricostruire l’osso.

La calcificazione di un tessuto non significa che si è in presenza di osso, basti pensare infatti alla cartilagine calcificata o alle calcificazioni patologiche che avvengono a livello polmonare nella tubercolosi, o nelle aterosclerosi, ciò che si definisce osso è solamente la calcificazione prodotta dagli osteoblasti. I processi che portano alla calcificazione non sono ancora del tutto chiari.
Alcune ipotesi riguardano la presenza di vescicole gemmate con le pompe del calcio ca++, che si vedono accumulare al loro interno i sali di calcio a causa del mancato sostentamento energetico alle pompe ed i sali accumulati precipitano in cristalli che vengono estrusi.
Altre ipotesi riguardano la fosfatasi alcalina e la sua capacità di richiamare sali, aumentandone la concentrazione e portandoli a precipitare sotto forma di cristalli, ma è vero anche che altri tipi cellulari diversi possiedono questo enzima. In ogni caso sono gli stessi osteoblasti che, una volta prodotta la matrice preossea, si preoccupano di farla mineralizzare producendo queste vescicole.
Dopo che si sono formati, i cristalli, oltre ad indurre la formazione di nuovi cristalli, si pongono intorno alle fibre collagene. La mineralizzazione ha il compito di indurire l’osso per essere in grado di resistere alle sollecitazioni meccaniche, svolge poi un’importante funzione nell’omeostasi fosfocalcica.

 

L’osteocita

L’osteocita è un elemento dendritico il cui pirenoforo ha, nell’osso lamellare, la forma di ellissoide triassiale, quindi con un asse longitudinale maggiore, uno trasversale e uno intermedio minore.
Gli osteociti dell’osso a fibre intrecciate hanno invece forma un po’ più globosa.
Gli osteociti giovani, che stanno per essere incorporati nella matrice, hanno un ergastoplasma abbondante in quanto concorrono alla formazione della loro lacuna osteocitaria.
Gli osteociti già inglobati, invece, hanno meno organuli poiché sono metabolicamente meno attivi.

Il corpo cellulare sta nella lacuna osteocitaria ed infila i suoi dendriti nei canalicoli, si crea così una rete tridimensionale lacuno-canalicolare che attraversa tutto l’osso e consente al liquido extracellulare di raggiungere ogni osteocita, infatti tra la membrana plasmatica degli osteociti e la parete della lacuna o del canalicolo c’è uno spazio in cui circola il liquido extracellulare.
Le modalità con cui il liquido extracellulare fluisce nei canalicoli possono essere diverse: è possibile che la contrazione muscolare comprima l’osso spingendo il liquido nei canalicoli, oppure il fluire del liquido è consentito dalla vibrazione di estroflessioni microtubulari e microfilamentose dei prolungamenti all’interno dei canalicoli. Di fatto, la fitta rete di canali e lacune conferisce una notevole microporosità anche all’osso compatto. Si potrebbe pensare che senza tale porosità la tenuta meccanica dell’osso sarebbe migliore, tuttavia la fitta popolazione di osteociti che abita l’osso è fondamentale per l’omeostasi osteocalcica.
In definitiva quindi la rete canalicolare mette in comunicazione le lacune tra di loro e con lo spazio vascolare, la sua formazione è consentita dal fatto che l’osteoide, quando calcifica, avvolge i prolungamenti formando intorno ad essi un canale. Questa rete canalicolare ha anche l’importante funzione di permettere contatti tra i vari prolungamenti, consentendo uno scambio di informazioni, di nutrienti e permette la fuoriuscita di sostanze di scarto.

L’osteocita presenta due tipi di prolungamenti: i prolungamenti minerali, rivolti verso l’interno dell’osso, e i prolungamenti vascolari, rivolti verso i vasi, in contatto con la lamina degli osteoblasti.
Tra il prolungamento vascolare e l’osteoblasto è presente una gap-junction (si ricordi che è quel tipo di giunzione intercellulare che permette le sinapsi elettriche).
Mano a mano che procede la deposizione di matrice preossea, un osteocita, venendosi a trovare sempre più lontano dalle fonti nutritizie, invia un segnale inibitorio all’osteoblasta con cui è in contatto sulla lamina. L’osteocita che si trova lontano dalle fonti nutritizie, infatti, non ha più materiale a sufficienza per contribuire con i suoi prolungamenti a formare la rete di comunicazione e deve pertanto indurre l’osteoblasta corrispondente sulla lamina ad interrompere la deposizione. L’osteoblasta contattato si posiziona di traverso, ampliando notevolmente la porzione della sua superficie rivolta verso la matrice mineralizzata. L’osteoblasta, che si appresta a diventare preosteocita, si trova così a dover far fronte ad un territorio di deposizione cellulare (detto territorio di secrezione cellulare) molto più ampio di quello precedente, mantenendo però il medesimo assetto di organuli per la produzione, ne risulta così un rallentamento della sua attività che lo porta ad essere superato dagli altri osteoblasti.
Il preosteocita emette prolungamenti minerali che prendono contatto con quelli vascolari degli osteociti precedenti, ma tali prolungamenti sono molto brevi, in quanto lo spazio non calcificato in cui possono penetrare è breve.
Emette poi i prolungamenti vascolari che entrano in contatto con la lamina osteoblastica, potendo procedere attraverso l’osteoide in quanto non mineralizzato.
È utile, per comprendere bene questi fenomeni, osservare un confronto con i neuroni, le cellule nervose infatti emettono prolungamenti lunghi perché si trovano vicini ai vasi che forniscono loro le sostanze nutritive necessarie alla loro formazione e al loro allungamento, gli osteociti, invece, devono trarre nutrimento da vasi in continuo allontanamento ed è per questo, dunque, che risulta fondamentale la formazione di una rete canalicolare in grado di collegarli tra di loro e con le fonti nutritizie.

Fino a poco tempo fa si riteneva che la funzione principale degli osteociti fosse la lisi periosteocitaria.
L’osteocita è contenuto all’interno della lacuna osteocitaria e, visto che le superfici degli osteociti sono molto estese, molti autori sostenevano che, ai fini del mantenimento della calcemia, gli osteociti stessi fossero in grado di liberare il minerale dalle pareti della lacuna.
Queste ipotesi, che in seguito si rivelarono errate, erano basate anche sull’osservazione delle superfici vascolari e avascolari, in particolare per la superficie di primo ordine periostale ed endostale si parla di 9 m², per la superfici di secondo ordine quali i canalicoli, i canali di havers e le cavità erose si parla di 3 m², mentre per quanto riguarda le superfici avascolari si parla di superfici di terzo ordine intese come lacune osteocitarie che hanno una superficie di 300m², mentre i canalicoli osteocitari hanno una superficie di 5000 m², mentre per le superfici di quarto ordine, intese come quelle dei cristalli, non si conoscono ancora precisamente.

La conclusione tratta fu che gli osteociti avevano a disposizione una superficie molto ampia e potevano quindi liberare i cristalli a partire dalla parete delle lacune tramite un processo di osteolisi periosteocitaria.
Ciò che oggi viene concesso è che, senza alcuna lisi, alcuni cristalli si solubilizzino e vengano poi pompati fuori. Attualmente agli osteociti viene attribuita la funzione di sensore meccanico delle deformazioni che il carico produce, non dunque sensori del carico stesso, ma delle sollecitazioni che esso induce portando a deformazione della struttura ossea.
La superficie delle lacune e dei canalicoli, infatti, è molto maggiore della superficie vascolare, per cui l’osteocita si trova in una condizione molto favorevole per percepire stimoli meccanici.
Non solo, l’insieme dei collegamenti che esso instaura con gli altri osteociti e con le cellule della linea osteogenica, osteoblasti e bone lining cells, forma un sincizio funzionale e gli attribuisce altre funzioni quali controllare la mineralizzazione dell’osso, funzionare da pompa metabolica ed agire come recettore chimico o chemocettore.

 

Le cellule stromali

Di aspetto stellato o fusato, riempiono tutti gli spazi tra i vasi e l’osso e sono in rapporto da un lato con l’endotelio dei vasi e dall’altro con le cellule in superficie, che saranno diverse a seconda del momento funzionale: osteoblasti se bisogna deporre osso, osteoclasti se bisogna demolirlo, bone lining cells se non c’è attività metabolica. In particolare queste cellule producono anche proteine della sostanza fondamentale ed un impalcatura di sostegno fibrocartilaginea.

Le cellule di rivestimento hanno una morfologia che ricorda le cellule endoteliali e tappezzano tutte le superfici d’osso, in modo completo secondo alcuni autori, parziale secondo altri. Se si rende necessaria la demolizione dell’osso le cellule di rivestimento si spostano (si dice che l’osteoclasta deve poter “vedere” l’osso) e dai vasi arrivano le cellule che si differenziano in osteoclasti, se invece bisogna produrre osso, le cellule di rivestimento si trasformano in osteoblasti (all’inizio un osteoblasta che si sta formando è poco distinguibile dalle cellule intorno).

Le gap-junction collegano le cellule di rivestimento tra di loro e con le cellule stromali, a loro volta connesse sempre da giunzioni gap tra di loro e con le cellule endoteliali dei vasi. Come nel compartimento minerale dove gli osteociti sono in rete, anche qui, tra il compartimento minerale e i vasi, tutti gli elementi sono in rete, perché le cellule di rivestimento sono in rapporto con quelle stromali e queste con l’endotelio.

La rete osteocitaria, come detto sopra, si continua dunque con le cellule di rivestimento o con gli osteoblasti nel caso della deposizione, con le cellule stromali e con le cellule dell’endotelio dei vasi, i collegamenti comprendono quindi tutte le cellule della linea osteogenica. Sulle cellule che delimitano le superfici convergono dall’interno e dall’esterno dei segnali, sia dal tessuto mineralizzato (forze meccaniche) sia dai vasi (ormoni, citochine, ormoni della crescita).

Tutto questo sistema è pertanto la risultante di segnali meccanici, biochimici e metabolici, che devono essere integrati e si esplicitano sulle superfici dell’osso. Se non ci sono necessità particolari, allora questi elementi rimangono cellule di rivestimento, se invece si necessita la deposizione divengono osteoblasti e se viceversa si rende necessaria la demolizione vengono chiamati gli osteoclasti. C’è dunque una rete dentro l’osso e una rete sul versante vascolare, ed esse convergono sulla superficie dell’osso: se questa rete, tra l’interno e l’esterno dell’osso, non è continua e le cellule che sono in rete non sono vitali, tutto il sistema non funziona (è questo il caso dell’osteoporosi).

 

Gli Osteoclasti

La linea osteoclastica è rappresentata dagli osteoclasti, sincizi polinucleati che derivano dalla fusione di macrofagi mononucleati che provengono dal midollo osseo. Ci sono diverse teorie sulla formazione degli osteoclasti: alcuni sostengono che dal midollo provengano proprio i precursori degli osteoclasti circolanti, poi da questi si passi a precursori di osteoclasti tessutali, cioè stanziali e fermi nel tessuto, e poi agli osteoclasti veri e propri. Nell’ambito del midollo osseo infatti ci sono alcuni macrofagi che hanno i markers tipici degli osteoclasti, non si riconoscono morfologicamente, ma solo attraverso questi specifici marcatori, che quindi ne individuano la presenza già nel midollo. Altri invece ritengono che la derivazione sia direttamente dai macrofagi mononucleati del midollo, che in seguito a determinati stimoli si differenziano. Comunque cooperanti con gli osteoclasti vi sono sempre anche i macrofagi mononucleati stessi, che compiono il lavoro di spazzini, rimovendo i detriti cellulari oppure donando il loro nucleo ai sincizi osteoclastici. L’osteoclasta ha la forma di una palla sgonfia, con una porzione convessa che guarda l’esterno e una porzione concava che si adatta all’osso. Nell’ambito di una sezione traversale di un osteoclasta, si possono identificare due zone funzionali differenti: una zona periferica che equivale al contorno, dove la superficie convessa si continua con quella concava, chiamata “clear zone” o zona chiara, perché è priva di organuli cellulari particolari, ed una porzione concava dell’osteoclasta, che guarda l’osso e che presenta un margine molto caratterizzato da numerose estroflessioni citoplasmatiche, che nell’insieme vengono dette “rafer border” o orletto striato. Questo orletto agisce sull’osso, mentre la zona chiara funziona come una ventosa e àncora l’osteoclasta all’osso, in modo anche da focalizzare la sua azione e non disperderla all’esterno, senza una precisa zona d’attacco, infatti, l’osso sarebbe distrutto a caso.

 

La funzione dell’osteoclasta è quella di demolire l’osso, il quale è formato da una componente cellulare e da sostanza intercellulare mineralizzata, che non può essere demolita se prima non viene demineralizzata. Il riassorbimento dell’osso avviene dunque in due momenti: prima bisogna liberarlo dalla sostanza inorganica e quindi dai cristalli di idrossiapatite, solo dopo che viene smascherata, la sostanza organica può essere demolita. L’osteoclasta possiede un enzima, l’anidrasi carbonica, che catalizza la reazione:

co2 + h2o ↔ h2co3

L’acido carbonico, grazie a questo enzima, viene scisso in hco3- e h+, mentre lo ione bicarbonato esce dall’osteoclasta ed entra cl- per controbilanciare la carica negativa persa. I protoni vengono trasportati invece oltre l’orletto striato, tra questo e l’osso che si deve erodere, nella cosiddetta ”camera di riassorbimento”, mentre ioni potassio k+ vengono trasportati all’interno. L’accumulo di h+ porta all’acidificazione dell’ambiente e ad un abbassamento del ph che provoca la solubilizzazione del calcio e del fosforo. In questo modo si ritorna alla matrice preossea non mineralizzata (detta osteoide da regressione) che può essere aggredita dagli osteoclasti.

Nella seconda fase vengono liberati, sempre nella camera di riassorbimento, enzimi lisosomiali che demoliscono le varie macromolecole presenti nell’osteoide da regressione, smascherato dall’abbassamento del ph. Questi enzimi lisosomiali sono contenuti all’interno di lisosomi prodotti nell’osteoclasta come lisosomi primari, solo però l’ingresso nella camera di riassorbimento, il cui ph è molto basso, consente agli enzimi lisosomiali di lavorare e trasforma i lisosomi in lisosomi secondari.

La funzione dell’osteoclasta non è dunque quella di fagocitare l’osso, esso determina l’abbassamento del ph e libera i suoi enzimi in modo da rompere le macromolecole. Arrivano poi gli spazzini, comuni macrofagi mononucleati, che accompagnano di solito l’osteoclasta e che demoliscono i detriti che il riassorbimento osseo comporta. Quindi l’azione degli osteoclasti può essere riassunta in due fasi, ovvero l’abbassamento del ph per azione dell’anidrasi carbonica e l’esposizione degli enzimi lisosomiali.