Appunti Ingegneria Biomolecolare e Cellulare PDF

INGEGNERIA BIOMOLECOLARE E CELLULARE Tratto dalle slide della Prof.ssa Cascone dell’A.A. 20/21 A cura di Lorenzo Guidi INDICE 1. LA CELLULA................................................................................................................... 6 1.1. CELLULE EUCARIOTICHE ANIMALI..................................................................................... 6 1.2. IL CICLO CELLULARE........................................................................................................ 8 1.2.1. SISTEMI DI PROTEZIONE E SEGNALI.......................................................................................................... 9 1.3. TIPI CELLULARI E ORIGINE DEI TESSUTI............................................................................. 11 1.4. LA MEMBRANA CELLULARE.............................................................................................. 12 1.5. MORFOLOGIA E TRASPORTI DELLA MEMBRANA................................................................... 14 2. IL TESSUTO CONNETTIVO............................................................................................ 15 2.1. CELLULE DEL TESSUTO CONNETTIVO................................................................................ 15 2.2. TIPOLOGIE DI TESSUTO CONNETTIVO................................................................................. 16 2.3. IL TESSUTO CARTILAGINEO.............................................................................................. 16 2.4. IL TESSUTO OSSEO.......................................................................................................... 18 2.5. TIPOLOGIE DI TESSUTO OSSEO.......................................................................................... 19 2.6. FISIOLOGIA DEL TESSUTO OSSEO...................................................................................... 20 3. IL TESSUTO NERVOSO.................................................................................................. 21 3.1. ANATOMIA DEL SISTEMA NERVOSO.................................................................................... 21 3.2. I NEURONI.....................................................................................................................22 3.3. RIVESTIMENTI............................................................................................................... 24 3.4. SINAPSI......................................................................................................................... 25 3.5. CONDUZIONE DELL'IMPULSO NERVOSO............................................................................ 26 4. IL TESSUTO MUSCOLARE............................................................................................ 28 4.1. TESSUTO MUSCOLARE LISCIO......................................................................................... 28 4.2. TESSUTO MUSCOLARE SCHELETRICO................................................................................. 31 4.3. LE MIOFIBRILLE.............................................................................................................32 4.4. CONTRAZIONE MUSCOLARE............................................................................................. 34 4.5. TESSUTO MUSCOLARE STRIATO CARDIACO (MIOCARDIO)..................................................... 35 5. LA MATRICE EXTRACELLULARE (ECM)....................................................................... 37 5.1. PROTEINE STRUTTURALI.................................................................................................. 37 5.2. PROTEOGLICANI............................................................................................................ 39 5.3. GLICOPROTEINE............................................................................................................ 39 6. IL METODO DELLE COLTURE CELLULARI.................................................................. 43 6.1. PROGETTAZIONE E MANTENIMENTO DI UN LABORATORIO PER COLTURE............................... 43 6.2. CAPPE.......................................................................................................................... 44 6.3. INCUBATORE A CO2........................................................................................................ 46 6.4. TIPI PRINCIPALI DI COLTURE CELLULARI......................................................................... 48 6.5. TERRENI DI COLTURA E SOSTANZE PER LA CRESCITA DI CELLULE ANIMALI.............................. 52 6.6. CONTEGGIO DELLE CELLULE............................................................................................. 53 6.7. CONTAMINAZIONE DELLE COLTURE CELLULARI.................................................................. 55 6.8. CRIOBIOLOGIA...............................................................................................................56 6.9. VALUTAZIONE DELLA VITALITÀ........................................................................................ 58 7. CELLULE STAMINALI.................................................................................................... 61 7.1. CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA CAPACITÀ DI SPECIALIZZAZIONE......................................... 62 7.2. CLASSIFICAZIONE IN BASE ALL’ORIGINE............................................................................ 63 7.2.1. CELLULE STAMINALI ADULTE.................................................................................................................. 63 7.2.2. CELLULE STAMINALI TUMORALI.............................................................................................................. 65 7.2.3. LEGISLAZIONE........................................................................................................................................ 65 7.2.4. CELLULE STAMINALI PLURIPOTENTI INDOTTE (IPSC)............................................................................... 66 7.3. APPLICAZIONI............................................................................................................... 68 7.3.1. APPLICAZIONI IN OFTALMOLOGIA............................................................................................................ 69 7.3.2. TRATTAMENTO DI MALATTIE NEURODEGENERATIVE................................................................................ 70 7.3.3. EMATOLOGIA.......................................................................................................................................... 72 7.3.4. RIPARAZIONE DELL’EPIDERMIDE............................................................................................................ 72 8. INTRODUZIONE ALL’INGEGNERIA TISSUTALE........................................................... 73 8.1. CELLULE E SCAFFOLD...................................................................................................... 73 8.2. TECNICHE CONVENZIONALI DI FABBRICAZIONE DI SCAFFOLD............................................... 74 8.3. ALTRI APPROCCI ALLO SCAFFOLDING................................................................................ 76 8.3.1. ECM DECELLULARIZZATA DA TESSUTI ALLOGENICI O XENOGENICI.......................................................... 77 8.3.2. STRATI (FOGLIETTI) CELLULARI CON ECM AUTOPRODOTTA.................................................................... 77 8.3.3. MATRICI IDROGELICHE AUTO-ASSEMBLATE CON CELLULE INCAPSULATE................................................. 78 8.4. MATERIALI BIOMIMETICI................................................................................................ 79 8.5. MODIFICA SUPERFICIALE DI BIOMATERIALI...................................................................... 80 8.6. MODIFICA DI MASSA DEI BIOMATERIALI (ALTERNATIVA)..................................................... 81 8.7. CRITERI DI PROGETTAZIONE DI MATERIALI BIOMIMETICI.................................................... 81 8.8. APPLICAZIONE DEI MATERIALI BIOMIMETICI AL TESSUTO OSSEO......................................... 82 8.9. APPLICAZIONE DEI MATERIALI BIOMIMETICI AL TESSUTO NERVOSO..................................... 83 8.10. APPLICAZIONE AL TESSUTO CARDIOVASCOLARE.............................................................. 84 9. INGEGNERIZZAZIONE DEL TESSUTO CARTILAGINEO............................................... 86 9.1. ISTOGENESI E CLASSIFICAZIONE....................................................................................... 86 9.2. FISIOPATOLOGIA DELLA CARTILAGINE...............................................................................87 9.3. RIPARAZIONE E RIGENERAZIONE CARTILAGINEA................................................................ 88 9.4. CELLULE PER INGEGNERIA TISSUTALE SULLA CARTILAGINE................................................. 88 9.5. CONDIZIONI IN VIVO....................................................................................................... 90 9.6. TRAPIANTI DI CELLULE................................................................................................... 90 9.6.1. TRAPIANTO DI CONDROCITI AUTOLOGHI: ACI...........................................................................................90 9.6.2. TRAPIANTO DI CELLULE MESENCHIMALI AUTOLOGHE.............................................................................. 91 9.6.3. MACI E AMIC.......................................................................................................................................... 91 9.7. SCAFFOLD..................................................................................................................... 92 9.7.1. SCAFFOLD NATURALI E SINTETICI............................................................................................................ 93 9.7.2. CONFIGURAZIONE DEGLI SCAFFOLD........................................................................................................ 94 9.8. FATTORI DI CRESCITA......................................................................................................95 9.9. BIOREATTORI................................................................................................................ 96 10. INGEGNERIZZAZIONE DEL TESSUTO OSSEO............................................................ 99 10.1. SCAFFOLD................................................................................................................... 99 10.1.1. MATERIALI VALUTATI PER LA REALIZZAZIONE DI SCAFFOLD PER LA BTE............................................. 100 10.2. CELLULE STAMINALI PER LA BTE................................................................................... 101 10.3.1. STEM CELL HOMING............................................................................................................................ 101 10.4. OSTEOCALCINA (OC) E OSTEOPONTINA (OPN)............................................................... 102 10.5. SIGNALING................................................................................................................. 104 10.6. BIOREATTORI............................................................................................................. 105 10.7. VASCOLARIZZAZIONE.................................................................................................. 107 10.7.1. IL PROCESSO SATE............................................................................................................................. 108 10.8. APPLICAZIONI BTE NELLA CURA DEI TUMORI................................................................. 109 11. INGEGNERIZZAZIONE DEL SISTEMA CARDIOVASCOLARE..................................... 112 11.1. VASI SANGUIGNI......................................................................................................... 112 11.2. VASI SANGUIGNI INGEGNERIZZATI................................................................................. 112 11.2.1. SUPPORTI............................................................................................................................................. 113 11.3. VALVOLE CARDIACHE...................................................................................................115 11.3.1. VALVULOPATIE E PROTESI.................................................................................................................... 115 11.4. VALVOLE CARDIACHE INGEGNERIZZATE.......................................................................... 117 11.4.1. STRATEGIE PER L’INGEGNERIZZAZIONE................................................................................................ 117 11.5. IL TESSUTO MIOCARDICO............................................................................................. 119 11.5.1. TERAPIE SPERIMENTALI...................................................................................................................... 120 11.6. INGEGNERIZZAZIONE DEL TESSUTO MIOCARDICO............................................................ 121 11.6.1. PROSPETTIVE FUTURE......................................................................................................................... 123 12. INGEGNERIZZAZIONE DEL TESSUTO NERVOSO..................................................... 124 12.1. SISTEMA NERVOSO CENTRALE....................................................................................... 124 12.1.1. EVENTO TRAUMATICO......................................................................................................................... 124 12.1.2. MALATTIE NEURODEGENERATIVE....................................................................................................... 125 12.2. SISTEMA NERVOSO PERIFERICO.................................................................................... 125 12.2.1. PROCESSO DI RIGENERAZIONE SPONTANEO DEI NERVI PERIFERICI...................................................... 126 12.2.2. METODI PER LA RIGENERAZIONE........................................................................................................ 126 12.3. TECNOLOGIE DI SCAFFOLD DISPONIBILI IN COMMERCIO................................................... 128 12.3.1. FABBRICAZIONE DEGLI SCAFFOLD....................................................................................................... 129 12.4. RIGENERAZIONE DEL MIDOLLO SPINALE........................................................................ 130 12.4.1. BIOMECCANICA DELLA LESIONE SPINALE.............................................................................................. 131 12.4.2. TERAPIA CELLULARE............................................................................................................................ 131 12.4.3. SCAFFOLDING...................................................................................................................................... 131 12.5. MALATTIE NEURODEGENERATIVE................................................................................. 132 12.5.1. MORBO DI ALZHEIMER....................................................................................................................... 132 12.5.2. PARKINSON......................................................................................................................................... 133 13. IL PROCESSO DI CANCEROGENESI........................................................................... 135 13.1. NECROSI E APOPTOSI................................................................................................... 136 13.2. ONCOGENESI.............................................................................................................. 136 13.2.1. ONCOGENESI E TELOMERASI............................................................................................................... 138 13.3. ONCOVIRUS................................................................................................................ 138 13.3.1. VIRUS PER LA LOTTA CONTRO IL CANCRO............................................................................................. 139 13.4. IL PROCESSO DI CANCEROGENESI.................................................................................. 139 13.4.1. ORIGINE DI UN TUMORE...................................................................................................................... 140 13.5. METASTASI................................................................................................................ 140 13.5.1. TEORIA DEL TERRENO E DEL SEME....................................................................................................... 141 13.6. PREVENZIONE TRAMITE SCREENING.............................................................................. 141 13.6.1. MARCATORI TUMORALI....................................................................................................................... 142 13.6.2. TEST CEA (CARCINO-EMBRYONIC ANTIGEN)...................................................................................... 143 13.6.3. BIOPSIA.............................................................................................................................................. 143 13.7. TRATTAMENTI TUMORALI............................................................................................. 145 13.7.1. CHIRURGIA......................................................................................................................................... 145 13.7.2. CHEMIOTERAPIA................................................................................................................................. 145 13.7.3. RADIOTERAPIA.................................................................................................................................... 146 13.7.4. IPERTERMIA........................................................................................................................................ 146 13.7.5. TERAPIA MIRATA................................................................................................................................. 147 13.7.6. IMMUNOTERAPIA................................................................................................................................ 147 13.7.7. NUOVI STUDI IMMUNOLOGICI............................................................................................................. 148 14. CLONAZIONE E TERAPIA GENICA............................................................................. 149 14.1. DNA: DEFINIZIONE, STRUTTURA E PROCESSI................................................................. 149 14.2. CLONAZIONE RIPRODUTTIVA E TERAPEUTICA.................................................................. 150 14.3. CLONAZIONE MOLECOLARE.......................................................................................... 152 14.3.1. VETTORI DI CLONAGGIO...................................................................................................................... 153 14.3.2. PROCEDURA CLONAZIONE MOLECOLARE............................................................................................. 154 14.4. POLYMERASE CHAIN REACTION..................................................................................... 154 14.4.1. APPLICAZIONI BIOMEDICHE DELLE TECNICHE A DNA RICOMBINANTE E PCR........................................ 155 14.5. TERAPIA GENICA......................................................................................................... 156 14.6. METODOLOGIE PER IL TRASFERIMENTO GENICO PER LA TERAPIA GENICA........................... 157 14.6.1. METODI FISICI.................................................................................................................................... 157 14.6.2. METODI CHIMICI................................................................................................................................. 158 14.6.3. METODI VIRALI................................................................................................................................... 158 14.6.4. VETTORI VIRALI.................................................................................................................................. 159 14.7. TECNICHE DI TERAPIA GENICA...................................................................................... 159 14.7.1. SPERIMENTAZIONI CLINICHE DI TERAPIA GENICA................................................................................ 160 15. ORGAN ON A CHIP..................................................................................................... 161 15.1. INTRODUZIONE........................................................................................................... 161 15.2. LUNG-ON-A-CHIP........................................................................................................ 162 15.3. GUT-ON-A-CHIP.......................................................................................................... 163 15.4. KIDNEY-ON-A-CHIP..................................................................................................... 165 15.5. LIVER-ON-A-CHIP........................................................................................................ 166 15.5.1. INGEGNERIZZAZIONE DEL FEGATO ON CHIP......................................................................................... 167 15.5.2. APPLICAZIONI DEL LIVER ON A CHIP.................................................................................................... 169 16. METODI ALTERNATIVI ALLA SPERIMENTAZIONE ANIMALE.................................. 171 16.1. INTRODUZIONE............................................................................................................ 171 16.2. LE TRE R.................................................................................................................... 172 16.3. METODI ALTERNATIVI.................................................................................................. 172 16.3.1. METODI IN SILICO............................................................................................................................... 173 16.3.2. METODI IN VITRO................................................................................................................................ 173 16.4. ESEMPI DI TEST ALTERNATIVI....................................................................................... 174 16.5. ORGANISMI ALTERNATIVI............................................................................................. 175 16.5.1. VERTEBRATI INFERIORI...................................................................................................................... 175 16.5.2. INVERTEBRATI.....................................................................................................................................177 16.5.3. I MICRORGANISMI............................................................................................................................... 178 17. PROCESSI DI VASCOLARIZZAZIONE........................................................................ 180 17.1. INTRODUZIONE........................................................................................................... 180 17.2. STRUTTURA E FUNZIONE DEI VASI................................................................................. 181 17.3. PROCESSO DI VASCOLARIZZAZIONE: VASCULOGENESI E ANGIOGENESI................................ 182 17.3.1. FASI DELL’ANGIOGENESI..................................................................................................................... 182 17.3.2. ANGIOGENESI TUMORALE................................................................................................................... 183 17.3.3. TERAPIE ANGIOGENICHE..................................................................................................................... 183 17.4. INGEGNERIA TISSUTALE............................................................................................... 184 17.4.1. VASCOLARIZZAZIONE NEGLI SCAFFOLD................................................................................................ 184 17.5. BIOREATTORI PER LA VASCOLARIZZAZIONE.................................................................... 185 17.6. APPROCCIO GREEN...................................................................................................... 186 17.6.1. PELLE FOTOSINTETICA........................................................................................................................ 186 17.7. BIOPRINTING PER LA VASCOLARIZZAZIONE..................................................................... 187 1. LA CELLULA La cellula è l'unità fondamentale di tutti gli organismi viventi (il termine «cellula» è legato all'esperienza che fece Robert Hooke quando nel 1665 osservando del sughero al microscopio, vedendo delle cavità lasciate vuote simili a delle piccole celle). Le continue osservazioni dei più diversi organismi (unicellulari, come ad esempio i batteri, o pluricellulari come gli animali e le piante) hanno portato nel 1838 alla formulazione della cosidetta Teoria Cellulare secondo la quale tutti gli organismi sono costituiti da cellule. Le cellule presentano caratteri morfologici uniformi solo negli organismi più semplici. Negli altri, le cellule si differenziano in forma, grandezza, rapporti, che portano al processo di formazione dei vari organi. Una cellula può essere procariote (la più piccola e semplice, diametro di circa 1 µm) o eucariote (diametro di 20 µm le animali o circa 35 µm le vegetali). Una differenza basilare è che la cellula eucariote presenta un nucleo ben definito contrariamente a quella procariote che mantiene il materiale genetico sparso nel citoplasma. Questa inoltre mostra nella parte più esterna (a coprire la membrana che riveste il citoplasma, contenente DNA e ribosomi) una parete cellulare che regola gli scambi col mondo esterno e la protegge eventualmente da sostanze "nocive“, assente nella cellula eucariote animale (le sue funzioni sono assunte dalla membrana cellulare) nella quale il citoplasma inoltre contiene una gran moltitudine di organelli. 1.1. CELLULE EUCARIOTICHE ANIMALI Le cellule rappresentano l’elemento fondamentale di cui sono costituiti i tessuti di un organismo vivente pluricellulare: sono incolori e traslucide (il 70% del loro peso è acqua). Esistono molti tipi di cellule, di diverse forme e funzioni, ma ogni cellula è costituita da: una parte centrale, il nucleo (ha una reazione acida) una parte più periferica, il citoplasma (che ha reazione basica) un involucro di protezione, la membrana cellulare, fondamentale per la sua sopravvivenza Il nucleo governa tutte le attività e le funzioni funzionando da centro di controllo della cellula regolando quantità e tipo di proteine fabbricate nella cellula. È delimitato dalla membrana nucleare, che presenta dei piccoli pori attraverso cui avviene la comunicazione con il citoplasma. Le proteine hanno due funzioni principali: Proteine strutturali: grandi dimensioni, materiale da costruzione dell'organismo Enzimi: regolano tutte le funzioni e le attività della cellula Nel nucleo c'è il DNA che contiene le istruzioni per la sintesi delle proteine, tali istruzioni vengono trasmesse mediante l'RNA messaggero ai ribosomi, produttori di proteine, presenti nel citoplasma. Sui ribosomi avviene la sintesi proteica, cioè il legame fra i diversi amminoacidi a formare le catene proteiche. La membrana cellulare ha uno spessore compreso fra 7 e 8 nanometri ed è formata da un doppio strato di materiale lipidico e da proteine (inserite nello spessore o disposte esternamente). Legati alle proteine e ai lipidi ci sono gli zuccheri che hanno la funzione di riconoscere e selezionare le sostanze presenti nello spazio esterno della cellula. La membrana tiene unita la cellula e regola il passaggio di materiali tra interno ed esterno, ovvero sostanze utili (sostanze nutritive, O2 etc.), materiali di scarto (CO2) e sostanze prodotte dalla cellula stessa e utilizzate in altre parti del corpo (ormoni). Le molecole più piccole attraversano liberamente la membrana, mentre quelle di dimensioni maggiori necessitano di particolari sistemi di trasporto. Il citoplasma è l’organo che permette alla cellula di entrare in contatto con l’ambiente esterno, è in grado infatti di contrarsi, assorbire, espellere, irritarsi etc. Nel citoplasma ci sono due tipi di materiali (particelle): corpuscoli di varie forme e volume che fanno parte del sistema vivente della cellula (organelli citoplasmatici: mitocondri, lisosomi, apparato del Golgi); sostanze inerti non viventi (inclusioni, accumuli). Il citoplasma contiene inoltre il citoscheletro, un reticolo fatto da tubicini (microtubuli, in verde in foto) costituiti da una proteina detta tubulina e da sottili filamenti (microfilamenti actinici, in rosso in foto). Il citoscheletro è la struttura di sostegno della cellula, è una sorta di reticolo che conferisce alla cellula una forma definita e le consente di muoversi sia a livello intercellulare (tutta la cellula) che intracellulare (costituenti della cellula). Ai filamenti actinici si associano varie proteine fra cui la miosina che conferisce contrattilità ai filamenti stessi rendendoli capaci di far cambiare forma alla cellula e di dirigere i traffici interni ad essa. Inoltre i microfilamenti sostengono i microvilli, piccole sporgenze della superficie della cellula che contribuiscono ad aumentarne la superficie. Oltre al nucleo nel citoplasma vi sono vari organelli, ognuno dotato di un ruolo specifico. Il reticolo endoplasmatico è una membrana a singolo foglietto, attorcigliato a formare una serie complessa di pieghe. In pratica questo foglietto forma una rete di compartimenti e canalicoli collegati fra loro e spesso terminanti a fondo cieco. Presenta zone ruvide (r. e. rugoso) e zone liscie (r. e. liscio). La parte ruvida è ricoperta dai ribosomi che gli conferiscono appunto un aspetto granuloso e producono le proteine. La funzione del reticolo è quella di costituire una rete di canali per il trasporto dei materiali all'interno della cellula. I ribosomi sono minuscoli organelli sferici del diametro di circa 30 nm costituiti da due subunità a diverso peso molecolare (costituite da rRNA e proteine); queste particelle sono la sede del processo di sintesi proteica, E’ proprio attraverso le due subunità che andrà a scorrere l’RNA messaggero. I ribosomi possono essere legati alla membrana del reticolo endoplasmatico oppure essere liberi nel citoplasma. Il numero dei ribosomi è controllato dal DNA e in particolare esso risulta direttamente proporzionale alle necessità proteiche delle cellule. I mitocondri sono organelli citoplasmatici, rivestiti da una doppia membrana, di cui quella interna si ripiega verso l'interno formando numerosi setti, chiamati creste. La loro funzione è quella di essere la sede dei processi di produzione dell’energia necessaria per molte funzioni cellulari (movimento, trasporto di materiali etc.) tramite la demolizione di zuccheri e lipidi mediante un processo di ossidazione che porta alla produzione di molecole di ATP ad altissimo contenuto energetico. Le cellule con un elevato fabbisogno energetico, come quelle muscolari e del fegato, sono dotate di un grande numero di mitocondri. Sono l’unica struttura cellulare, oltre al nucleo, che contiene DNA, il quale codifica proteine esclusive dei mitocondri e non rilasciate nel citosol. Al momento della divisione cellulare, a differenza degli altri organelli che sono prodotti ex novo, i mitocondri si duplicano mediante scissione binaria dopo accrescimento e duplicazione del DNA. L'apparato di Golgi è altro sistema di membrane simile ad una serie di lamine sovrapposte. Una volta completate le proteine vengono trasferite a questo organello. Qui le strutture delle proteine sono modificate e inserite in vescicole che si staccano dalla sua superficie e arrivano alla membrana plasmatica con cui si fondono riversando all'esterno il loro contenuto. I lisosomi sono vescicole presenti in più copie nelle cellule eucariotiche. Sono le principali strutture digerenti della cellula infatti contengono molti di enzimi di vario tipo che degradano e distruggono molecole estranee e macromolecole ingerite dalla cellula via endocitosi così come macromolecole endogene. Si occupano del turn over degli organelli della cellula stessa. In cellule come i globuli bianchi permettono la distruzione di batteri o cellule morte precedentemente fagocitate. Le ciglia e i flagelli sono estroflessioni cellulari definite in questi due modi a seconda delle dimensioni e del numero. Le loro funzioni sono quelle di conferire movimento alla cellula, come succede per i protozoi o per gli spermatozoi, e di funzionare da rivestimento di strutture cave, facilitando lo spostamento delle sostanze, questo ad esempio succede negli epiteli degli apparati respiratorio e riproduttivo. 1.2. IL CICLO CELLULARE Il ciclo cellulare è la serie di eventi che avvengono in una cellula eucariotica tra una divisione cellulare e quella successiva. La durata del ciclo varia con la specie, il tipo di cellula (es. fibroblasti: 24 ore, cellule embrionali (fasi iniziali di sviluppo): poche ore) e le condizioni di crescita (mediamente da 12 a 23 ore) ed è un processo geneticamente controllato, costituito da una serie di eventi coordinati e dipendenti tra loro, dai quali dipende la corretta proliferazione delle cellule eucariotiche. Ci sono cellule poi che non si dividono mai (muscolari) cellule che eventualmente riprendono a dividersi (cellule epatiche) e cellule che si dividono continuamente (quelle di tessuti che si rinnovano come epidermide, epitelio intestinale, endotelio).Il ciclo cellulare comprende: -Interfase: la cellula si prepara alla divisione (G1, S, G2); -Fase M: la cellula si divide -Periodo G0: più o meno definitivo, la cellula si specializza e non è in grado o non è stimolata a riprodursi. Affinché l’informazione genetica venga correttamente trasmessa dalla cellula madre alle cellule figlie, il genoma deve essere prima duplicato (durante la fase S dell’interfase) e in seguito i cromosomi devono venire segregati nelle due cellule figlie (durante la mitosi della fase M). La fase M (durata 1 ora) è composta da mitosi, durante la quale i cromosomi della cellula sono divisi tra le due cellule figlie e la citodieresi che comporta la divisione fisica del citoplasma della cellula. Nella fase G0 la cellula ferma il suo ciclo cellulare (le cellule nervose (quasi tutte) e quelle muscolari (striate scheletriche) rimangono in questo stadio per tutta la vita dell'organismo). L'interfase è la fase del ciclo cellulare che intercorre tra una mitosi e la successiva (nelle cellule eucariotiche di tipo somatico). In tale fase avviene il processo di duplicazione del materiale genetico (DNA) e degli organelli cellulari, ed in generale l'aumento di massa e di dimensioni della cellula in modo tale da permettere la formazione di due cellule (cellule figlie) a partire dalla prima (cellula madre). L'interfase di suddivide in tre fasi più o meno facilmente distinte: - Fase G1 (da poche ore a giorni, circa 6 ore nelle cellule tumorali): nella quale la cellula produce le proteine necessarie per l'accrescimento della massa cellulare e prepara i complessi enzimatici per la successiva fase. - Fase S (dalle 7 alle 10 ore): in questa fase avviene la duplicazione del materiale genetico. Il DNA si despiralizza, permettendo ai due filamenti nucleotidici di separarsi e viene assemblato il complesso di replicazione (enzimatico), costituito da diverse proteine fra cui la più importante è la DNA polimerasi. Questa proteina è la principale responsabile della sintesi dei due nuovi filamenti, utilizzando come stampo i filamenti della cellula madre in un processo detto “replicazione semiconservativa”. Alla fine della fase S ogni cromosoma, inizialmente costituito da un solo cromatidio, viene ad essere costituito da due cromatidi uniti in un punto detto centromero. - Fase G2 (dalle 2 alle 5 ore 9): in questa fase la cellula continua l'accrescimento della massa ed inizia a prepararsi alla successiva mitosi. Durante l'interfase, all'interno del nucleo, è impossibile osservare i cromosomi perché il DNA si trova sotto forma di “cromatina” ancora non condensata; possono essere però distinti uno o più “nucleoli”, le regioni dove si trovano i geni che codificano per l‘RNA ribosomale, che durante le fasi G1 e G2 sono altamente trascritti per permettere la produzione di ribosomi. I periodi G1 e G2 sono chiamati periodi “gap”. In questi periodi di tempo si ha la maggior parte della sintesi proteica con conseguente aumento della massa cellulare e la realizzazione dei controlli che impediscono l’inizio della fase successiva se non è stata completata quella precedente. Queste sono quelle che possono subire la maggior variabilità di durata e in alcuni casi particolari possono anche essere eliminate, contrariamente alla fase S (dell'Interfase) e alla fase M, che sono essenziali e che rappresentano due eventi chiave. La mitosi infine è la riproduzione per divisione della cellula eucariotica. Il termine viene spesso utilizzato anche per la riproduzione delle cellule procariotiche, un processo molto più semplice più correttamente chiamato scissione binaria o amitosi. La mitosi, nell'uomo, riguarda le cellule somatiche dell'organismo, cioè tutte le cellule tranne quelle che hanno funzione riproduttiva, che invece vanno incontro alla meiosi (una cellula eucariote con corredo cromosomico diploide dà origine a quattro cellule, con corredo cromosomico aploide chiamate gameti. La fusione di due gameti dai sessi opposti dà origine ad una singola cellula, zigote, con corredo cromosomico diploide). Nella prima parte della mitosi, detta Profase, i cromosomi si condensano e sono visibili anche al microscopio ottico, sotto forma di doppi bastoncelli, i cromatidi gemelli, che sono agganciati tra loro in un punto centrale detto centromero. Il compattamento dei cromosomi viene iniziato da cdk1 attraverso la fosforilazione delle condensine. Ogni cromosoma è costituto da due cromatidi fratelli uniti tramite le coesine che rimarranno poi solo a livello dei centromeri. Inizia quindi ad organizzarsi il fuso mitotico costituito da diverse tipologie di fibre. Contemporaneamente la struttura del citoscheletro collassa ad opera della fosforilazione da parte di cdk1. Per lo stesso motivo la membrana nucleare si dissolve così come gli altri organelli (Prometafase). A questo punto si passa alla Metafase in cui i cromosomi sono allineati in posizione mediana rispetto ai due poli del fuso a formare la piastra metafasica (equatoriale). I cromosomi presentano in questa fase il massimo grado di spiralizzazione (fase ottimale per il loro studio al microscopio) e i cromatidi fratelli sono ancora tenuti insieme dalle coesine mentre le fibre del fuso tendono a separarli. Una volta che viene attivato il checkpoint, ovvero assicurato che il fuso sia pronto e tutti i cromosomi siano su di esso, viene attivato il complesso APC (anaphase promoting complex) e si passa avanti. Nell’Anafase il complesso APC induce la degradazione delle coesine, quindi i cromatidi fratelli di separano e migrano velocemente verso le estremità del polo, ottenendo il ripristino del numero originario i cromosomi (ognuno con un solo cromatidio) per polo. Si ha quindi la Telofase in cui si riforma la membrana nucleare con i suoi pori attorno ai cromatidi ormai posizionati nelle due regioni opposte. Gli organelli che si erano frammentati si riorganizzano nella struttura interfasica per garantire una equa distribuzione nelle cellule figlie. Quindi i cromosomi gradualmente si decondensano ed inizia ad invaginarsi la membrana plasmatica perpendicolarmente all’asse del fuso. La telofase si conclude con la Citodieresi in cui il citoplasma si separa in modo equivalente nelle due figlie identiche quindi alla madre e questo avviene attraverso la formazione di un anello di proteine contrattili (actina e miosina) che stringe la cellula a livello equatoriale e la successiva distruzione del collegamento ad opera di proteina specializzate. Alla fine della mitosi (cellule somatiche) si ottengono due cellule figlie identiche fra loro e identiche alla cellula madre, aventi corredo cromosomico diploide (due copie di ogni cromosoma, ogni cromosoma costituito da un solo cromatidio). Nell’uomo 23 coppie di omologhi per un totale di 46 cromosomi in ciascuna cellula figlia. Alla fine della meiosi (cellule riproduttive, 2 divisioni cellulari) si ottengono 4 cellule figlie diverse fra loro, ciascuna con corredo cromosomico aploide (una sola copia di ciascun cromosoma, ogni cromosoma costituito da un solo cromatidio, nell’uomo 23 cromosomi in totale per ciascuna cellula figlia). 1.2.1. SISTEMI DI PROTEZIONE E SEGNALI Ci sono numerosi sistemi di protezione inseriti nel processo di divisione cellulare, al fine di assicurare che le cellule si dividano solo dopo aver prima terminato correttamente il processo di replicazione. Fra gli altri, ci sono sistemi capaci di determinare se il DNA è stato completamente replicato, è danneggiato e se è presente una quantità sufficiente di nutrienti per supportare la crescita cellulare. Se questo controllo trova degli errori, le cellule sane smettono di dividersi fino al momento in cui le condizioni non saranno nuovamente quelle corrette (le cellule tumorali non obbediscono a queste regole e continuano a dividersi in ogni caso). Si oltrepassa il punto di controllo in G1 solo se la dimensione della cellula è appropriata, la disponibilità dei nutrienti è sufficiente e sono presenti fattori di crescita. Quello in G2 solo se la dimensione della cellula è appropriata e la replicazione dei cromosomi è andata a buon fine, e infine oltrepasso quello della Metafase solo se tutti i cromosomi sono legati al fuso mitotico. La maggior parte delle cellule nell'organismo non si dividono continuamente, sono specializzate e quindi rimangono in G0. Il processo di divisione cellulare è attivo solo per una piccola percentuale di cellule (quelle dei tessuti che hanno necessità di rigenerarsi continuamente come ad es. epidermide, epitelio intestinale, endotelio). Le cellule si dividono per risposta a segnali esterni che gli "dicono" di iniziare il ciclo cellulare. Tali segnali possono derivare da proteine o da ormoni (insulin-like growth factor, IGF-1). Tali molecole-indicatori si legano alle proprie cellule bersaglio (e mandano segnali all'interno del nucleo) tramite dei recettori della membrana che riconoscono questi segnali e accendono geni specifici che controllano divisione cellulare (processo geneticamente controllato). Per esempio, quando ci procuriamo un taglio nella pelle, alcune cellule del sangue, le piastrine, iniziano a produrre un fattore di crescita che induce le cellule dell'apparato cutaneo a riprodursi e quindi a rimarginare la ferita. Cosa induce le cellule a bloccare il processo di divisione? - Mancanza di segnali positivi dall'esterno (ad es da cellule vicine come le piastrine o cellule lontane etc.): le cellule tumorali possono invece iniziare a dividersi senza la necessità di ricevere segnali esterni positivi. Per esempio, la crescita di cellule tumorali in una mammella può avvenire senza il bisogno di estrogeno, il fattore di crescita necessario alle cellule sane. Alcune cellule tumorali mammarie perdono completamente la loro capacità di rispondere all'estrogeno, bloccando l'espressione dell'estrogeno-recettore all'interno della cellula. Tali cellule saranno quindi capaci di replicarsi senza la necessità di ricevere un segnale di crescita dall'esterno. Le cellule tumorali possono dividersi anche senza aver ricevuto il segnale di "via libera". Contrariamente alle cellule sane che smettono di dividersi in presenza di materiale genetico (DNA) danneggiato: si otterranno cellule figlie contenenti un DNA anomalo o addirittura un numero di cromosomi anormale. Una divisione cellulare continua, conduce alla formazione di tumori. L'instabilità del patrimonio genetico che deriva da processi di divisione aberranti, contribuisce allo sviluppo del fenomeno di resistenza ai farmaci, caratteristico di molti tipi di tumori. Le mutazioni di alcuni geni specifici possono alterare il comportamento delle cellule in modo da indurre un aumento della crescita del tumore e il suo sviluppo. - Inibizione da contatto: se una cellula avverte di essere circondata in tutti i lati da altre cellule, smetterà di dividersi. Riprendendo l'esempio della ferita, le cellule si riprodurranno per richiudere il "buco" creato dalla ferita, ma poi smetteranno di dividersi non appena la ferita sarà cicatrizzata e rimarginata. Le cellule tumorali non manifestano l'inibizione per contatto, continuano a duplicarsi anche quando sono completamente circondate da altre cellule inducendo la formazione di una massa cellulare. - Senescenza cellulare: la maggior parte delle cellule sembrano avere un limite pre-programmato del numero di volte che potranno dividersi, il quale sembra essere basato, in parte, sull'abilità delle cellule di mantenere integro il proprio DNA. L'enzima telomerasi è responsabile della conservazione delle parti terminali dei cromosomi. Negli adulti, un grande numero di cellule non utilizza la telomerasi e alla fine muoiono. Nelle cellule cancerogene, la telomerasi è spesso attiva e permette alle cellule di continuare a riprodursi indefinitamente (limite di hayflick di divisioni cellulari, max 50). Nella fase G0 quindi la divisione è altamente regolata e controllata. Nella fase G1 tardiva esiste un punto di controllo detto punto di restrizione, che viene superato solo se presenti fattori proteici di crescita che si legano a recettori sulla cellula bersaglio e scatenano la sua crescita, la cellula quindi oltrepassa le fasi G1 e S ed è destinata a dividersi. Se i fattori di crescita non sono presenti, la cellula entra in uno stato di quiescenza detto G0, in cui le cellule permangono a lungo senza crescere o dividersi. Sono metabolicamente attive ma il loro tasso di sintesi proteica è molto ridotto rispetto alle cellule in crescita attiva. I fattori che promuovono la divisione e la crescita cellulare lo fanno legandosi a recettori della superficie cellulare e “sbloccando” i controlli intracellulari che impediscono la progressione del ciclo cellulare tramite la l’attivazione di complessi proteici che superano le barriere inibitorie che normalmente bloccano la progressione da G1 verso la fase S (Mitogeni), stimolando la crescita cellulare (aumento della massa cellulare) promuovendo la sintesi di proteine ed altre macromolecole e inibendo la loro degradazione (Fattori di crescita) o promuovendo la sopravvivenza cellulare sopprimendo l’apoptosi o morte “programmata” (Fattori di sopravvivenza). Gli organismi unicellulari tendono a crescere e a dividersi il più rapidamente possibile in base ai nutrienti, le cellule di un organismo pluricellulare si dividono invece solo quando c’è necessità per l’organismo (segnali extracellulari di stimolazione). Uno dei primi mitogeni ad essere stato identificato è stato il PDGF (Platelet-derived growth factor). Il cammino per il suo isolamento è iniziato in seguito all’osservazione che fibroblasti coltivati in vitro proliferavano se addizionati con siero ma non con plasma (sangue senza la parte corpuscolata, ma senza farlo coagulare). La capacità del siero di indurre proliferazione portò alla conclusione che nel siero ci fossero sostanze capaci di stimolare la proliferazione dei fibroblasti. In seguito si è scoperto che queste sostanze sono liberate dalle piastrine incorporate nel coagulo e il fattore chiave è una proteina, in seguito purificata, chiamata PDGF, che, liberato dai coaguli, probabilmente gioca un ruolo fondamentale nella stimolazione della divisione cellulare durante la guarigione delle ferite. Il PDGF è una delle oltre 50 proteine che sono note agire come mitogeni, ovvero possono stimolare la crescita, la sopravvivenza, il differenziamento o la migrazione a seconda delle circostanze e del tipo cellulare. La maggior parte delle cellule nel nostro corpo sono in fase G0, ma la reversibilità di questo stato varia nei diversi tipi cellulari. Neuroni e cellule muscolari scheletriche, ad es. sono in uno stato G0 definitivo: i sistemi di controllo del ciclo cellulare sono completamente smantellati e nessuna divisone cellulare è più possibile. Altri tipi cellulari invece sono in G0 solo transitoriamente e mantengono la capacità di rientrare nel ciclo di divisione (cellule epatiche). La durata del tempo che una cellula trascorre in G0 o in G1 può essere molto variabile, mentre dall’inizio della fase S la durata della mitosi è di solito breve (tipicamente 12-24 ore nei mammiferi) e relativamente costante, al di là dell’intervallo che c’è fra una divisione e la successiva. È interessante notare che molti componenti dei cammini di segnalazione intracellulare sono codificati da geni, identificati come oncogeni ossia “geni capaci di promuovere il cancro”, in quanto mutazioni a loro carico contribuiscono allo sviluppo del cancro. Se delle cellule non sono più necessarie, queste si «suicidano» attivando un programma intracellulare di morte (apoptosi). Essenzialmente la morte cellulare programmata aiuta a regolare il numero delle cellule. Nei tessuti adulti, la morte cellulare programmata bilancia esattamente la divisione cellulare: se non fosse così, il tessuto crescerebbe o si restringerebbe. Nei bambini in sviluppo per esempio serve ad eliminare le membrane da palmipedi che si formano sugli arti, negli adulti un danno al DNA irreparabile viene risolto con apoptosi. Le cellule che muoiono come risultato di un danno acuto tipicamente si rigonfiano e scoppiano, versando il loro contenuto su tutte le cellule vicine –un processo chiamato necrosi cellulare, provocando una risposta infiammatoria potenzialmente dannosa. Una cellula che subisce l’apoptosi invece muore pulitamente, senza danneggiare i suoi vicini. La cellula si raggrinzisce e si condensa, il citoscheletro collassa, il DNA nucleare si rompe in frammenti e la superficie cellulare si altera, mostrando proprietà che causano la rapida fagocitosi della cellula morente, da parte di una cellula circostante o da parte di un macrofago, prima che ci sia una perdita del suo contenuto. Ciò non soltanto evita le conseguenze dannose della necrosi cellulare ma permette anche il riciclaggio dei componenti organici della cellula morta da parte della cellula che la ingerisce. 1.3. TIPI CELLULARI E ORIGINE DEI TESSUTI In genere le cellule di un organismo sono differenziate per eseguire compiti specifici, quali il trasporto dell'ossigeno (globuli rossi, non hanno nucleo, è fondamentale che il citoplasma sia grande per portare più ossigeno possibile); la distruzione dei microrganismi invasori (globuli bianchi); la produzione di ormoni (cellule secretorie presenti nelle ghiandole) etc. Una volta distrutte alcune cellule non possono più essere sostituite (cellule nervose) mentre altre continuano a moltiplicarsi anche dopo la morte dell'organismo (unghie). Negli organismi pluricellulari le cellule si associano a formare tessuti organi e infine sistemi. In un individuo adulto si hanno circa 200 tipi di cellule diverse che in base a specifiche somiglianze si possono raggruppare in quattro tipi principali che danno vita a quattro tipi di tessuti fondamentali: cellule di tipo epiteliale, che formano i tessuti che rivestono l'esterno del corpo, il tubo digerente, l'apparato respiratorio e le vie urinarie comprendono anche le cellule del tessuto ghiandolare specializzato nella secrezione; cellule di tipo connettivale che comprendono le cellule del tessuto connettivo propriamente detto (che “cementa” il corpo), adipose, cartilaginee, ossee e le cellule del sangue; cellule di tipo muscolare che comprendono diversi tipi di cellule muscolari specializzate nella contrazione e infine cellule di tipo nervoso che comprendono le cellule che conducono i messaggi elettrochimici nell'organismo. Tutti i tessuti di un organismo adulto derivano da tre foglietti embrionali: Ectoderma, Endoderma e Mesoderma inizialmente costituiti da cellule molto simili in struttura che in poco tempo si modificano in modo straordinario. Al nono giorno, dopo la fecondazione, l’embrione è completamente sprofondato nella membrana uterina. Poco dopo si forma la placenta, che congiunge intimamente l’embrione alla madre, consentendo lo scambio di nutrienti. Subito dopo la fecondazione inizia un processo di segmentazione per cui la cellula uovo (grossa cellula con grandi riserve di nutrienti) si divide in numerose cellule più piccole Circa allo stadio di 16 cellule (3 giorni), le fessure tra le cellule più interne si allargano formando un'unica cavità (detta blastocele) e le cellule che circondano tale cavità si organizzano in un epitelio (blastoderma). A questo stadio l'embrione è chiamato «blastula», ha l'aspetto di una palla cava di cellule e va incontro ad un fondamentale processo di trasformazione chiamato gastrulazione che trasforma questa palla cava in una struttura a tre strati detta «gastrula», dove lo strato più profondo è detto endoderma, quello più superficiale è ectoderma e quello intermedio lasso è chiamato mesoderma. L'endoderma forma un tubo, l'intestino primitivo, che si estende dalla bocca all'ano (da origine alla faringe, all'esofago, allo stomaco e all'intestino, ma anche a molte ghiandole e strutture associate, ghiandole salivari, pancreas, fegato ma anche trachea e polmoni si sviluppano tutti da estroflessioni della parete del tubo digerente). Di queste strutture l'endoderma forma solo la tonaca epiteliale più interna (ad es l'epitelio che riveste l'intestino) mentre gli elementi fibrosi e muscolari della loro parete, derivano dal mesoderma. Il foglietto mesodermico fin dai primi stadi di sviluppo è suddiviso in due parti distinte disposte a destra e a sinistra del corpo. Dal mesoderma si forma molto precocemente la cosiddetta corda dorsale (notocorda). E' un cordone di cellule che fissa l'asse centrale del corpo ed posto fra ectoderma ed endoderma e che ha il mesoderma ai due lati. Nei vertebrati costituisce il nucleo attorno a cui si formano le vertebre (precursore della colonna vertebrale). Esso inoltre da origine ai tessuti connettivi del corpo. Inizialmente dal mesoderma deriva una rete lassa di cellule (mesenchima) che riempie gli spazi fra gli abbozzi di organi e poi forma osso, cartilagine, tessuti muscolari e tessuto fibroso. Derivano dal mesoderma anche il sistema urogenitale e quello vascolare (compreso cuore e cellule ematiche). Alla fine della gastrulazione l'ectoderma avvolge l'embrione e quindi andrà a formare l'epidermide. Ne deriva anche il sistema nervoso completo: attraverso un processo detto neurulazione, un'ampia zona centrale di ectoderma si ispessisce e si modifica formando il tubo neurale (abbozzo dell'encefalo e del midollo spinale) che si stacca dal resto del foglietto ed è collocato sopra la corda dorsale. Lungo la linea dove il tubo si stacca dalla futura epidermide alcune cellule ectodermiche (le cellule della cresta neurale) si staccano e migrano attraverso il mesoderma per andare poi a dare origine a quasi tutte le parti periferiche del sistema nervoso. Sono di origine ectodermica anche gli organi di senso (alcuni derivano dal tubo neurale altri dalla cresta neurale e altri dal foglietto esterno dell'ectoderma). Dall’Ectoderma derivano: -Il tessuto epiteliale -Il sistema nervoso -le ghiandole salivari -la mucosa interna del naso e parte di quella che ricopre la bocca -la porzione anteriore dell’ipofisi -la maggior parte degli occhi Dal Mesoderma derivano: -il tessuto connettivo -lo scheletro -i muscoli -il cuore -i vasi sanguigni (arterie, vene e capillari) -il sistema linfatico -i reni -le membrane sierose -l’uretere -la corteccia surrenale -le gonadi -le vie genitali femminili -Il derma -Il tessuto sottocutaneo Dall’Endoderma derivano: -l’apparato digerente -l’apparato respiratorio -la vescica -parte dell’uretra e della vagina -l’orecchio medio -la mucosa che ricopre il fegato e il pancreas -la tiroide, le paratiroidi e le restanti ghiandole endocrine -la mucosa che ricopre il tratto digestivo e quello respiratorio 1.4. LA MEMBRANA CELLULARE È l'elemento comune a tutte le cellule, ne delimita i contorni esterni e dei suoi compartimenti interni (organelli intracelulari). Le membrane, sia quelle che delimitano e costituiscono gli organuli cellulari che quella che riveste la cellula, hanno la stessa struttura; pertanto la membrana si definisce unitaria. È fondamentale in quanto la compartimentalizzazione delle attività all'interno di specifiche regioni cellulari delimitate da membrana permette alla cellula di risolvere il problema della “concentrazione” di composti essenziali e di catalizzatori (enzimi) senza penalizzare le capacità sintetiche della cellula, ovvero in ogni organello posso produrre la quantità necessaria di ligando senza preoccuparmi di gradienti. La membrana consente inoltre la divisione in compartimenti funzionali ad esempio il mitocondrio contiene enzimi, substrati e molecole utili per il processo della respirazione aerobica, il lisosoma contiene enzimi per la degradazione selettiva di proteine e lipidi. La membrana plasmatica quindi: delimita il citoplasma formando una barriera meccanica, controlla l'accesso dei soluti e dei solventi permettendo che le caratteristiche del citoplasma differiscano da quelle dell’ambiente esterno, risponde mediante specifici recettori alla presenza di molecole segnale presenti all'esterno innescando reazioni interne di risposta, permette l'entrata e l'uscita di macromolecole e strutture di grosse dimensioni, presenta molecole specifiche che permettono alla cellula di essere riconosciuta, di aderire ad altre cellule e di comunicare con loro. La membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico contenente una grande varietà di proteine, una piccola percentuale di glucidi (10%) e, nelle cellule animali, numerose molecole di colesterolo. Lipidi e proteine si associano con interazioni non-covalenti formando una “pellicola” di circa 8 nm di spessore. Le teste polari dei fosfolipidi sono idrofile, sono quindi rivolte verso gli ambienti esterni e interni della cellula. Le code apolari sono idrofobiche e sono rivolte verso l’interno della membrana. Possiamo definire la membrana come un ‘mosaico’ di proteine, affondate in un doppio strato lipidico fluido. Proteine e lipidi si muovono “lateralmente” all’interno del doppio strato. Da qui il nome “mosaico fluido”. Il doppio strato lipidico fornisce la struttura di base, mentre le proteine sono responsabili delle diverse funzioni esplicate dalla membrana. I legami di tipo apolare che si formano fra le catene di acidi grassi assieme alla loro tendenza a sfuggire il mezzo acquoso conferiscono gande stabilità alla membrana. I tre tipi di fosfolipidi che troviamo sono: fosfogliceridi, sfingolipidi e steroidi. I primi consistono in un glicerolo il cui C3 è legato ad un gruppo fosfato che a sua volta si lega ad un gruppo polare (glicerolo, serina, colina…). Gli acidi grassi sono formati da 16,18,20 atomi di C, e la maggior parte dei fosfogliceridi presenta un acido grasso saturo lineare legato al C1 e uno insaturo (uno o più doppi legami) legato al C2. Tra i fosfolipidi sono inserite molecole di colesterolo (0-20% dei grassi), che danno particolari proprietà alle membrane fosfolipidiche, ovvero funzionando da tampone di fluidità, impedendo alla membrana di irrigidirsi troppo con l’abbassarsi della temperatura e viceversa. Inoltre la percentuale di colesterolo può variare in base alle esigenze della cellula. I singoli fosfolipidi si muovono di continuo navigando tra gli altri e permettendo alla membrana di deformarsi, muovendosi lateralmente o ruotando. Da notare che le teste idrofiliche esterne sono diverse da quelle interne, e questo è infatti un indice di vitalità per esempio della fosfatidilserina, che ‘ruota’ fra esterno e interno al momento della sua morte dando segnale ai fagociti di intervenire per la rimozione. La specificità funzionale (adesione, trasporto, ricezione di segnali) delle membrane dei diversi distretti cellulari è assicurata dalla componente proteica, tutte le membrane infatti (inclusa quella plasmatica) si originano a livello del reticolo endoplasmatico rugoso, proprio dove vengono sintetizzate le proteine di membrana, associate poi alla membrana. Come avviene questo? Prima dobbiamo capire la destinazione finale delle diverse proteine, come viene determinata? Le proteine vengono sintetizzate tramite le informazioni contenute nell’RNA messaggero sia a livello dei ribosomi liberi nel citoplasma sia a livello del reticolo endoplasmatico (ribosomi associati alle membrane). La destinazione dipende da dove sono state prodotte e viene determinata da una sequenza terminale che viene riconosciuta e poi staccata quando la proteina è arrivata a destinazione. I ribosomi liberi producono proteine con destinazione citoplasmatica (enzimi), nucleica, mitocondriale o per i perossisomi. Quelli associati al reticolo endoplasmatico invece producono proteine di membrana e secretorie. Le proteine di membrana si dividono in intrinseche (integrali) ed estrinseche (periferiche), la differenza si vede bene in figura. Nelle proteine integrali, dette anche trans-membrana, sono state individuate due configurazioni, una semplice, di forma allungata e consistente in una alfa-elica inserita nell’interno idrofobo della membrana con porzioni idrofile irregolari che sporgono. La seconda configurazione è tipica delle proteine globulari, la catena peptidica forma diversi passaggi attraverso la membrana con una serie di alfa eliche. Le proteine possiedono poli che si dividono in zone idrofile dove si accumulano i gruppi polari dei componenti amminoacidici e zone lipofile formate dalle catene idrocarburiche apolari degli amminoacidi. Le zone lipofile interagiscono con le code idrofobe delle molecole lipidiche del doppio strato. Le zone idrofile sono in connessione con le teste idrofile dei lipidi del doppio strato. Questa organizzazione rende stabile la membrana. Importante rammentare che sulla superficie (specie esterna) della membrana si trovano anche dei glucidi legati a lipidi (glicolipidi) o a proteine (glicoproteine). Il complesso di queste catene glucidiche costituisce il glicocalice. Questi complessi servono da segnale di identità della cellula o reagiscono a specifiche sostanze dello spazio extracellulare. 1.5. MORFOLOGIA E TRASPORTI DELLA MEMBRANA Perché le membrana sono fluide? Questo consente alle proteine di membrana di muoversi a seconda di esigenze e inoltre permette la fusione delle membrane biologiche. I fattori che influenzano la fluidità di membrana sono: temperatura, esiste infatti una temperatura di transizione di fase (Tm) al di sopra della quale il doppio strato lipidico è fluido e funziona correttamente mentre al disotto è “gelificato”; composizione delle catene di AG dei Fosfolipidi, all’aumentare della lunghezza delle catene di AG aumenta la Tm e quindi diminuisce la fluidità, all’aumentare del loro grado di insaturazione avviene l’inverso (i doppi legami impediscono loro di associarsi) ; contenuto di colesterolo, il colesterolo si comporta da “tampone di fluidità” impedendo aumenti o diminuzioni di fluidità dovute ad aumenti o diminuzioni di temperatura. La fluidità è fondamentale inoltre per i processi di trasporto e per le attività enzimatiche: la membrana si mantiene fluida anche a basse temperature solo se è ricca di fosfolipidi con code idrocarburiche insature. Il movimento laterale dei fosfolipidi all’interno della membrana è rapido: mediamente 2 micrometri al secondo e possono diffondere lateralmente, ruotare, flettere le loro code, oscillare su e giù, diffondere trasversalmente. Dato che la flessione aumenta verso la fine delle code, il centro del doppio strato ha il più alto grado di fluidità. La membrana è asimmetrica. Questa asimmetria si stabilisce durante la biogenesi nel reticolo endoplasmatico e viene mantenuta grazie alla presenza di “traslocatori” di membrana e quindi grazie alle differenti proteine presenti sui lati citosolico ed extra-cellulare. I trasporti di membrana avvengono con modalità diverse: possono essere passivi, attivi o vescicolari. I trasporti passivi sono spontanei, avvengono secondo gradiente e quindi senza dispendio di energia. Si dividono in diffusioni semplici (molecole di piccole dimensioni, non servono proteine carrier e non serve energia), diffusioni facilitate (molecole attraverso canali o carrier, ovvero proteine di trasporto integrate in membrana, non serve energia) e infine osmosi (diffusione di solventi, che per gli organismi viventi è acqua, attraverso la membrana per gradiente di soluto o di potenziale idrico/osmotico). Nel caso di diffusione semplice per molecole piccole si intendono gas come ossigeno o anidride carbonica, benzene, piccole molecole polari. Non passano molecole grosse polari come il glucosio o molecole cariche come ioni ed amminoacidi con questo sistema di diffusione. I trasporti attivi richiedono energia metabolica (ATP) poiché in questo caso i soluti si muovono contro gradiente. L’attivo può essere primario se utilizza direttamente l’energia prodotta da idrolisi di ATP in ADP o secondario se usa l’energia di un gradiente di concentrazione creato in precedenza da un altro trasporto attivo primario. Le proteine per il trasporto attivo primario sono proteine di membrana (enzimi) definite ATPasi che cambiano conformazione sfruttando l’energia dell’ATP. Un esempio è la pompa Na+/K+-ATPasi, costituita da due subunità A e 2 subunità B, che lavora trasportando ioni Na+ e ioni K+ contro gradiente così da mantenere stabile i gradienti di concentrazione dei due ioni ai due lati della membrana. Caso a parte è il trasporto degli ioni. Sappiamo che ai due lati della membrana esiste una diversa distribuzione di carica (Potenziale Elettrico), il citoplasma è infatti complessivamente negativo, mentre il liquido extracellulare positivo. Due forze guidano il trasporto di ioni attraverso la membrana, il Gradiente di concentrazione e il Gradiente elettrico, tanto che si parla di Gradiente elettrochimico. Il trasporto avviene sempre attraverso canali o pompe ATP-dipendenti (dirette o per cotrasporto). 2. IL TESSUTO CONNETTIVO E’ un tessuto estremamente importante, in quanto svolge funzioni di collegamento, sostegno e nutrimento dei tessuti di molti organi). Esistono diversi tipi di connettivo classificati in base a criteri morfologici e criteri funzionali. Il più comune è il “connettivo propriamente detto”. Svolge funzioni di sostegno e protezione, costituisce infatti la base sui cui poggiano i diversi epiteli e contribuisce alla difesa dell’organismo contro urti e traumi esterni. Ne esistono tre sottotipi: connettivo lasso, denso e reticolare (criteri morfologici). Vi sono poi diversi tipi di connettivi specializzati per svolgere una funzione particolare: Tessuto Adiposo, Endoteliale (origine mesenchimale ma differisce per funzione da epitelio), Cartilagineo, Osseo, Sangue, Linfa (criteri funzionali). I tessuti connettivi sono altamente vascolarizzati, eccetto la cartilagine. Il tessuto connettivo è un groviglio di fili e fibre, è il “ riempitivo “ del nostro organismo (negli spazi vuoti fra gli organi), il connettivo infatti fa da sostegno per esempio al sistema circolatorio, senza connettivo la rete capillare ad esempio, così fragile, non potrebbe “adagiarsi“. Fibre e cellule del connettivo si insinuano ovunque, estendendosi, raggomitolandosi. Le fibre del connettivo sono di vario tipo. Le più abbondanti sono le cosiddette fibre collagene, che devono la loro grande solidità alla proteina straordinariamente resistente che le costituisce, il collagene. Poi ci sono le fibre elastiche, costituite dalla proteina elastina, e dopo l'estensione possono tornare nella posizione iniziale. Gli spazi vuoti sono occupati da liquidi extra-cellulari, e diventano così delle specie di paludi dove circolano sostanze nutrienti, ormoni e cellule come macrofagi e linfociti. Nel connettivo c'è anche una “colla” (anch'essa prodotta dai fibroblasti). E' un impasto complesso di zuccheri e proteine, che sotto l'azione di enzimi e ormoni può diventare più o meno duro. E' dal suo graduale indurimento che dipende, fra l'altro l'invecchiamento del tessuto connettivo. 2.1. CELLULE DEL TESSUTO CONNETTIVO Le cellule del tessuto connettivo sono relativamente poche: la massa del tessuto consiste infatti di sostanza posta fra le cellule (matrice extracellulare, ECM) che ha caratteristiche diverse nei diversi tipi di tessuto connettivo. Le diverse cellule sono deputate a svolgere attività diverse: formazione e al mantenimento della matrice, fibroblasti e fibrociti; difesa dell’organismo, macrofagi, mastociti, linfociti; funzioni speciali, adipociti (che accumulano grassi come riserva energetica del corpo). I fibroblasti (fondamentali nel tessuto connettivo propriamente detto) producono le fibre e gli altri componenti della matrice extracellulare (componente principale del tessuto, da cui dipendono le “funzioni di sostegno” proprie del connettivo). Hanno un aspetto variabile (fusiforme, stellato, etc.) e sono dispersi nella matrice. I macrofagi provvedono alla fagocitosi (assorbimento ed eliminazione di virus, batteri), alla risposta immunitaria (mostrano sulla membrana gli antigeni dei batteri fagocitati permettendone il riconoscimento da parte dei linfociti con conseguente produzione di specifici anticorpi). Hanno una forma sferica e sono immobilizzate nel connettivo, da dove, in caso di infezione, si riversano nel sistema circolatorio raggiungendo la sede dell’infezione. I linfociti (cellule del sistema immunitario) e i mastociti, pur essendo cellule del connettivo, si trovano in prevalenza libere nel sangue. I linfociti si dividono in linfociti B e linfociti T: i linfociti B riconoscono gli antigeni e si trasformano in plasmacellule che producono gli specifici anticorpi, i linfociti T, oltre a cooperare nel riconoscimento degli antigeni, sono deputati alla risposta self, ossia alla eliminazione di cellule che appartengono all’organismo stesso ma sono alterate da virus o cancerogene. La funzione principale dei mastociti invece è la produzione di sostanze ad azione paraormonale come l’istamina, vasodilatatore che favorisce l’arrivo di macrofagi e linfociti, ed eparina, anticoagulante dalla forma tondeggiante. Come abbiamo già detto la componente principale del tessuto connettivo è però la ECM, una sostanza gelatinosa, costituita da una parte fibrosa (fibre di natura proteica) immersa in un gel acquoso di polisaccaridi (matrice amorfa o sostanza fondamentale). Quest’ultima costituisce un gel compatto, dove sono immerse le fibre, ed è formata da molecole di natura glucidica: glicosamminoglicani (GAG, polisaccaridi solforati e non, il più abbondante é l’Acido Ialuronico) e da associazioni di questi con proteine (dette core, che fanno da scheletro), proteoglicani. In misura minore ci sono anche proteine come la fibronectina. Più proteoglicani possono poi unirsi intorno ad un’unica molecola di acido ialuronico, formando aggregati superiori con peso di milioni di uma. La parte fibrosa invece conferisce alla matrice stabilità strutturale tramite tre tipi principali: fibre collagene fibre reticolari, fibre elastiche. Le fibre collagene sono costituite da catene di collagene organizzate a formare fibre a loro volta organizzate in fasci fittamente stipati, sono resistenti alla trazione e subiscono un allungamento trascurabile. Le fibre reticolari sono costituite da catene di collagene (tipo III) organizzate a formare fibre che formano un intreccio ramificato piuttosto che fasci. Infine le fibre elastiche sono costituite da microfibrille di elastina e fibrillina organizzate in una disposizione altamente ordinata e sono altamente elastiche, sopportano tensioni e torsioni notevoli deformandosi per poi tornare allo stato originario. 2.2. TIPOLOGIE DI TESSUTO CONNETTIVO Esistono 3 tipi di connettivo propriamente detto: 1) Connettivo Lasso È il connettivo più comune nei mammiferi, forma l’impalcatura di sostegno (tonaca) del tessuto epiteliale in diverse sedi esterne e interne del corpo. Sostiene anche il tessuto muscolare e i nervi. Ha un aspetto gelatinoso in quanto la sostanza amorfa prevale sulle fibre 2) Connettivo Denso Nel tessuto connettivo denso (o compatto) le fibre collagene predominano sulle cellule e sulla sostanza amorfa, e sono raccolte in grossi fasci stipati. Per questo motivo il tessuto connettivo denso è definito anche tessuto connettivo fibroso. I fasci di fibre collagene possono disporsi parallelamente secondo un disegno preciso (maggiore resistenza a trazione, si formano così tendini e legamenti) o possono intrecciarsi tra loro senza un orientamento ordinato (derma sottocutaneo o struttura di supporto di altri organi e ghiandole), si distinguono così, rispettivamente, il tessuto connettivo denso (o compatto) regolare e il tessuto connettivo denso (o compatto) irregolare. Il tessuto connettivo denso non presenta confini netti e precisi con il tessuto connettivo lasso. 3) Connettivo Reticolare Costituito in prevalenza da fibre reticolari, si riscontra solo in sedi particolari: le fibre reticolari circondano le singole fibre muscolari e le fibre nervose periferiche in modo da isolarle fra di loro, circondano gli adipociti, formano la sottile trama reticolare che costituisce lo stroma connettivale degli organi linfoidi e delle grosse ghiandole, sia esocrine che endocrine (fegato). 2.3. IL TESSUTO CARTILAGINEO Il tessuto cartilagineo fa parte di quelli che si chiamano connettivi specializzati e insieme al tessuto osseo appartiene ai tessuti connettivi di sostegno. Nei Mammiferi la maggior parte dello scheletro si forma durante lo sviluppo embrionale sotto forma di abbozzi cartilaginei che vengono poi sostituiti da osso durante l’accrescimento post-natale, quando la cartilagine rimane nelle zone di confine tra epifisi (estremità) e diafisi (corpo centrale) delle ossa lunghe. Nell’adulto infine la cartilagine rimane in poche sedi, quali le superfici articolari delle ossa, l’orecchio esterno, il naso, la laringe, la trachea ed i bronchi. Normalmente, tranne che sulle superfici articolari, la cartilagine è rivestita da «pericondrio» (ostacolerebbe la funzione di articolazione) che si presenta come un involucro di tessuto connettivo fibroso compatto altamente vascolarizzato. La cartilagine non è innervata né vascolarizzata e pertanto viene nutrita per diffusione. Questo tessuto ha funzioni scheletriche (impedisce agli organi cavi di collassare, come orecchio e vie respiratorie); permette il movimento dei capi articolari (cartilagini articolari); costituisce il modello per la formazione dello scheletro definitivo (nel feto); favorisce l’accrescimento in lunghezza di molte ossa (cartilagine di coniugazione). È costituito da cellule (deputate alla sintesi e secrezione della matrice extracellulare) e da abbondante sostanza intercellulare formata da fibre immerse in una sostanza fondamentale allo stato di gel (proteoglicani, lipidi, lipoproteine, acqua). Si distinguono tre tipi di cartilagine: cartilagine jalina, elastica, fibrosa, sulla base dell’abbondanza della sostanza amorfa o delle fibre che vi sono incluse e della natura di queste. Se si osserva una cartilagine articolare al microscopio, si nota la sua somiglianza con una spugna. Finchè l’articolazione non è sollecitata, la cartilagine è imbibita di liquido (liquido sinoviale): non appena avviene un movimento o viene esercitata una pressione, il liquido scompare, come se una spugna piena d’acqua fosse stata spremuta. Questo liquido, purtroppo, nel tempo, tende a scomparire gradualmente, per cui la spugna tende a seccarsi perdendo la sua elasticità. I micro-traumi e gli sfregamenti ripetuti nel tempo consumano la cartilagine che può arrivare a scomparire lasciando l’osso direttamente esposto all’usura e quindi soggetto a deformazione (artrosi). Il liquido sinuviale è prodotto dalla membrana sinuviale; oltre alla sua preziosa azione lubrificante, il liquido sinoviale ha anche proprietà nutritive per la cartilagine stessa. Le caratteristiche fisiche di plasticità, elasticità e viscosità del liquido sinoviale sono garantite dalla sua particolare composizione, nella quale abbondano la lubricina e l'acido ialuronico (glicosaminoglicano formato da N-acetilglicosamina ed acido glicuronico). In termini di cellule nella cartilagine troviamo: cellule condrogeniche, fusiformi con nucleo ovoidale, situate nello strato più interno del pericondrio. Possono dividersi dando origine a condroblasti o a cellule osteo-progenitrici (sono cellule staminali primitive); condroblasti, cellule derivanti direttamente da cellule mesenchimali o dalle cellule condrogeniche, ricche di organuli necessari per la sintesi proteica. Una volta differenziatesi, cominciano a secernere attorno ad esse la tipica matrice extracellulare del tessuto cartilagineo. Mano a mano che si forma la matrice, i condroblasti rimangono circondati dalla matrice e si trovano localizzati in piccole «lacune». A questo punto si chiamano condrociti. Questi ultimi possono essere “binucleati” e contengono lipidi, glicogeno e acqua. I condrociti sono ancora capaci di dividersi, formando piccoli aggregati di poche cellule noti come gruppi isogeni (cellule che derivano dalla divisione di un condrocita primario). Hanno forma variabile in funzione della localizzazione. I condrociti si coltivano con difficoltà, non sono facilmente isolabili e comunque una volta isolati tendono a de-differenziare. Questo è un limite dell’ingegneria tissutale fatta con cellule del paziente: c’è poca disponibilità di tessuto cartilagineo, e se ne può comunque prelevare poco, inoltre la proliferazione è ostacolata da questa de-differenziazione (si trasformano in cellule più simili ai fibroblasti). La matrice extracellulare cartilaginea è un gel compatto ed omogeneo composto da sostanza amorfa e fibre. Nella sostanza amorfa troviamo GAG, proteoglicani, glicoproteine e fibre di collagene (di tipo II soprattutto). Si distinguono: una matrice territoriale, più ricca di sostanza amorfa e più vicina alle “lacune” contenenti i condrociti, e una matrice interterritoriale, più ricca di fibre, più distante dalle cellule (più vicina al pericondrio). Il pericondrio come abbiamo detto è il rivestimento di connettivo denso vascolarizzato, non sempre presente. Manca sia nella cartilagine ialina di tipo “articolare” sia nella cartilagine fibrosa. Il pericondrio è costituito da due strati, uno più esterno (capsula di rivestimento di connettivo denso) e uno più interno formato da cellule condrogeniche. La Cartilagine Ialina è una sostanza vetrosa, traslucida, bianco-bluastra, relativamente elastica. È la più diffusa nell’organismo in quanto si trova nelle articolazioni sterno-costali, sulle superfici articolari delle ossa, nelle sezioni di accrescimento delle ossa lunghe, negli anelli tracheali, nei grossi bronchi, nel naso e in parte della laringe. La matrice di questa è nuovamente un gel denso che consente però la diffusione dei nutrienti, infatti la cartilagine ialina non contiene né vasi né nervi e la sua nutrizione avviene per diffusione di sostanze dai vasi periferici. In questa cartilagine le cellule (condrociti e condroblasti) sono accolte in piccole escavazioni della matrice chiamate lacunee cartilaginee. Le cellule più esterne sono isolate e di aspetto fusiforme, quelle situate più in profondità sono disposte in piccoli gruppi (2-5) detti gruppi isogeni ed hanno forma tondeggiante. Le cellule elaborano le due componenti della matrice: sostanza amorfa (che conferisce elasticità) e fibre (che conferiscono forza tensile). La cartilagine ialina, che riveste le superfici ossee articolari per favorirne lo scorrimento è priva di pericondrio che impedirebbe lo scorrimento e riceve nutrimento dal liquido sinuviale (sinovia) che è un lubrificante. La Cartilagine Fibrosa è una forma di transizione, fra connettivo denso e cartilagine. E’ caratterizzata da grossi fasci di fibre immersi poca sostanza amorfa e si trova vicino ai tendini e alle inserzioni dei legamenti, somiglia al connettivo denso ma al posto dei fibroblasti contiene condrociti. Infine la Cartilagine Elastica (giallastra, opaca, flessibile ed elastica) contiene poca sostanza amorfa (quindi ha basso contenuto in proteoglicani) ma molte fibre elastiche. Costituisce le cartilagini nasali, laringee e del padiglione auricolare. Per quanto riguarda l’istogenesi del tessuto cartilagineo, durante lo sviluppo embrionale le cellule mesenchimali formano dei centri precartilaginei (centri di condrificazione). Le cellule mesenchimali retraggono poi i prolungamenti e si dispongono a mutuo contatto tra loro (forma semiepiteliale), quindi vanno incontro a divisione e si differenziano in condroblasti che cominciano a produrre i componenti della cartilagine (matrice e fibre). Man mano la matrice diventa più densa, le cellule non possono più allontanarsi e rimangono isolate nelle lacune, diventano condrociti e formano i gruppi isogeni. La cartilagine può andare incontro a due tipi di accrescimento: accrescimento interstiziale, la cartilagine si espande dall'interno verso l'esterno attraverso la divisione dei condrociti e la produzione di matrice da parte di questi ultimi; accrescimento apposizionale, crescita dall’esterno verso l’interno, nuove cellule cartilaginee si formano dallo strato interno del pericondrio per divisione delle cellule condrogeniche. Queste si aggiungono al tessuto provenendo dall'esterno e una volta entrate a farne parte producono i costituenti della cartilagine. 2.4. IL TESSUTO OSSEO E’ un connettivo specializzato che si forma a partire dal tessuto cartilagineo (scheletro cartilagineo) attraverso un processo di Ossificazione. Il tessuto osseo forma le ossa che concorrono a costituire lo scheletro dei vertebrati svolgendo una funzione di sostegno del corpo, di protezione degli organi vitali (come nel caso della cassa toracica) e permettendo, insieme ai muscoli, il movimento. Il tessuto osseo costituisce un'indubbia riserva di calcio da cui l'organismo attinge in particolari momenti di bisogno per mezzo di una coordinazione ormonale. Nelle estremità delle ossa lunghe (le epifisi) si trova il midollo osseo rosso, tessuto emopoietico costituito da cellule staminali che subiscono frequentemente mitosi. Anatomicamente, è formato da cellule, disperse in una matrice extracellulare ricca di fibre collagene (20% del peso secco) glicoproteine e mucopolisaccaridi. La matrice comprende anche una componente inorganica, costituita da sali minerali, principalmente fosfato di calcio e carbonato di calcio (60-65% del peso secco del tessuto osseo) si parla infatti di tessuto calcificato. Tra le cellule del tessuto osseo troviamo: Cellule osteoprogenitrici, si tratta di cellule staminali che rappresentano una prima differenziazione delle cellule mesenchimali, hanno forma allungata, un nucleo ovale e una elevata capacità proliferativa; Osteoblasti, di forma globosa o cubica, con un nucleo voluminoso. Derivano dalla differenziazione delle cellule osteoprogenitrici. Sono deputati alla sintesi della matrice, sono infatti costantemente impegnate nelle fasi di formazione dell'osso, nella sintesi dei componenti molecolari che andranno a costituire sia le fibre che le glicoproteine della matrice. Tali composti vengono successivamente espulsi dalle cellule per esocitosi e vengono quindi assemblati nella loro forma definitiva all'esterno della cellula. Una volta completata la sintesi della matrice, ed una volta avvenuta la sua calcificazione, gli osteoblasti si sistemano in cavità ellissoidali non mineralizzate scavate nella matrice stessa definite “lacunee ossee”. In questa fase prendono il nome di osteociti e, pur rimanendo cellule vitali, entrano in uno stato di quiescenza. Gli Osteociti sono appunto le cellule dell’osso maturo. Presentano prolungamenti citoplasmatici con cui attingono alle sostanze nutritive e che decorrono all'interno di microgallerie, definite canalicoli ossei. Hanno un nucleo centrale voluminoso e controllano gli osteoblasti mediante opportuni segnali qualora vi sia bisogno di deporre matrice ossea. Controllano anche l'azione degli osteoclasti. Gli Osteoclasti sono cellule giganti (100-200 μm), plurinucleate (fino a 50 nuclei) di forma irregolare. Sono deputate al riassorbimento del tessuto invecchiato, producono e secernono infatti enzimi che agiscono degradando la matrice calcificata e permettendo il riassorbimento dell'osso. Questi enzimi entrano in gioco sia nei processi di crescita, durante i quali è necessaria la sostituzione del tessuto osseo immaturo (non lamellare) con tessuto osseo adulto (lamellare), sia per permettere le successive rimodellazioni dell'osso. Non sono cellule autoctone del tessuto osseo, in quanto non appartengono alla linea che deriva dalle cellule osteoprogenitrici, derivano da precursori macrofagici-monicitari nel midollo osseo. Solitamente sono accolte in cavità, dette lacune di Howship, che si formano a seguito dell’azione erosiva delle cellule sull’osso. Presentano infine un orletto increspato a livello del quale si può rivelare la presenza dell’enzima anidrasi carbonica e di pompe a protoni che determinano il processo di acidificazione del microambiente con cui inizia la dissoluzione della componente minerale e quindi il riassorbimento della matrice ossea A destra vediamo una micrografia elettronica a trasmissione di un osteoblasto (in alto) e di un osteocita neoformato, racchiuso da ogni lato da matrice ossea mineralizzata (in nero) e in connessione con l’osteoblasto mediante prolungamenti citoplasmatici. A destra, micrografia elettronica a scansione di un osteocita dal cui citoplasma si dipartono numerosi prolungamenti, perlopiù diretti verso gli osteoblasti sovrastanti. Sotto invece una Micrografia elettronica a scansione di un osteoclasto all’interno di una lacuna di Howship i cui margini sono indicati dalle frecce. Infine una ricostruzione 3D di un osteoclasto in cui sono evidenti l’orletto increspato che aggetta nella lacuna di Howship, la zona delle vescicole chiare, la zona dei lisosomi e la zona dei nuclei, contenente anche mitocondri, apparati di Golgi multipli ed elementi di reticolo endoplasmico granulare. La zona chiara, ricca di filamenti contrattili, forma un cercine adeso alla matrice ossea tutto attorno all’orletto increspato 2.5. TIPOLOGIE DI TESSUTO OSSEO Nei mammiferi adulti (compreso l’uomo) il tessuto osseo è organizzato in lamelle, strutture appiattite in cui si dispongono le cellule, le fibre collagene e la matrice. Le lamelle possono avere diverso orientamento reciproco e collegandosi tra loro costituire una struttura di aspetto spugnoso (tessuto osseo spugnoso, in foto a destra) oppure disporsi parallelamente una accanto all’altra e formare una struttura compatta (tessuto osseo compatto). In quest’ultimo si identificano strutture formate da lamelle disposte in modo concentrico chiamate osteoni. Ogni osteone è attraversato al centro dal canale di Havers e in modo obliquo o trasversale altri canali di calibro minore (Volkmann), collegandosi ai canali di Havers. Tra i vari osteoni vi sono altri gruppi di lamelle disposte in modo più irregolare che costituiscono il sistema interstiziale. Il sistema di canali è attraversato da piccoli vasi e nervi, fondamentali per il nutrimento. In basso a sinistra vediamo una sezione di tessuto osseo compatto che mostra l’organizzazione lamellare. A destra invece vediamo un osteone (al centro) in via di formazione: si nota il canale di Havers molto ampio in cui è presente una fila continua di osteoblasti che sa deponendo una nuova lamella concentrica a quelle esistenti. Nel tessuto osseo spugnoso invece le lamelle creano un reticolo, ricco di cavità che conferiscono al tessuto l’aspetto spugnoso. Non ci sono canali di Havers e di Volkmann e la nutrizione è affidata al sangue che scorre nei vasi situati nel rivestimento (endostio) delle cavità ossee interne. L'endostio è un delicato strato di tessuto che, nelle ossa lunghe tappezza la cavità midollare della diafisi (al cui interno è contenuto il midollo osseo giallo, produttore degli elementi corpuscolati del sangue); è composto da un unico strato di cellule osteoprogenitrici ed ha le stesse caratteristiche del periostio, rispetto al quale è però più sottile. L'endostio è quindi deputato al nutrimento e a fornire nuove cellule ossee. Il periostio è una membrana di tessuto connettivo, di colorito biancastro e spessore variabile, che avvolge tutte le ossa del corpo umano, fatta eccezione per le superfici articolari (ricoperte di cartilagine) e i punti in cui si inseriscono tendini e legamenti. Il periostio permette l'accrescimento in larghezza delle ossa, ed invia all'osso sottostante numerosi piccoli vasi. Può essere suddiviso in due strati: uno interno, osteogenico, ed uno esterno, fibroso. Lo strato più interno del periostio, riccamente vascolarizzato, è popolato da numerose cellule oteoblastiche e osteoprogenitrici, deputate alla produzione di tessuto osseo. Queste cellule, lavorao a ritmi più o meno intensi nelle varie fasi della vita (crescita, rimodellamento, riparazione). Lo strato più esterno è caratterizzato da numerosi vasi, alcuni dei quali attraversano lo strato profondo, penetrando nei canali di Volkmann, dai quali possono raggiungere i canali di Havers. 2.6. FISIOLOGIA DEL TESSUTO OSSEO Il Tessuto Osseo è il costituente fondamentale delle ossa ma si trova anche nei denti (dentina e cemento). Svolge un ruolo essenziale nell’omeostasi del calcio essendo in principale serbatoio dell’organismo in cui il calcio si accumula e da cui può essere rilasciato. Il tessuto osseo è soggetto a continuo rinnovamento per tutta la vita dell’individuo così da adattarsi alle esigenze meccaniche dell’individuo: in caso di frattura il tessuto si autoripara, oppure si irrobustisce se lo scheletro è continuamente sollecitato (attività agonistica). Il cosiddetto rimaneggiamento serve perché col passare del tempo il tessuto tende ad infragilirsi per il rilascio del calcio. In risposta a stimoli ormonali (calcitonina, paratormone) il tessuto osseo riassorbe o rilascia calcio nel sangue. Gli osteoblasti costruiscono nuovo tessuto, gli osteoclasti degradano quello vecchio. Durante il processo fisiologico di invecchiamento, il processo di rimaneggiamento osseo può divenire meno efficiente causando patologie come ad esempio l’osteoporosi. Il processo di ossificazione avviene in due modalità: 1) Ossificazione Mesenchimale Le ossa piatte del cranio e una porzione della mandibola si formano direttamente nel corso dello sviluppo embrionale a partire dal Mesenchima. Dal quest’ultimo si differenziano gli osteoblasti, che secernono la matrice e poi si differenziano in osteociti. Alcuni osteoblasti diventano osteoclasti (ma la maggior parte hanno origine diversa). Il processo di ossificazione ha inizio in zone del mesenchima in cui le cellule formano addensamenti (centri di ossificazione) e sono riccamente irrorate. Cellule indifferenziate (mesenchimali) si ritrovano anche nell’adulto (a livello di guaine che rivestono le ossa, come periostio ed endostio) e possono differenziarsi in osteoblasti e osteociti, rendendo possibile sia l’autoriparazione delle fratture che l’insorgere di processi tumorali di ossificazione a carico di altri tessuti. 2) Ossificazione Endocondrale Riguarda il tessuto osseo degli arti, del bacino, della base del cranio e della colonna vertebrale: durante lo sviluppo fetale si formano ossa di cartilagine jalina, al centro delle quali si differenzia un centro di ossificazione, in cui i condrociti si ingrandiscono e nella matrice si deposita calcio. Successivamente i condrociti degenerano a causa della calcificazione e lasciano cavità sempre più ampie. Nelle ossa lunghe dal confluire di tali cavità si forma la cavità midollare. La parte centrale dell’osso embrionale viene invasa da vasi sanguigni e cellule mesenchimali che si differenziano in osteoblasti che depongono matrice ossea che va progressivamente a sostituire il tessuto cartilagineo. 3. IL TESSUTO NERVOSO Il tessuto nervoso è costituito da cellule nervose dette neuroni che rappresentano le unità strutturali e funzionali del sistema nervoso. Il sistema nervoso è costituito da neuroni, vasi sanguigni, tessuto connettivo di sostegno (solo il sistema nervoso periferico) e una speciale classe di cellule (diverse dai neuroni) dette cellule di nevroglia (o cellule gliali). Il sistema nervoso è presente in tutte le regioni dell'organismo e tramite le sue ramificazioni entra in contatto con le singole cellule del corpo. Il sistema nervoso mette in comunicazione tutte le parti dell'organismo fra loro e con l'ambiente esterno grazie a due fondamentali proprietà, l‘irritabilità, che consiste nella capacità di reagire agli stimoli provenienti dall'esterno e dall'interno trasformandoli in impulsi nervosi e la conducibilità, ovvero la capacità di trasmettere i segnali nervosi ad altre parti della stessa cellula, ad altri neuroni o a cellule effettrici (epitaliali, muscolari, connettivali etc.). Il sistema nervoso inoltre è sede dei fenomeni psichici più elevati come la coscienza, la volontà, l'apprendimento, la memoria, i quali formano la personalità dell'individuo. Alcune cellule nervose localizzate in particolari territori del cervello (in particolare l'ipotalamo) infine sono dotate di proprietà endocrine: i loro prodotti ormonali attraverso le terminazioni nervose dei loro assoni sono liberati negli spazi intercellulari e quindi immessi nei capillari sanguigni. Ogni cellula nervosa ha un corpo cellulare o pirenoforo da cui si dipartono due tipi di prolungamenti: i dendridi che insieme al corpo cellulare ricevono gli stimoli provenienti dall'ambiente esterno o da altri neuroni, e li trasformano in impulsi nervosi e l'assone che di solito conduce l'impulso elaborato distalmente rispetto al corpo cellulare. Mediante questi prolungamenti citoplasmatici il neurone è collegato anatomicamente e funzionalmente con altri neuroni e con le cellule effettrici. Tra le cellule nervose si stabiliscono rapporti specifici che consentono la trasmissione degli impulsi, detti sinapsi. Le sinapsi sono strutture specializzate a trasmettere l'impulso da un elemento cellulare ad un altro. Tramite le sinapsi ogni neurone contrae rapporti con centinaia e talora con migliaia di altri neuroni: il corpo cellulare di ogni neurone è quindi un centro di raccolta e integrazione di impulsi provenienti da tantissime altre cellule nervose. 3.1. ANATOMIA DEL SISTEMA NERVOSO Il Sistema Nervoso può essere suddiviso in due categorie principali: sistema nervoso cerebro-spinale e sistema nervoso autonomo. Il sistema nervoso cerebro spinale, o della vita di relazione, comprende il sistema nervoso centrale e il sistema nervoso periferico. Il sistema nervoso centrale è costituito: dall'encefalo (chiuso nella scatola cranica) e dal midollo spinale (contenuto nel canale vertebrale). Il sistema nervoso periferico è costituito dai nervi cranici, dai nervi spinali e dalle loro ramificazioni. I nervi cranici partono da varie zone dell'encefalo con una sola radice e possono essere: di senso, di moto o misti. Distalmente le fibre nervose sia di senso che di moto assumono rapporti specifici con le cellule degli organi effettori. I nervi spinali sono connessi al midollo spinale mediante due radici, anteriore o ventrale e posteriore o dorsale. La radice ventrale (motrice) è costituita da fibre motrici che trasmettono impulsi di moto dal sistema nervoso centrale alla periferia (fibre efferenti). La radice dorsale (sensitiva) è formata da fibre sensitive che conducono impulsi di senso dalla periferia al sistema nervoso centrale (fibre afferenti). Le due radici fanno si che i nervi spinali siano considerati nervi misti di senso e di moto. A livello delle radici dorsali è presente una formazione detta ganglio spinale che contiene i corpi cellulari dei neuroni di senso. Invece i corpi cellulari dei neuroni di moto si trovano all'interno del midollo spinale (corna anteriori). Le parti del sistema nervoso centrale dove si trovano corpi cellulari, dendridi e il tratto iniziale degli assoni non rivestiti da mielina costituiscono la cosiddetta sostanza grigia. Questa occupa la parte periferica o corteccia degli emisferi cerebrali e del cervelletto e la regione centrale del midollo spinale. Nel sistema nervoso centrale esistono i cosiddetti nuclei ossia aggregati di corpi cellulari di neuroni che sono simili fra loro e svolgono la stessa funzione. Le parti del sistema nervoso centrale che contengono le fibre nervose costituiscono la sostanza bianca detta così a causa della guaina mielinica che riveste le fibre. La sostanza bianca occupa la parte centrale degli emisferi cerebrali e del cervelletto e la parte periferica del midollo spinale. Le fibre nervose della sostanza bianca tendono a raccogliersi in fasci detti tratti. Anche nel sistema nervoso periferico e in quello autonomo i corpi cellulari tendono a raccogliersi insieme formando i gangli. Quelli del sistema nervoso periferico sono detti gangli sensitivi e sono localizzati nello spessore delle radici dorsali dei nervi spinali e nel tratto iniziale dei nervi cranici. Il sistema nervoso autonomo o della vita vegetativa è deputato a regolare l'attività dei visceri, controllando la contrazione della muscolatura liscia viscerale, della muscolatura cardiaca e della secrezione ghiandolare. Si tratta di un sistema la cui attività è affidata a due neuroni posti in serie: un neurone pregangliare , il cui corpo cellulare è localizzato nell'encefalo o nel midollo spinale e un neurone postgangliare il cui corpo cellulare è localizzato in un ganglio periferico. I due neuroni entrano in rapporto sinaptico a livello dei gangli simpatici e l'assone del neurone post gangliare trasmette impulsi ai muscoli involontari o alle ghiandole. Il sist

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