Approvvigionamento e circolazione vascolare

Ripristino e rinnovamento dell’osso

Se il rinnovamento in tessuti come il muscolo avviene in gran parte a livello molecolare, il rinnovamento dell’osso avviene a livello tissutale ed è simile al rimodellamento degli edifici in quanto la rimozione locale (riassorbimento) del vecchio osso deve precedere il deposito di nuovo osso. Il rimodellamento è più vigoroso durante gli anni di crescita attiva, quando la deposizione predomina sul riassorbimento. In seguito il rimodellamento diminuisce gradualmente, negli esseri umani fino a circa 35 anni, dopo di che il suo tasso rimane invariato o aumenta leggermente. Dalla quarta decade in poi, il riassorbimento supera la formazione, con una perdita approssimativa del 10% della massa ossea per decade, equivalente ad una perdita giornaliera di 15-30 mg di calcio.

Ad eccezione dell’aggiunta dei meccanismi di ossificazione all’interno della cartilagine, la crescita e lo sviluppo comportano esattamente lo stesso tipo di rimodellamento di quello dello scheletro adulto. Entrambi richiedono una differenziazione continua e probabilmente irreversibile di osteoclasti e osteoblasti, i primi dai monociti circolanti nel sangue e i secondi dal mesenchima osseo indifferenziato. La durata della vita degli osteoclasti va da qualche ora a qualche giorno al massimo, mentre quella degli osteoblasti va da qualche giorno a qualche settimana al massimo.

Il riassorbimento è prodotto da gruppi di osteoclasti che erodono le superfici libere dell’osso o formano “coni di taglio” che scavano un tunnel nell’osso compatto e creano le cavità cilindriche che possono essere successivamente riempite dagli osteoni. Le cellule osteoclastiche secernono enzimi e ioni idrogeno sulla superficie ossea, dissolvendo il minerale e digerendo la matrice praticamente nello stesso momento. Il processo è associato ad un aumento locale del flusso sanguigno e ad una maggiore acidità superficiale che altrove nell’osso, nonostante il fatto che il processo di dissoluzione dell’apatite consumi ioni idrogeno. Il riassorbimento è di solito un processo molto più rapido della formazione. È stato osservato che i coni di taglio osteoclastici avanzano fino a 500 micrometri, o micron, al giorno (1 micron = 1 × 10-6 metri).

L’osso si forma su superfici precedentemente riassorbite mediante il deposito di un materiale di matrice proteica non mineralizzata (osteoide) e la sua successiva mineralizzazione. Gli osteoblasti elaborano la matrice come una membrana continua che copre la superficie su cui stanno lavorando ad un tasso lineare che varia sia con l’età che con la specie, ma che nei grandi mammiferi adulti è dell’ordine di un micron al giorno. La matrice non mineralizzata costituisce una cucitura o un bordo osteoide, con uno spessore medio da 6 a 10 micron durante la formazione attiva dell’osso. La sequenza biochimica e fisica degli eventi che preparano la matrice alla mineralizzazione comprende la biosintesi intracellulare del collagene da parte degli osteoblasti, l’estrusione extracellulare del collagene in forma solubile, la maturazione o polimerizzazione del collagene in una serie di fibrille (con orientamento casuale nell’osso a deposito rapido, in un modello regolare altamente ordinato nell’osso lamellare a formazione lenta), il legame del calcio alle fibrille di collagene e la formazione di complessi proteina-glicoglicano.

La mineralizzazione stessa dipende dalla formazione di nuclei di cristalli all’interno della matrice; questo processo richiede da 5 a 10 giorni ed è sotto il controllo dell’osteoblasto, ma la sua esatta chimica è oscura. Una configurazione nucleante adatta è in qualche modo stabilita e, una volta che i nuclei raggiungono una dimensione critica, l’ulteriore mineralizzazione procede spontaneamente in presenza delle concentrazioni di calcio e fosforo del fluido corporeo abituale. Altri tessuti collageni, come il derma, i tendini e i legamenti, normalmente non calcificano, anche se sono bagnati dagli stessi fluidi corporei dell’osso. Sebbene il fluido extracellulare sia una soluzione altamente supersatura rispetto all’idrossilapatite, il calcio e il fosforo non precipitano spontaneamente in questa forma cristallina al normale pH fisiologico, per cui uno stesso fluido è indefinitamente stabile nelle regioni che non formano l’osso, ma supporta abbondantemente la mineralizzazione in presenza di nuclei di cristalli adatti. Il movimento minerale nel nuovo osso è inizialmente rapido e nell’osso compatto è noto per raggiungere circa il 70% della piena mineralizzazione entro poche ore dalla nucleazione della matrice. Questo deposito minerale comporta la sostituzione dell’acqua che occupava metà del volume originale della matrice. Man mano che il contenuto d’acqua diminuisce, l’ulteriore diffusione del minerale è ostacolata; e la mineralizzazione finale avviene progressivamente più lentamente in un periodo di molte settimane. Negli esseri umani adulti normali, la formazione di nuove ossa assorbe circa 400 mg di calcio al giorno, una quantità approssimativamente uguale a quella nel sangue circolante.

Gli osteociti, una volta pensati come cellule a riposo, sono ora riconosciuti essere metabolicamente attivi e possedere, almeno in forma latente, la capacità di riassorbire e riformare l’osso sulle loro pareti lacunari. Sebbene gli osteociti costituiscano solo una piccola frazione del volume osseo totale, essi sono così disposti all’interno dell’osso, e la rete delle loro estensioni protoplasmatiche è così estesa, che non c’è essenzialmente nessun volume di materiale osseo situato a più di una frazione di micron da una cella o dai suoi processi. Degli oltre 1.200 metri quadrati di superficie anatomica nello scheletro di un uomo adulto, circa il 99% è rappresentato dalle superfici lacunari e canalicolari. Il riassorbimento e la deposizione su questa superficie servono sia a regolare la concentrazione di calcio nel plasma che a rinnovare il materiale osseo. Questo rinnovamento può essere particolarmente importante perché tutti i materiali compositi cambiano nelle loro proprietà fisiche con il tempo. Non si sa se le proprietà dell’osso cambiano sufficientemente da avere conseguenze biologiche, ma, nella misura in cui tale cambiamento si verifica, il rinnovamento intorno agli osteociti fornirebbe il mantenimento fisico del materiale strutturale osseo.