Apunts Histologia Humana 2023/24 PDF

HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers TEMA 9: EL TEIXIT OSSI El teixit ossi es tracta d’un teixit connectiu especialitzat la MEC del qual es troba calcificada, rígida i inflexible, de tal manera que manté encapsulades les mateixes cèl·lules que l’han...

HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers TEMA 9: EL TEIXIT OSSI El teixit ossi es tracta d’un teixit connectiu especialitzat la MEC del qual es troba calcificada, rígida i inflexible, de tal manera que manté encapsulades les mateixes cèl·lules que l’han secretada. A més, aquest teixit es troba altament vascularitzat, i les cèl·lules que s’hi troben tenen una activitat metabòlica elevada. ➔ Hem de mencionar, a més, que la MEC del teixit ossi es troba contínuament sotmesa a forces mecàniques de pressió i tensió, les quals condicionen la seva formació i reabsorció en tots nosaltres. És per això que l’os es fa i es desfà de manera constant. El teixit ossi destaca per tenir diverses funcions: ➔ Suport i protecció del cos i d’estructures vitals: Els ossos serveixen com a fonaments del nostre cos, sense els quals el nostre aparell locomotor no es podria desenvolupar. A més, protegeixen estructures vitals, un molt bon exemple d’això són les costelles, les quals protegeixen el cor i els pulmons, entre d’altres òrgans. ➔ Protecció de la mèdul·la òssia: La mèdul·la òssia, substància hematopoiètica de gran rellevància en el desenvolupament de nombrosos tipus cel·lulars, es troba present en una cavitat cèntrica dels ossos. ➔ Dipòsit d’ions: Els ossos comprenen el 99% del calci que trobem en el nostre cos. També són una important reserva de zinc i fosfat, així com altres ions importants pels processos orgànics i la senyalització molecular. ➔ Actuen com a palanca pels músculs: Els ossos serveixen com a un punt d’anclatge dels músculs, a partir del qual la força muscular augmenta. “Although bone is one of the hardest substances of the body, it is a dynamic tissue that constantly changes shape in relation to the stresses placed on it. For example, pressures applied to bone lead to its resorption, whereas tension applied to it results in development of new bone. In applying these facts, an orthodontist is able to remodel the bone of the dental arches by moving and straightening the teeth to correct malocclusion, thus providing the patient with a more natural and pleasing smile. Bone is the primary structural framework for support and protection of the organs of the body, including the brain and spinal cord and the structures within the thoracic cavity, namely the lungs and heart. The bones also serve as levers for the muscles attached to them, thereby multiplying the force of the musclesto attain movement. Bone is a reservoir for several minerals of the body; for example, it stores about 99% of the body’s calcium. Bone contains a central cavity, the marrow cavity, which houses the bone marrow, a hemopoietic organ.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.1. CLASSIFICACIÓ DELS OSSOS Els ossos es poden classificar tant a nivell macroscòpic com a nivell microscòpic: 9.1.1. CLASSIFICACIÓ MACROSCÒPICA DELS OSSOS A nivell macroscòpic, podem diferenciar dos tipus d’os: HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers ➔ Compacte o cortical: Aquest comprèn la majoria de la massa òssia, i es veu envoltat de periosti (excepte quan es troba en articulacions sinovials). Aquest periosti conté una capa externa de teixit connectiu dens i una capa interna de cèl·lules osteogèniques i osteoblasts. Uns cúmuls de fibres de col·lagen en el si del periosti, les fibres de Sharpey, medien el correcte ancoratge del periosti a l’os compacte. En el si de l’os cortical ens trobem estructures com osteones o encara els Canals de Havers, que comentarem posteriorment. ➔ Esponjós o trabecular: Aquest es troba a la capa més interna de l’os, essencialment es troba a l’interior de la cavitat medul·lar, on trobem la mèdula òssia. S’anomena trabecular en la mesura que està composat per os organitzat en xarxes d’espícules (trabècules). No presenta canals com els Canals de Havers o els de Volkmann. “Gross observations of the femur (a long bone) cut in longitudinal section reveal two different types of bone structure. The very dense bone on the outside surface is compact bone, whereas the porous portion lining the marrow cavity is cancellous or spongy bone (Fig. 7–10). Closer observation of the spongy bone reveals branching bony trabeculae and spicules jutting out from the internal surface of the compact bone into the marrow cavity. There are no haversian systems in spongy bone; instead, the lamellae of bone are arranged in an apparently irregular fashion. These lamellae of bone contain lacunae housing osteocytes that are nourished by diffusion from the marrow cavity, which is filled with bone marrow and which exists as two types: red bone marrow, in which blood cells are forming, and yellow bone marrow, composed of mostly fat. (…) As stated previously, the periosteum is a noncalcified, dense, irregular, collagenous connective tissue covering the bone on its external surface and inserting into it via Sharpey fibers (see Fig. 7–10). Periosteum is composed of two layers. The outer fibrous layer helps distribute vascular and nerve supply to bone, whereas the inner cellular layer possesses osteoprogenitor cells and occasional osteoblasts” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.1.2. CLASSIFICACIÓ MICROSCÒPICA Microscòpicament, en funció de l’estat de formació en el qual es trobi, podem classificar un os en os primari i en os secundari: 9.1.2.1. OS PRIMARI L’os primari es tracta d’aquell os que encara es troba en desenvolupament. El trobem, essencialment, durant el desenvolupament fetal i durant el reparament dels ossos. Es tracta d’un os prim, amb un baix HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers percentatge de la seva massa total mineralitzada. Així doncs, presenta unes fibres de col·lagen disposades de forma irregular i una menor quantitat de minerals i una major quantitat d’osteòcits. ➔ Aquestes fibres irregulars de col·lagen seran reemplaçades i organitzades com a os secundari, excepte en algunes sutures cranials, punts d’inserció de tendons o l’os alveolar que envolta les dents. Hem de destacar que la immensa majoria de l’os primari desapareix quan deixem de créixer, en la mesura que aquest s’ha transformat en os secundari. ➔ La diferència principal entre els dos tipus d’os és que les fibres de col·lagen en l’os primari estan desorganitzades i la MEC està poc mineralitzada, mentre que per formar l’os secundari aquestes mateixes fibres de col·lagen s’organitzen i la MEC es calcifica. ➔ Els osteòcits, altament presents en l’os primari, es deriven de les cèl·lules mesenquimatoses del teixit connectiu embrionari (recordem que aquest es divideix entre la gelatina de Wharton i les cèl·lules de la mesènquima). “Primary bone is immature, in that it is the first bone to form during fetal development and during bone repair. It has abundant osteocytes and irregular bundles of collagen, which are later replaced and organized as secondary bone, except in certain areas (e.g., at sutures of the calvaria, insertion sites of tendons, and bony alveoli surrounding the teeth). The mineral content of primary bone is also much less than that of secondary bone.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. En aquest tall histològic podem veure com hi ha moltes cèl·lules mesenquimatoses indiferenciades, mentre que moltes altres es diferencien cap a osteoblasts. Aquests secreten i sintetitzen una sèrie de substàncies sobre les fibres de co·lagen, i aquestes mateixes substàncies faciliten la unió de minerals com ara els fosfats, el calci, entre d’altres. Això facilita la mineralització de les fibres. ➔ En l’interior de la part eosinòfila trobem llacunes que tanquen els osteoclasts. Aquesta característica també es pot apreciar a la imatge dreta inferior. Veurem més endavant com són aquests mateixos osteoclasts els que degradaran la matriu orgànica (MEC, sobretot fibres de col·lagen) gràcies a proteïnes que han secretat durant el procés de remodelació òssia. Així, també podran recuperar calci, fosfat i altres substàncies d’os mineralitzat. ➔ Hem de mencionar, també, que podem apreciar la llum d’uns vasos sanguinis. ➔ En aquest darrer tall histològic, veiem com l’os primari s’està formant sobre un motlle de cartílag ossificat. 9.1.2.2. OS SECUNDARI L’os secundari, mentrestant, representa l’os madur completament format. Es tracta d’un os laminar, en la mesura que està format per fibres de col·lagen de tipus I organitzades en làmines concèntriques o paral·leles. Cadascuna de les làmines té un gruix d’entre 3 i 7 micres. La seva MEC es troba més calcificada que la de l’os primari. L’os secundari engloba tant l’os cortical com l’os esponjós (trabecular). HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers 9.1.2.2.1. LES OSTEONES O SISTEMA HAVERSIÀ En l’os secundari trobem associacions d’entre 4 i 20 làmines concèntriques al voltant d’un canal anomenat conducte de Havers. Aquestes estructures s’anomenen osteones, o, alternativament, sistemes haversians. Definirem amb més profunditat el canal de Havers després, però és important saber que conté vasos sanguinis que aporten nutrients a les cèl·lules de l’osteona. Només trobem canal de Havers en l’os compacte, doncs l’os esponjós, tot i estar organitzat en osteones, no necessita contenir en el seu centre un canal notrici: ja es troba en contacte amb mèdula òssia i vasos sanguinis dels quals obtenir nutrients. Per trobar-hi uns canals de Havers, l’os esponjós hauria de ser molt gruixut. ➔ Hem de destacar que el nombre de làmines concèntriques en una osteona és variable. Quantes més n’hi hagi, tindrem més làmines allunyades del canal de Havers, i doncs, més cèl·lules sota estrés nutricional. ➔ Les osteones es poden trobar en estat complet o incomplet. En aquest segon, es troben parcialment eliminades (el teixit ossi és dinàmic). ➔ La línia de ciment es tracta de la làmina concèntrica més externa d’una osteona completa. Aquesta es troba composada, principalment, per substància orgànica calcificada amb poques fibres de col·lagen. Les fibres de col·lagen que formen les làmines concèntriques es troben orientades de manera alternada entre aquestes mateixes làmines concèntriques, de tal manera que l’estructura final de l’os és més resistent. Aquesta disposició alternada de la matèria orgànica en el sistema de làmines concèntriques és una de les bases de la gran resistència de l’os secundari. Això es pot veure a partir d’imatges microscòpiques amb llum polaritzada: els diferents patrons de llum polaritzada mostren una diferent orientació de les fibres. ➔ Per altra banda, hem de mencionar que les osteones s’extenen longitudinalment en l’os cortical, i d’aquesta manera corren paral·leles a la capa de periosti. En el si de les làmines concèntriques trobem llacunes, les quals tanquen osteòcits. El correcte transport de nutrients, hormones, ions i productes de rebuig entre els osteòcits de làmines diferents es dona a partir de canalicles que connecten aquestes llacunes entre elles i amb l’espai perivascular més proper. En aquesta imatge, podem veure clarament com els osteòcits es troben tancats en llacunes, de color negre. Atès que tenim tres capes de llacunes, podem veure com trobem tres làmines concèntriques. ➔ Per altra banda, els osteòcits presenten prolongacions a partir de les quals es comuniquen entre ells. L’aportació de nutrients a les cèl·lules de les osteones es porta a terme a partir de dos tipus de canals, identificables en talls longitudinals i transversals de l’os: HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers ➔ Canals de Havers: Ja definits anteriorment com els canals centrals al voltant dels quals s’organitzen les làmines concèntriques de les osteones. Són canals longitudinals, de fins a 1 cm de longitud i 300 micres de diàmetre, que contenen vasos, nervis i teixit connectiu. ➔ Canals de Volkmann: Aquests comuniquen els canals de Havers entre si, la cavitat medul·lar i la superficie externa (periosti). Els veiem, sobretot, en els talls transversals d’os. A través d’aquests canals viatgen vasos sanguinis, els quals proporcionen nutrients, oxigen, factors de creixement, aminoàcids… entre d’altres a les cèl·lules que conformen l’os. Podrem veure com els osteòcits més propers a aquests canals sobreviuran, mentre que aquells que s’hi trobin més allunyats moriran per falta de nutrients, i la MEC que els envolta serà eliminada. “Secondary bone is mature bone composed of parallel or concentric bony lamellae, where each lamella is 3 to 7 µm thick. Osteocytes in their lacunae are dispersed at regular intervals between, or occasionally within, lamellae. Canaliculi, housing osteocytic processes, connect neighboring lacunae with one another, forming a network of intercommunicating channels that facilitate the flow of nutrients, hormones, ions, and waste products to and from osteocytes. In addition, osteocytic processes within these canaliculi make contact with similar processes of neighboring osteocytes and form gap junctions, permitting these cells to communicate with each other. Because the matrix of secondary bone is more calcified, it is stronger than primary bone. In addition, the collagen fibers of secondary bone are arranged so that they parallel each other within a given lamella. Compact bone is composed of wafer-like thin layers of bone, lamellae, that are arranged in lamellar systems and are especially evident in the diaphyses of long bones. (…) The bulk of compact bone is composed of an abundance of haversian canal systems (osteons); each system is composed of cylinders of lamellae, concentrically arranged around a vascular space known as the haversian canal (Fig. 7–11; see Fig. 7–10). Frequently, osteons bifurcate along their considerable length. Each osteon is bounded by a thin cementing line, composed mostly of calcified ground substance with a scant amount of collagen fibers (see Fig. 7–5). Collagen fiber bundles are parallel to each other within a lamella but are oriented almost perpendicular to those of adjacent lamellae. This arrangement is possible because the collagen fibersfollow a helical arrangement around the haversian canal within each lamella but are pitched differently in adjacent lamellae. Each haversian canal, lined by a layer of osteoblasts and osteoprogenitor cells, houses a neurovascular bundle with its associated connective tissue. Haversian canals of adjacent osteons are connected to each other by Volkmann canals (Fig. 7–12; see Fig. 7–10), vascular spaces that are oriented oblique to or perpendicular to haversian canals. The diameter of haversian canals varies from approximately 20 to about 100 µm. During the formation of osteons, the lamella closest to the cementing line is the first one to be formed. As additional lamellae are added to the system, the diameter of the haversian canal is reduced, and the thickness of the osteon wall increases. Because nutrients from blood vessels of the haversian canal must traverse canaliculi to reach osteocytes, a rather inefficient process, most osteons possess 4 to 20 lamellae only. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers Figure 7–11: Light micrograph of nondecalcified ground bone (×270). Observe the haversian system containing the haversian canal (C) and concentric lamellae with lacunae with their canaliculi (arrows). Figure 7–12: Light micrograph of decalcified compact bone (×162). Several osteons (Os) are displayed with their concentric lamellae (l). A Volkmann canal (V) is also displayed. The dark staining structures scattered throughout represent nuclei of osteocytes (Oc). - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.1.2.2.2. SISTEMES CIRCUMFERENCIALS INTERN I EX TERN Els sistemes circumferencials intern i extern es tracten de làmines immediatament superficials a l’endosti i profundes al periosti, respectivament. El sistema circumferencial extern conté les fibres de Sharpey, útils per ancorar el periosti a l’os compacte. “The outer circumferential lamellae are just deep to the periosteum, forming the outermost region of the diaphysis, and contain Sharpey fibers anchoring the periosteum to the bone (see Fig. 7–10). The inner circumferential lamellae, analogous to but not as extensive as outer circumferential lamellae, completely encircle the marrow cavity. Trabeculae of spongy bone extend from the inner circumferential lamellae into the marrow cavity, interrupting the endosteal lining of the inner circumferential lamellae.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.1.2.2.3. SISTEMES INTERSTICIALS O INTERMEDIS Els sistemes intersticials o intermedis es tracten de restes de sistemes de Havers parcialment destruïts durant el creixement o bé durant processos de reparació de ferides. “As bone is being remodeled, osteoclasts resorb osteons, and osteoblasts replace them. Remnants of osteons remain as irregular arcs of lamellar fragments, known as interstitial lamellae, surrounded by osteons. Similar to osteons, interstitial lamellae are also surrounded by cementing lines.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers Analitzem els contiguts mencionats fins ara fent l’anàlisi d’aquest tall histologic. Numerem les fletxes d’1 al 4 per l’altura de la punta de la fletxa (de dalt cap avall): 1) Llacunes 2) Làmina concèntrica 3) Canal de Havers 4) Línia de ciment ➔ Asterisc: Sistemes intersicials, restes de sistemes de Havers parcialment destruïts (osteones incompletes). Davant de tot això, podem veure com ens trobem amb un os secundari, precisament, en la seva part compacta. A dalt a la dreta, on veiem una taca més fosca, podem veure un canal de Volkmann que discurreix cap avall en la secció. Per acabar d’integrar tots aquests conceptes, també podem visualitzar aquesta figura de la bibliografia: Figure 7–10: Diagram of bone illustrating compact cortical bone, osteons, lamellae, Volkmann canals, haversian canals, lacunae, canaliculi, and spongy bone. - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers 9.2. EL PERIOSTI I L’ENDOSTI El periosti i l’endosti s’encarreguen de delimitar internament i externa l’extensió d’un os, respectivament. Així doncs, trobem periosti entre la capa més externa de l’os i el medi extern, i trobem endosti entre l’os trabecular i la cavitat medul·lar. 9.2.1. EL PERIOSTI El periosti, com hem mencionat anteriorment, recobreix el teixit ossi per la seva cara més externa, separant-lo del medi extracel·lular. A més, nodreix el teixit ossi i subministra osteoblasts i cèl·lules osteogèniques a l’os. Així doncs, la part superficial del periosti es tracta d’una capa densa de teixit connectiu, composat per fibres de col·lagen de tipus I i fibroblasts, i la capa més profunda del periosti té un major component cel·lular, ric en cèl·lules osteoprogenitores i alguns osteoblasts. ➔ Aquests osteoblasts són directament derivats de les cèl·lules osteoprogenitores, una vegada aquestes s’hi diferencien. En aquest punt, les cèl·lules tenen més RER i esdevenen més basòfiles, com podem veure en els talls histològics comparatius adjuntats. Per altra banda, els osteoblasts són les cèl·lules que sintetitzen matèria orgànica (O a la imatge de la dreta), la qual conformarà la MEC del teixit ossi, que s’anirà mineralitzant amb el pas del temps. El periosti es troba ancorat a l’os compacte a través de les fibres de Sharpey, com hem mencionat anteriorment. “Bone is covered on its external surface, except at synovial articulations, with a periosteum, which consists of an outer layer of dense fibrous connective tissue and an inner cellular layer containing osteoprogenitor (osteogenic) cells as well as occasional osteoblasts. Bundles of collagen fibers from the periosteum, known as Sharpey fibers, are embedded into the outer surface of bone, thereby securing the periosteum to the bone surface.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.2.1. L’ENDOSTI L’endosti, com hem mencionat anteriorment, recobreix l’os trabecular per separar-lo de la cavitat medul·lar. Essencialment, es tracta d’una capa de cèl·lules osteoprogenitores aplanades, preparades per diferenciar-se en osteoblasts durant processos de desenvolupament o reparació de fractures òssies. ➔ També el trobem recobrint els conductes de Havers i els conductes de Volkmann, de tal manera que cap superficie d’os es troba directament en contacte amb el medi extern. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers 9.3. COMPONENTS DEL TEIXIT OSSI El teixit ossi, com molts altres dels teixits que he manat estudiant fins ara, està composat essencialment per MEC i cèl·lules, seguint l’esquema que figura a continuació: 9.3.1. MEC DEL TEIXIT OSSI La MEC del teixit ossi està composada per components orgànics i per components inorgànics. 9.3.1.1. ELS COMPONENTS ORGÀNICS Els components orgànics de la MEC del teixit ossi representen el 35% del seu pes sec. El component predominant dins d’aquest subgrup de substàncies és les fibres de col·lagen de tipus I. Per altra banda, també trobem: ➔ Proteoglicans: Com la condroïtina sulfat, el queratán sulfat o l’àcid hialurònic. ➔ Proteïnes de MEC no col·lagèniques: Osteocalcina, osteopontina i osteonectina. Totes elles es veuen associades als osteoblasts, i especialment l’osteonectina està lligada a la remodelació i a la morfogènesi òssia. L’osteocalcina i l’osteopontina afavoreixen el dipòsit de sals minerals en el cartílag, així com la unió del teixit ossi a altres teixits com el connectiu. ➔ Altres proteïnes: La sialoproteïna òssia, l’osteoprotegerina, RANKL (Receptor for Activation of Nuclear Factor Kappa B Ligand) i MCSF (Macrophage Colony-Stiulating Factor). Aquestes tres darreres són una factors que estimulen i regulen el nombre d’osteoclasts en el cos, en la mesura que afavoreixen la diferenciació dels osteoblasts en osteoclasts. “The organic component of bone matrix constitutes approximately 35% of the dry weight of bone; it includes fibers that are almost exclusively type I collagen. Collagen comprises about 80% to 90% of the organic component of bone. It is formed in large (50 to 70 nm in diameter) bundles displaying the typical 67-nm periodicity. Type I collagen in bone is highly cross- linked, which prevents it from being easily extracted. The fact that bone matrix stains with PAS reagent and displays slight metachromasia indicates the presence of sulfated glycosaminoglycans, predominantly chondroitin sulfate and keratan sulfate. These form small proteoglycan molecules with short protein cores to which the glycosaminoglycans are HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers covalently bound. The proteoglycans are noncovalently bound via link proteins to hyaluronic acid, forming very large aggrecan composites. The abundance of collagen, however, causes the matrix to be acidophilic. Several glycoproteins are also present in the bone matrix. These appear to be restricted to bone and include osteocalcin (which binds to hydroxyapatite) and osteopontin, which also binds to hydroxyapatite but has additional binding sites for other components as well as for integrins present on osteoblasts and osteoclasts. Vitamin D stimulates the synthesis of these glycoproteins. Bone sialoprotein, another matrix protein, has binding sites for matrix components and integrins of osteoblasts and osteocytes, suggesting its involvement in the adherence of these cells to bone matrix.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.3.1.2. ELS COMPONENTS INORGÀNICS Els components inorganics de la MEC del teixit ossi representen el 65% del seu pes sec. Aquests components inorgànics són principalment cristalls de l’hidroxiapatita de calci, composats essencialment de calci i fòsfor. ➔ Els ions de la superficie d’aquests cristal atrauen les molècules d’aigua, de tal manera que es forma una capa d’hidratació al voltant dels cristalls, la qual permet el bescanvi d’ions amb el fluid extracel·lular. A part d’això, destaquem que el teixit ossi està pràcticament buit d’aigua. “The inorganic portion of bone, which constitutes about 65% of its dry weight, is composed mainly of calcium and phosphorus along with other components, including bicarbonate, citrate, magnesium, sodium, and potassium. Calcium and phosphorus exist primarily in the form of hydroxyapatite crystals [Ca10(PO4)6(OH)2], but calcium phosphate is also present in an amorphous form. Hydroxyapatite crystals (40 nm in length by 25 nm in width and 1.5 to 3 nm in thickness) are arranged in an ordered fashion along the type I collagen fibers; they are deposited into the gap regions of the collagen but also are present along the overlap region. The free surface of the crystals is surrounded by amorphous ground substance. The surface ions of the crystals attract H2O molecules, thus forming a hydration shell around the crystals, which permits ion exchange with the extracellular fluid. Bone is one of the hardest and strongest substances in the body. Its hardness and strength are due to the association of hydroxyapatite crystals with collagen. If bone is decalcified (i.e., all of the mineral is removed from the bone), it still retains its original shape but becomes so flexible so that it can be bent like a piece of tough rubber. If the organic component is extracted from bone, the mineralized skeleton still retains its original shape, but it becomes extremely brittle and can be fractured with ease.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.3.1.3. MINERALITZACIÓ DE LA MEC La mineralització de la MEC del teixit ossi està regulada pels osteoblasts. Es dona a la MEC del teixit ossi i cartilaginós, dentina, ciment i esmalt a les dents. Aquesta MEC no mineralitzada l’anomenem osteide. S’inicia en el moment en el qual trobem depòsits de fosfat de calci en les fibril·les de col·lagen. El procés de mineralització segueix una sèrie de passos que encara avui en dia no es coneixen exactament del tot. Mencionarem, però, els passos del procés més acceptat: HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers 1) La calcificació es troba estimulada per proteoglicans i per unes certes glicoproteïnes receptores de calci: l’osteonectina i l’osteocalcina. De la mateixa manera, la sialoproteïna òssia (rica en àcid siàlic, d’aquí el seu nom) també recapta calci. 2) Els proteoglicans i la fixació de calci per aquestes proteïnes estimula els osteoblasts perquè secretin fosfatasa àcida, i esdevé un augment de fosfat en el medi extracel·lular. 3) Els passos 1 i 2 pateixen feedback positiu, de tal manera que com més es portin a terme, més afavoreixen la seva repetició. 4) En aquest punt, els osteoblasts secreten en la MEC unes vesícules membranoses d’entre 50 i 200 nm de diàmetre, les quals estan plenes de fosfatasa alcalina i pirofosfatasa, així com calci i fosfat lliure i ATP. 5) Aquestes membranes alliberades posseeixen unes bombes de calci que segresten el calci present en la matriu òssia, i doncs, s’acumula encara més calci a dins de les vesícules. En un moment donat, la concentració de calci és tan gran en les vesícules que aquest cristal·litza en fosfat de calci, eventualment formant hidroxiapatita de calci. 6) A partir d’un moment, l’hidroxiapatita de calci trenca la membrana de les vesícules i es diposita en la matriu òssia. Les substàncies presents a les vesícules queden alliberades també, i la fosfatasa alcalina trenca grups pirofosfat de la MEC. El pirofosfat, inhibidor de la calcificació, és degradat per la pirofosfatasa en ions fosfat: la concentració de fosfat a la MEC augmenta. 7) Destaquem que aquest procés es dona en forma d’ones de mineralització, de manera cíclica i no contínua. “Exactly how calcification occurs is still unclear, although it is known to be stimulated by certain proteoglycans and the Ca2 -binding glycoprotein osteonectin as well as bone sialoprotein. One theory, called heterogeneous nucleation, is that collagen fibers in the matrix are nucleation sites for the metastable calcium and phosphate solution, and the solution begins to crystallize into the gap region of the collagen. After this region has “nucleated,” calcification proceeds. The most commonly accepted theory of calcification is based on the presence of matrix vesicles within the osteoid. Osteoblasts release these small, membranebounded matrix vesicles, 100 to 200 nm in diameter, which contain a high concentration of Ca2+ and PO4 3– ions, cAMP, adenosine triphosphate (ATP), adenosine triphosphatase (ATPase), alkaline phosphatase, pyrophosphatase, calcium-binding proteins, and phosphoserine. The matrix vesicle membrane possesses numerous calcium pumps, which transport Ca2+ ions present in the bone matrix into the vesicle. As the concentration of calcium Ca2+ ions within the vesicle increases, crystallization occurs, and the growing calcium hydroxyapatite crystal pierces the membrane, bursting the matrix vesicle and releasing its contents. Alkaline phosphatase cleaves pyrophosphate groups from the macromolecules of the matrix. The liberated pyrophosphate molecules are inhibitors of calcification, but they are cleaved by the enzyme pyrophosphatase into PO4 3– ions, increasing the concentration of this ion in the microenvironment. The calcium hydroxyapatite crystals released from the matrix vesicles act as nidi of crystallization. The high concentration of ions in their vicinity, along with the presence of calcification factors and calcium-binding proteins, fosters the calcification of the matrix. As crystals are deposited into the gap regions on the surface of collagen molecules, water is resorbed from the matrix. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers Mineralization occurs around numerous closely spaced nidi of crystallization; as it progresses, these centers enlarge and fuse with each other. In this fashion, an increasingly large region of the matrix is dehydrated and calcified.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.3.2. CÈL·LULES DEL TEIXIT OSSI El component cel·lular del teixit ossi està format per cèl·lules de revestiment ossi i, a part d’aquestes, unes altres cèl·lules que provenen de dos llinatges diferents: ➔ Llinatge osteoblàstic: Comprèn les cèl·lules osteoprogenitores, osteoblasts i osteòcits. Aquestes tres cèl·lules segueixen una diferenciació seqüencial per aquest ordre. Hem de mencionar que el pas d’osteoblast a osteòcit és homòleg al de condroblast a condròcit. ➔ Llinatge monòcit-macròfag-osteoclast: Comprèn aquestes tres cèl·lules, les quals s’originen seqüencialment a partir de la diferenciació de la cèl·lula anterior, en aquest ordre. Abans de caracteritzar individualment cadascuna de les cèl·lules que conformen el teixit ossi, anem a analitzar la següent micrografia de teixit ossi: ➔ Els osteoblasts es troben formant una monocapa, i presenten una forma cúbica o cilíndrica. Es troben sintetitzant matèria orgànica, la qual després mineralitzarà. ➔ Els osteòcits es troben tancats en la mateixa MEC del teixit, dins de llacunes. ➔ Les cèl·lules osteoprogenitores i les cèl·lules revestidores de l’os es troben en la perifèria, recobrint les trabècules com podem observar. ➔ Els osteoclasts són fàcilment reconeixibles pel seu gran tamany i per ser cèl·lules multinucleades. 9.3.2.1. CÈL·LULES OSTEOPROGENITORES Les cèl·lules osteoprogenitores es deriven de les cèl·lules embrionàries mesenquemàtiques, i mantenen la seva capacitat de partir mitosi. A nivell morfològic i organular, es caracteritzen per ser fusiformes, presentar nuclis allargats i pàl·lids en imatges de TEM i pel seu citoplasma escàs, generalment basòfil. Presenten, a més un RER dispersat i un Aparell de Golgi poc desenvolupat. Aquestes cèl·lules es troben tant en el periosti com a l’endosti, i es poden diferenciar en osteoblasts o en cèl·lules condrogèniques en unes determinades condicions d’hipòxia. Expressen el Core Binding Factor Alpha-1(CBFA1), el qual es tracta d’un regulador de l’osteogènesi en diversos punts. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers “Osteoprogenitor cells are located in the inner cellular layer of the periosteum, lining haversian canals, and in the endosteum (see Fig. 7–5). These cells, derived from embryonic mesenchyme, remain in place throughout postnatal life and can undergo mitotic division and have the potential to differentiate into osteoblasts. Moreover, under certain conditions of low oxygen tension, these cells may differentiate into chondrogenic cells. Osteoprogenitor cells are spindle-shaped and have a palestaining oval nucleus; theirscant pale-staining cytoplasm displays sparse RER and a poorly developed Golgi apparatus but an abundance of free ribosomes. These cells are most active during the period ofintense bone growth.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.3.2.2. OSTEOBLASTS Els osteoblasts són les cel·lules sintetitzadores de l’osteoide, és a dir, la MEC òssia no mineralitzada. Una vegada sintetitzat aquest osteoide, els osteoblasts medien la seva mineralització pel procés de calcificació mencionat anteriorment. Una característica important a destacar dels osteoblasts és que no es divideixen. Provenen de les cèl·lules osteoprogenitores, i o bé moren o bé esdevenen cèl·lules de revestiment ossi (pre-osteoblast) o es converteixen en osteòcits. Això darrer es dona en el cas que es trobin embolcallats per la MEC que ells mateixos han sintetitzat. A nivell morfològic, aquestes cèl·lules tenen forma cuboide o columnar, es troben polaritzades i, per altra banda, es disposen en una monocapa epiteloide. ➔ Per altra banda, sota el TEM es poden observar unides per gap junctions, i es destaca un RER ampli amb cisternes paral·leles. L’aparell de Golgi també està molt ben desenvolupat, i està associat a moltes vesícules de secreció grans amb un material amorf o granulós. Hem de remarcar que la secreció no es dona únicament de costat basal. - Entre els continguts que sintetitzen i alliberen els osteoblats, destaquem les fibres de col·lagen de tipus I, fosfatasa alcalina, l’osteonectina i l’osteocalcina, la sialoproteïna òssia, l’osteoprotegerina, proteoglicans, factors de creixement, entre d’altres. Els osteoblasts es poden trobar en etapa activa o en etapa inactiva. En la primera, són unes importants secretores de les substàncies mencionades anteriorment. En el moment en el qual es forma os, com hem explicat anteriorment, es secreta fosfatasa alcalina, de tal manera que aquesta substància és un marcador de l’osteogènesi. Destacarem, en el següent subapartat, la rellevància de les diverses substàncies alliberades pels osteoblasts, així com la rellevància clínica d’aquestes cèl·lules. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers 9.3.2.2.1. SUBSTÀNCIES ALLIBERADES PELS OSTEOBLASTS Analitzem primer les diverses substàncies que alliberen els osteoblasts: ➔ Osteoide: Ja l’hem d’estacat com a MEC no mineralitzada, secretada pels osteòcits. Està format principalment per fibres de col·lagen de tipus I i proteoglicans. Quada depositat en forma de bandes o làmines, en la mesura que queda secretat de manera sincronitzada pels osteoblasts. ➔ Fosfatasa alcalina: Ectoenzim que hidrolitza esters de monofosfat a pH alcalí. ➔ RANKL: El lligand pel receptor activador del factor nuclear Kappa B, un grup de proteïnes que ajuda a controlar processos com ara el creixement i la supervivència cel·lular. En tornarem a parlar en l’apartat dels osteoclastes. ➔ Osteocalcina: Proteïna necessària per la calcificació de l’osteoide, com hem mencionat anteriorment. És altament afina per l’hhidroxiapatita. Anteriorment, havíem mencionat que afavoreix el depòsit de sals minerals a la MEC del teixit. L’expressió de l’osteocalcina es veu regulada per la Vitamina D3, i només s’expressa en osteoblastes diferenciats. ➔ Osteopontina: Intervé en la zona de sellatge dels osteoclasts, la qual analitzarem més endavant. ➔ Sialoproteïna òssia: Intervé en la unió dels osteoblasts amb la MEC a través de les integrines. Tret de tot això, hem de destacar que el factor de creixement de tipus insulina 1 (IGF-1), també conegut com a somatomedina C, estimula la proliferació dels osteoblasts, els quals sintetitzen receptors del factor. I és que la IGF-1 regula els efectes de la hormona del creixement en el cos. 9.3.2.2.2. RELLEVÀNCIA CLÍNICA DELS OSTEOBLASTS A nivell clínic, hem de destacar la diferenciació osteoblàstica. Aquesta té uns passos determinats: 1) Els preosteoblastes deriven de les cèl·lules mesenquemàtiques tutipotencials, a partir de la intervenció de la proteïna Sox9. 2) Els preosteoblastes es diferencien cap a osteoblastes a partir de la intervenció dels factors Runx2 (o CBFA1) i Osterix. Aquests mateixos regulen l’expressió d’osteocalcina. Quan aquesta darrera es troba descarboxilada, s’estimula la secreció d’insulina i de testosterona. La leptina és una proteïna que modula negativament la formació d’os. Per altra banda, hem de destacar en una recerca dels anys 90, ratolins sense Runx2 no posseeixen osteoblastes ja que els preosteoblastes no s’han pogut diferenciar. ➔ Això va portar a que aquests ratolins no sintetitzessin os, únicament cartílag. “Since mutant (Cbfa1) embryos and newborns uniformly showed dwarfism and had short legs, embryos and newborns were examined by soft X-ray and double stained by Alizarin red and Alcian blue to evaluate the development of skeletal systems (Figures 2B and 2C). Soft X-ray examination of the wild-type embryos HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers at d18.5 revealed that various skeletal components including the skull, mandibula, upper and lower extremities, ribs, and vertebrate were well calcified. In mutant embryos at d18.5, however, parts of the tibia, radius, and vertebrae were weakly calcified, and no calcification was found in the skull, mandibula, humerus, and femur. Furthermore, Alizarin red staining of mutant embryos at d15.5-d16.5 showed an absence of calcification throughout the body, unlike wild-type embryos, which exhibited well-calcified skeletons. Calcification stained by Alizarin red increased from d15.5 to birth in wild-type mice. In contrast, weak staining by Alizarin red was observed in the tibia, fibula, radius, and ulna, and pinpoint staining in the dorsal arch of vertebrae and the dorsal part of ribs of d17.5-18.5 mutant embryos and newborns. Conversely, the development of cartilage in mutant mice seemed to be normal upon staining with Alcian blue. Heterozygous (Cbfa1+) embryos and newborns showed no significant abnormality in skeletal development except for clavicles and cranium (Figure 2C). They exhibited hypoplastic clavicles and nasal bones and retarded ossification of parietal, interparietal, and supraoccipital bones.” Figure 2. Examination of Skeletal System. (A) Gross appearance of wild type (1/1), heterozygous (1/2), and mutant (2/2) embryos at d18.5. Mutant embryo is small and has short legs. Bar 5 1 cm. (B) X-ray of d18.5 wild type and mutant embryo. Mutant embryo has a barely calcified skeleton. (C) The skeleton from d15.5–d18.5 embryos and newborns of wild type, heterozygous, and homozygous genotype. Embryos and newborns were double stained with Alizarin redand Alcian blue except for d16.5 embryos, which were stained with only Alizarin red. Bar = 1 cm. - Komori et al. (1997). Targeted Disruption of Cbfa1 Results in a Complete Lack of Bone Formation owing to Maturational Arrest of Osteoblasts. En els humans, mutacions del gen Runx2 porten a una displàsia cleidocraneal. Mentrestant, formes mutades de Sox9 porten a una displàsia campomèlica. En la primera d’aquestes, els pacients pateixen una absència o un desenvolupament no complet de les clavícules. El procés d’ossificació de les sutures craneals és, també, molt retardat, i es donen problemes en la dentició. Vist això, referim a la bibliografia relacionada amb els darrers aspectes mencionats: “Bone morphogenic protein-6 (BMP-6)—as well as, to some extent, BMP-2 and BMP-4—and transforming growth factor-β (TGF-β) induce osteoprogenitor cells to differentiate into osteoblasts, cells that manufacture and release the organic components of bone matrix (osteoid), namely type I collagen and some type V collagen, glycoproteins, and proteoglycans. Osteoblasts also synthesize the receptor for the activation of nuclear factor kappa Β ligand (RANKL), macrophage colony-stimulating factor (M-CSF), alkaline phosphatase,insulin-like growth factor-1 (IGF-1) receptors, and parathyroid hormone (PTH) receptors as well as alkaline phosphatase, all of which they place on their cell membranes. These cells also manufacture and release a number of additional macromolecules, such as: → Osteocalcin, a signaling molecule responsible for mineralization of bone. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers → Osteonectin, a glycoprotein that assists in the binding of calcium hydroxyl apatite crystals to collagen. → Osteopontin, assists in the formation of the sealing zone of osteoclasts (see section on the morphology of osteoclasts). → Bone sialoprotein, which assists osteoblasts to adhere to the bone matrix. → Osteoprotegerin (OPG), a glycoprotein that can bind to RANKL and thus interfere with osteoclast formation. Osteoblasts are located on the surface of the bone in a sheet-like arrangement of cuboidal to columnar cells (Fig. 7–6). When actively secreting matrix, they exhibit a basophilic cytoplasm. The organelles of osteoblasts are polarized so that the nucleus is located away from the region of secretory activity, which houses secretory granules believed to contain matrix precursors. The contents of these vesicles stain pink with PAS reagent. Electron micrographs exhibit abundant RER, a welldeveloped Golgi complex (Fig. 7–7A), and numerous secretory vesicles containing flocculent material that accounts for the PAS-staining pink vacuoles observed in the light microscope. Osteoblasts extend short processes that make contact with those of neighboring osteoblasts as well as long processes that make contact with processes of osteocytes. Although these processes form gap junctions with one another, the number of gap junctions between osteoblasts is much fewer than those between osteocytes. As osteoblasts exocytose their secretory products, each cell surrounds itself with the bone matrix that it has just produced; when this occurs, the incarcerated cell is referred to as an osteocyte, and the space it occupies is known as a lacuna. Most of the bone matrix becomes calcified; however, osteoblasts as well as osteocytes are always separated from the calcified substance by a thin noncalcified layer known as the osteoid (uncalcified bone matrix). Surface osteoblasts that cease to form matrix revert to a more flattened-shaped quiescent state and are called bone-lining cells. Although these cells appear to be similar to osteoprogenitor cells, they are most likely incapable of dividing but can be reactivated to the secreting form with the proper stimulus. Osteoblasts have several factors on their cell membranes, the most significant of which are integrins and PTH receptors. When PTH binds to these receptors, it stimulates osteoblasts to secrete RANKL, a factor that induces the differentiation of preosteoclasts into osteoclasts. Also osteoblasts secrete an osteoclaststimulating factor, which activates osteoclasts to resorb bone. Osteoblasts also secrete enzymes responsible for removing osteoid so that osteoclasts can make contact with the mineralized bone surface. Osteoblast cell membranes are rich in the enzyme alkaline phosphatase. During active bone formation, these cells secrete high levels of alkaline phosphatase, elevating the levels of this enzyme in the blood. Thus, the clinician can monitor bone formation by measuring the blood alkaline phosphatase level.” Figure 7–6: Light micrograph of intramembranous ossification (×540). Osteoblasts (Ob) line the bony spicule where they are secreting osteoid onto the bone. Osteoclasts (Oc) may be observed housed in Howship lacuna. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers Figure 7–7: Electron micrograph of bone-forming cells. A, Observe the five osteoblasts (numbered 1 to 5) lined up on the surface of bone (B) displaying abundant rough endoplasmic reticulum. The arrow indicates the process of an osteocyte in a canaliculus. The cell with the elongated nucleus lying above the osteoblasts is an osteoprogenitor cell (op) (×2500). B, Note the osteocyte in its lacuna (L) with its processes extending into canaliculi (×1000). B, bone; C, cartilage. (From Marks SC Jr, Popoff SN. Bone cell biology: the regulation of development, structure, and function in the skeleton. Am J Anat. 1988;183:1-44. Reprinted by permission of Wiley-Liss, Inc., a subsidiary of John Wiley & Sons, Inc.) - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.3.2.3. OSTEÒCITS Els osteòcits es tracten de cèl·lules òssies madures derivades d’osteoblasts que han quedat atrapats en lacunes de MEC que ells mateixos havien secretat. Per aquest mateix motiu, els osteòcits adapten la seva morfologia a la forma i el tamany de la llacuna en la qual es troben. ➔ Per altra banda, destaquem que mantenen gap junctions entre ells i que emeten prolongacions a través dels canal·licles, que connecten osteòcits de diferents lacunes. La vida dels osteòcits depèn de la difusió de nutrients, de la mateixa manera que la vida de la matriu depèn d’ells. Si no hi ha problemes de vascularització, poden viure durant anys. A nivell cel·lular, els osteòcits joves tenen un gran Aparell de Golgi i RER,mentre que els osteòcits més vells presenten una regressió. Funcionalment parlant, els osteòcits mai no es troben en estat inactiu, i alternen tres estats funcionals: osteòcits latents, osteòcits formatius o osteòcits reabsortius. “Osteocytes are mature bone cells, transformed from osteoblasts under the influence of two transcription factors, Cbfa1/Runx2 and osterix, both of which appear to be dependent on BMP-2 to be expressed. As osteoblasts transform into osteoclasts, they no longer express alkaline phosphatase on their cell membranes, and they become flat, lenticular-shaped cells trapped in their lacunae within the calcified bony matrix (see Figs. 7–5 and 7–7B). There are as many as 20,000 to 30,000 osteocytes per mm3 of bone. Radiating out in all directions from the lacuna are narrow, tunnel-like spaces (canaliculi) that house cytoplasmic processes of the osteocyte. These processes make contact with similar processes of neighboring osteocytes, forming gap junctions through which ions and small molecules can move between the cells. The canaliculi also contain extracellular fluid carrying nutrients and metabolites, which nourish the osteocytes. Osteocytes conform to the shape of their lacunae. Their nucleus is flattened, and their cytoplasm is poor in organelles, displaying scant RER and a greatly reduced Golgi apparatus. Although osteocytes appear to be inactive cells, they secrete substances necessary for bone maintenance. These cells have also been implicated in mechanotransduction, in that they respond to stimuli that place tension on bone by releasing cyclic adenosine monophosphate (cAMP), osteocalcin, and insulin-like growth factor (IGF). The release of these factors facilitates the recruitment of osteoprogenitor cells to assist in the remodeling of the skeleton (adding more bone) not only during growth and development but also during the long-term redistribution of forces acting on the skeleton. An example of such remodeling is evident in the comparison of male and female skeletons, in which the muscle attachments of the male skeleton are usually better defined than those of the female skeleton. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers Although bone is constantly remodeled during the individual’s life, and osteocytes have a very long life span of approximately 25 years, these cells undergo apoptosis as an individual ages, so that, by the time the person is about 80 years old, 75% of the bone’s osteocyte population is dead. As osteocytes undergo apoptosis and disintegrate into apoptotic bodies, they release RANKL, a cytokine that stimulates the formation and activation of osteoclasts. Young osteocytes release TGF-β, which suppresses bone resorption; however, as these cells age, they release increasingly reduced quantities of TGF-β, thereby permitting an increase in osteoclastic activity, resulting in increased bone resorption. Thus, the aging individual loses bone mass as a result of age-related osteocytic alterations.” Figure 7–5: Light micrograph of decalcified compact bone (×540). Osteocytes (Oc) may be observed in lacunae (L). Also note the osteon (Os), the osteoprogenitor cells (Op), and the cementing lines (Cl). - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.3.2.4. CÈL·LULES DE REVESTIMENT OSSI Les cèl·lules de revestiment ossi poden ser, essencialment, osteòcits de superficie o osteoblasts que ja no sintetitzen MEC del teixit ossi, i que com hem mencionat anteriorment, simplement revesteixen la superficie d’aquest teixit. ➔ En qualsevol cas, hem de destacar que aquestes cèl·lules descansen sobre una capa d’osteoide, i contacten amb osteòcits més interns tancats en llacunes. 9.3.2.5. OSTEOCLASTS Els osteoclasts provenen del llinatge cel·lular “cèl·lules progenitores-monòcit-macròfag”. Així doncs, els seus precursors són els monòcits. Aquests es fusionen entre si una vegada surten de la circulació, gràcies a la intervenció d’osteoblasts. ➔ Hem de destacar que únicament una petita població dels monòcits es diferenciarà en osteoclasts, en la mesura que es poden diferenciar en macròfags, cèl·lules de la microglia, entre d’altres. Atès que provenen d’aquesta fusió entre monòcits, els osteoclasts es presenten com unes cèl·lules multinucleades molt grans (fins a 100 micres de diàmetre). També hem de destacar que a nivell organular presenten nombrosos mitocondris, Aparells de Golgi i centríols. ➔ A més a més, són cèl·lules riques en lisosomes, les quals contenen enzims que estaran destinats a la reabsorció de la matriu òssia. Destaquem entre totes elles la fosfatasa àcida. El contacte HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers amb la matriu òssia es dona a partir de vores replegades de la membrana plasmàtica de l’osteoclast, com podem veure en la imatge de TEM a la dreta. ➔ Proximalment a aquestes mateixes vores replegades trobem una alta concentració de mitocondris, els quals participen, com veurem més endavant, en l’expulsió de protons al medi extracel·lular. Aquesta expulsió permetrà acidificar aquest medi i augmentar fins a nivells òptims l’activitat dels enzims lisosomals que degraden la matriu òssia. A mesura que es van alliberant enzims lisosomals, els osteoclasts van escarvant en l’os, donant lloc a unes etsructures anomenades llacunes de Howship. Ho podem apreciar clarament en la imatge de microscopia òptica de la dreta, en la qual s’ha portat a terme una tinció específica per la fosfatasa àcida. Destaquem els osteoclasts (O) i l’os en reabsorció, en blau. 9.3.2.5.1. REABSORCIÓ DE L’OS El procés de reabsorció de l’os presenta una part de passos, dels quals ja hem mencionat les característiques més bàsiques. Destaquem ara cada pas: 1) La zona clara es tracta d’una àrea lliure d’orgànuls que es situa al voltant de la membrana que donarà lloc a la vora replegada. En aquesta mateixa zona es forma un anell d’actina, el qual té la funció, juntament amb l’osteopontina, d’ajudar el contacte per integrines entre la membrana plasmàtica i la superficie de la matriu òssia. De fet, aquesta membrana plasmàtica està tan unida a la superficie òssia que formen l’anomenada zona de segellament. És a partir d’aquí que, per augmentar la superficie de contacte amb l’os, es donen plecs membranosos: es forma la vora replegada. 2) En aquest punt, l’osteoclast alliberarà vesícules lisosòmiques amb els enzims responsables de la reabsorció òssia. Al mateix temps, l’anhidrasa carbònica II (CAII) dels osteoclasts generarà hidrogencarbonat i protons H+ a partir d’aigua i CO2. Aquests mateixos protons seran expulsats a la llacuna de Howship per una bomba de protons, de tal manera que el medi extracel·lular s’acidificarà. Aquesta acidificació del medi permetrà que els enzims lisosomals tinguin una major activitat. 3) Hem de destacar que són alliberats enzims lisosomals (metal·loproteases, catepsina K, fosfatasa àcida) i enzims no lisosomals. Entre tots, degraden el col·lagen i proteïnes no col·lagèniques. 4) A tot això, per mantenir un pH intracel·lular neutre, un sistema de bescanvi bicarbonat-clorur s’encarrega d’eliminar l’hidrogencarbonat acumulat en la cèl·lula, fent entrar de manera antiport clorur. Aquest serà eliminat posteriorment, doncs serà reenviat a la matriu òssia. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers 5) Els components orgànics i inòrganics que s’aconsegueixen a partir d’aquesta degradació de la matriu òssia seran captats per endocitosi pels osteoclasts, i posteriormente enviats a la sang per ser reaprofitats. Després d’haver complert la seva honorable missió, els osteoclasts moren per apoptosi. “The precursor of the osteoclast originates in the bone marrow. Osteoclasts have receptors for osteoclaststimulating factor, colony-stimulating factor-1, OPG, receptor for activation of nuclear factor kappa B (RANK), and calcitonin, among others. Osteoclasts are responsible for resorbing bone, and, after they finish doing so, these cells probably undergo apoptosis. Osteoclasts are large, motile, multinucleated cells 150 µm in diameter; they contain up to 50 nuclei and have an acidophilic cytoplasm (see Fig. 7–6). Osteoclasts have a bone marrow precursor in common with monocytes, termed cells of the mononuclear-phagocyte system. (…) Osteoclasts occupy shallow depressions on the bone surface, called Howship lacunae (resorption bays), that identify regions of bone resorption. An osteoclast active in bone resorption may be subdivided into four morphologically recognizable regions: 1. Basal zone, located farthest from the Howship lacuna, houses most of the organelles, including the multiple nuclei and their associated Golgi complexes and centrioles. Mitochondria, RER, and polysomes are distributed throughout the cell but are more numerous near the ruffled border. 2. Ruffled border is the portion of the cell that is directly involved in resorption of bone. Its finger-like processes are active and dynamic, changing their configuration continually as they project into the resorption compartment, known as the subosteoclastic compartment. The cytoplasmic aspect of the ruffled border plasmalemma displays a regularly spaced, bristle-like coat that increases the thickness of the plasma membrane of this region. As resorption progresses and the subosteoclastic compartment increases in size, it becomes known as Howship lacuna. 3. Clear zone is the region of the cell that immediately surrounds the periphery of the ruffled border. It is organelle-free but contains many actin filaments that form an actin ring and appear to function in helping integrins of the clear zone plasmalemma maintain contact with the bony periphery of the Howship lacuna. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers In fact, the plasma membrane of this region is so closely applied to the bone that its integrin molecules, in concert with osteopontin, form the sealing zone of the subosteoclastic compartment. Thus, the clear zone isolates the subosteoclastic compartment from the surrounding region, establishing a microenvironment whose contents may be modulated by cellular activities. For the osteoclast to be able to resorb bone, the actin ring must first be formed, and its formation may be facilitated by RANKL. Then the ruffled border is formed, whose finger-like processes increase the surface area of the plasmalemma in the region of bone resorption, facilitating the resorptive process. 4. Vesicular zone of the osteoclast consists of numerous endocytotic and exocytotic vesicles that ferry lysosomal enzymes and metalloproteinases into the subosteoclastic compartment and the products of bone degradation into the cell (Fig. 7–8). The vesicular zone is between the basal zone and the ruffled border. (…) Within the cytosol of the osteoclasts, the enzyme carbonic anhydrase catalyzes the intracellular formation of carbonic acid (H2CO3) from carbon dioxide and water. Carbonic acid dissociates within the cells into H+ ions and bicarbonate ions, HCO3. The bicarbonate ions, accompanied by Na+ ions, cross the plasmalemma of the basal zone, where they act to buffer any hydrochloric acid that may escape from the subosteoclastic compartment, and any excess bicarbonate will enter nearby capillaries. Proton pumps in the plasmalemma of the ruffled border of the osteoclasts actively transport H+ ions into the subosteoclastic compartment, and Cl– ions follow passively and combined with the H+ ions form HCl, thus reducing the pH of the microenvironment. Additionally, aquaporins of the ruffled border plasmalemma permit the flow of water from the cell into the subosteoclastic compartment. The inorganic component of the bone matrix is dissolved as the environment becomes acidic; the liberated minerals enter the osteoclast cytoplasm to be delivered to nearby capillaries. Lysosomal hydrolases; cathepsin K; and matrix metalloproteinases, such as collagenase and gelatinase, are secreted by osteoclasts into the subosteoclastic compartment to degrade the organic components of the decalcified bone matrix. The degradation products are endocytosed by the osteoclasts and further broken down into amino acids, monosaccharides, and disaccharides, which then are released into nearby capillaries (Fig. 7–9). Figure 7–8: Electron micrograph of an osteoclast. Note the clear zone (Cz) on either side of the ruffled border (B) of this multinucleated cell. (From Marks SC Jr, Walker DG. The hematogenous origin of osteoclasts. Experimental evidence from osteopetrotic [microphthalmic] mice treated with spleen cells from beige mouse donors. Am J Anat. 1981;161:1-10. Reprinted by permission of WileyLiss, Inc., a subsidiary of John Wiley & Sons, Inc.). - Textbook of Histology th (Gartner), 4 Edition. 9.3.2.5.2. PROCÉS DE DIFERENCIACIÓ DE L’OSTEOCLAST Ja hem fet algunes pinzellades sobre els orígens dels osteoclasts. Ara hi aprofundim, recordant que el procés ve regulat, essencialment, pels osteoblasts. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers 1) Inicialment, un monòcit arriba a l’àrea de (re)modelació òssia. Allà, expressa a la seva superficie el receptor per el M-CSF (Macrophage Colony-Stimulating Factor). Quan els osteoblasts secreten M-CSF, aquest s’uneix al receptor del monòcit, induïnt la seva proliferació i induïnt la síntesi de RANK (Receptor Activator for Nuclear Factor Kappa B) en la seva membrana. 2) En aquest punt, els monòcits s’uneixen a RANK a partir de RANKL, el lligand del receptor, que ells mateixos expressen en la seva membrana. Aquesta unió permet la diferenciació del precursor d’osteoclast i l’inici de la reabsorció de la matriu. 3) Una segona molècula sintetitzada pels osteoblasts, l’interleucina-6 (IL-6), afavoreix encara més la diferenciació i reclutament dels osteoclasts. Per altra banda, la interleucina-1 (IL-1) afavoreix la proliferació dels precursors d’osteoclasts. 4) A partir d’aquí, recordem que no tota la població de monòcits es diferencia en osteoclasts. Si tenim en compte que tots els monòcits podrien estar dotats de RANK, llavors com és possible que no tots ells es diferenciïn en osteoclasts? - La clau resideix en què els osteoblasts secreten osteoprotegerina (OPG), una molècula que té major afinitat per RANKL que el propi receptor RANK. D’aquesta manera, inhibeix competitivament la unió de RANKL al seu receptor, i doncs, evita que tots els monòcits es diferenciïn en osteoclasts. A part d’això, l’OPG també disminueix les capacitats reabsortives d’os dels osteoclasts en algunes ocasions. Com veurem més avall amb la bibliografia, l’alliberament de RANKL es dona, també, en osteòcits que moren a mesura que aquests van morint. D’aquesta manera, es garanteix la remodelació de l’os vell que s’està morint. “Osteoblasts secrete four signaling molecules that regulate the differentiation of osteoclasts. The first of these signals, the M-CSF, binds to a receptor on the osteoclast precursor, inducing it to proliferate and to express the RANK on the osteoclast precursor. Another signaling molecule, RANKL, bound to the osteoblast cell membrane, binds to the RANK receptor on the osteoclast precursor cell membrane, inducing the precursor cell to differentiate into the multinucleated osteoclast, activating it, and enhancing bone HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers resorption. The second osteoblast-derived signaling molecule, the growth factor interleukin-6 (IL-6), facilitates the recruitment and differentiation of osteoclasts. The third signaling molecule released by the osteoblast is interleukin-1 (IL-1), which induces osteoclast precursors to proliferate; the fourth signaling molecule, OPG, a member of the tumor necrosis factor receptor (TNFR) family, can serve as a decoy by interacting with RANKL, thus prohibiting it from binding to the macrophage and inhibiting osteoclast formation. Therefore, RANKL, RANK, and OPG regulate bone metabolism and osteoclastic activity. Osteoprotegerin is produced not only by osteoblasts but also by cells of many other tissues, including the cardiovascular system, lung, kidney, intestines, hematopoietic cells, and in immune cells. Therefore, it is not surprising that its expression is modulated by various cytokines, peptides, hormones, drugs, and so on. In bone, OPG not only inhibits the differentiation of osteoclasts but also suppresses the osteoclast’s bone resorbing capabilities. (…) Although bone is constantly remodeled during the individual’s life, and osteocytes have a very long life span of approximately 25 years, these cells undergo apoptosis as an individual ages, so that, by the time the person is about 80 years old, 75% of the bone’s osteocyte population is dead. As osteocytes undergo apoptosis and disintegrate into apoptotic bodies, they release RANKL, a cytokine that stimulates the formation and activation of osteoclasts. Young osteocytes release TGF-β, which suppresses bone resorption; however, as these cells age, they release increasingly reduced quantities of TGF-β, thereby permitting an increase in osteoclastic activity, resulting in increased bone resorption. Thus, the aging individual loses bone mass as a result of age-related osteocytic alterations.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. Els conceptes dels que s’ha parlat en aquest darrer apartat es poden extrapolar a la clínica. En primer lloc, hem de destacar que el RANKL i l’OPG són detectables en sang. Per altra banda, existeixen algunes proteïnes que interfereixen en el procés explicat, i malalties subseqüents de desregulacions importants. Ho podem visualitzar bé en la figura anterior: ➔ Hormona paratiroidea: Aquesta estimula l’expressió de RANKL, de tal manera que un excés d’hormona incrementa l’osteoclastogènesi. ➔ Absència de M-CSF: En ratolins mutants, comporta l’osteopetrosi. En aquests casos, es donen ossos llargs sense moll de l’os, i on la cavitat medul·lar està ocupada per os compacte. ➔ Osteoesclerosi: Aquest trastorn radica en un augment de la massa òssia degut a un augment de l’activitat dels osteoblasts. Això donaria lloc a un excés de secreció d’osteoide. ➔ Osteopetrosi: Aquest os és d’alta densitat degut a una absència d’activitat dels osteoclasts, els quals són incapaços de reabsorbir os. Es sol donar per una alteració en l’enzim Anhidrasa Carbònica II, la catepsina K i les bombes protòniques que envien protons cap a la zona de reabsorció òssia, com havíem vist. A la imatge a la dreta, veiem un peronè d’una tíbia afectada per osteopetrosi tallada longitudinalment. Veiem os compacte (M) i una diàfisi (D) carent d’os trabecular i moll de l’os. Això pot donar lloc a condicions d’anèmia per falta de cèl·lules hematopoiètiques. ➔ Osteoporosi: Comporta una pèrdua de massa òssia i una major fragilitat (susceptibilitat a fractures) dels ossos. I és que es dona a partir d’un excés d’osteoclasts en el cos, els quals HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers reabsorbeixen més massa òssia de lo normal. El principal factor responsable d’aquest fet és la manca d’estrògens, comuna amb la menopausa. Per aquest motiu, les persones afectades per osteoporosis es suplementaven, en el passat, amb estrògens i progesterona (els quals són inhibidors dels osteoclasts). S’ha descobert que aquests compostos com a suplements augmenten el risc per malalties cardiovascculars i càncer de mama, pel que avui en dia s’opta per bifosfonats i vitamina D3. Els i les afectades també solen portar a terme exercici físic moderat. ➔ Osteomalacia: Aquesta condició radica en un estovament i arquejament progressiu dels ossos. Està causada per un defecte en la mineralització de l’osteoide per carència de vitamina D, o bé per disfunció tubular renal. “Osteopetrosis, not to be confused with osteoporosis, is a genetic disorder in which osteoclasts do not possess ruffled borders, possibly because of the presence of a mutated gene that codes for IL-6. Consequently, these osteoclasts cannot resorb bone, and persons with osteopetrosis display increased bone density. Individuals with this disease may exhibit anemia resulting from decreased marrow space, as well as blindness, deafness, and cranial nerve involvement because of impingement of the nerves caused by narrowing of the foramina. Osteoporosis affects about 10 million chronically immobilized Americans, especially in women older than 40 years of age but mostly in postmenopausal women. Osteoporosis is related to decreasing bone mass, which becomes more serious as estrogen secretion drops appreciably after menopause. Binding of estrogen to specific receptors on osteoblasts activates the cells to manufacture and secrete bone matrix. With diminished secretion of estrogen, osteoclastic activity is greater than bone deposition, potentially reducing bone mass to the point at which the bone cannot withstand stresses and breaks easily. For decades, estrogen replacement therapy coupled with calcium supplements and pain killers were used to alleviate or eliminate this condition. However, in 2004, it was determined that estrogen replacement therapy increases the risk for heart disease, stroke, breast cancer, and blood clots. Therefore, instead of estrogen, a new group of drugs, the bisphosphonates, has been developed that reduces the incidence of osteoporosis fractures. An early diagnostic tool, dual-energy x-ray absorptiometry, is being used as a reliable method for increasing bone density even in individuals with osteoporosis. Osteomalacia, or adult rickets, results from prolonged deficiency of vitamin D. When this occurs, the newly formed bone in the process of remodeling does not calcify properly. This condition may become severe during pregnancy because the fetus requires calcium, which must be supplied by the mother.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.4. OSTEOGÈNESI: FORMACIÓ DE L’OS El procés de formació de l’os, l’osteogènesi, es dona a partir de dos processos diferents: HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers ➔ Ossificació intramembranosa: En aquest procés, el teixit ossi es diposita directament sobre un teixit connectiu primitiu o mesènquima. Es dona, principalment, en els ossos plans, com els ossos del crani: el frontal, el parietal, la mandíbula, entre d’altres. ➔ Ossificació endocondral: En aquesta, el teixit ossi substitueix un teixit cartilaginós hialí preexistent, el qual actua com a motllo del futur os. I és que aquest tipus de formación òssia requereix la presència d’un motlle sobre el qual donar-se. Es dona, principalment, en els ossos llargs o curts. En l’ossificació intramembranosa una xarxa trabecular primària d’os esponjós es diposita en primer lloc, i després es transforma en os madur o secundari. En l’ossificació endocondral, mentrestant, és el cartílag el que és substituït per os. 9.4.1. OSSIFICACIÓ INTRAMEMBRANOSA Com bé hem mencionat, l’ossificació intramembranosa es dona en el teixit mesenquimatós altament vascularitzat, i dona lloc a la majoria dels ossos plans. Aquest procés té diverses etapes: 1) Les cèl·lules mesenquimatoses s’agreguen sobre fibres de col·lagen, en un procés controlat per membres de les famílies WNT, hedgehog, FGF i TGF-beta. 2) En aquest punt, es diferencien en osteoblasts a partir de factors com Cbfa1/Runx2 i osterix, i comencen a secretar matriu òssia amb trabècules i espícules. Les fibres de col·lagen de tipus I estan orientades de manera aleatòria, i ràpidament es veuen calcificades: es forma os primari. Els osteoblasts, tancats en la matriu òssia, esdevenen osteòcits, els quals estan connectats entre ells per uns sistemes de canal·licles. 3) A mesura que van apareixent diverses trabècules per creixement aposicional, aquestes es van fusionant entre si, reforçant l’os primari i donant lloc a un centre d’ossificació. 4) Part del teixit mesenquimatós ben vascularitzat que roman tancat entre les trabècules d’os primari aviat esdevindrà teixit hematopoiètic, de tal manera que donarà lloc a les cèl·lules sanguínies. Per altra banda, aquest teixit mesenquimatós també donarà lloc a l’endosti de l’os que s’està desenvolupant. Teixit mesenquimatós a l’exterior de l’os en formació donarà lloc al periosti. 5) L’os primari (esponjós) més dens esdevindrà os compacte, de tal manera que es reconverteix en teixit ossi secundari laminar (osteones). La part més central de l’os seguirà sent os trabecular. Al naixement, el procés d’ossificació encara no està complet. I és que els ossos del crani estan separats per espais, anomenats fontanel·les, els quals són eminentment osteogènics i que segueixen ossificant-se fins els 18 mesos d’edat de l’individu. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers “Most flat bones are formed by intramembranous bone formation. This process occurs in a richly vascularized mesenchymal tissue, whose cells make contact with each other via long processes. Mesenchymal cells, under the influence of Cbfa1/ Runx2 and osterix, differentiate into osteoblasts that secrete bone matrix, forming a network of spicules and trabeculae whose surfaces are populated by these cells (Figs. 7–13 and 7–14). This region of initial osteogenesis is known as the primary ossification center. As expected in primary bone, the type I collagen fibers of these developing spicules and trabeculae are oriented in a random fashion. Calcification quickly follows osteoid formation, and osteoblasts trapped in their matrices become osteocytes. The processes of these osteocytes contact one another and are also surrounded by forming bone, establishing a system of canaliculi. Continuous mitotic activity of mesenchymal cells provides a supply of undifferentiated osteoprogenitor cells, which form osteoblasts. As the sponge-like network of trabeculae is established, the vascular connective tissue in their interstices is transformed into bone marrow. The addition of trabeculae to the periphery increases the size of the forming bone. Larger bones, such as the occipital bone of the base of the skull, have several ossification centers, which fuse with one another to form a single bone. The fontanelles (“soft spots”) on the frontal and parietal bones of a newborn infant represent ossification centers that are not fused prenatally. Regions of the mesenchymal tissues that remain uncalcified differentiate into the periosteum and endosteum of developing bone. Moreover, the spongy bone deep to the periosteum and the periosteal layer of the dura mater of flat bones are transformed into compact bone, forming the inner and outer tables with the intervening diploë. It has been shown that mesenchymal cells of mouse embryos that are osterix null, that is, they do not express osterix, cannot differentiate into osteoblasts and, as a consequence, cannot form bone.” Figure 7–13: Diagram of intramembranous bone formation. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers Figure 7–14: Light micrograph of intramembranous ossification (×132). Trabeculae of bone are being formed by osteoblasts lining their surface (arrows). Observe osteocytes (Os) trapped in lacunae (arrowheads). Primitive osteons are beginning to form. - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.4.2. OSSIFICACIÓ ENDOCONDRAL L’ossificació endocondral, per la seva part, requereix la presència d’un motlle cartilaginós. Aquest és el principal tipus d’ossificació dels ossos llargs, així com les vèrtebres i la pelvis. Esmentem les seves etapes principals: 1) En la regió en la qual ha de créixer un os en l’embrió, es forma un esbós cartilaginós d’aquell mateix os a partir de cèl·lules mesenquimatoses. El model té una forma molt similar a l’os desitjat, i s’acconsegueix a partir del creixement aposicional i intersticial dels condròcits que el formen. 2) Eventualment, els condròcits del centre del model comencen a proliferar i hipertrofiar, fins el punt que acumulen glicogen en el seu citoplasma i comencen a vacuolitzar-se. La hipertròfia dels condròcits redueix la presència de MEC cartilaginosa, i aquesta esdevé calcificada. El punt en el qual aquest procés es dona és el centre d’ossificació primari (imatge a la dreta, asterisc). 3) En aquest punt, els condròcits secreten factors angiogènics (Vascukar Endothelial Cell Growth Factor, vEGF), I arriben brots de vasos sanguinis a partir del pericondri. En aquest punt, les cèl·lules condrogèniques esdevenen cèl·lules osteoprogenitores, les quals es diferencien en osteoblasts, i aquest mateix pericondri esdevé periosti. 4) Els osteoblasts que s’han format en el pas anterior secreten matriu òssia, formant el collar ossi subperiostal a través d’ossificació intramembranosa (imatge a la dreta, 3). Aquest mateix collar ossi evita la difusió de nutrients als condròcits hipertròfics, forçant que aquests morin. Aquest procés és necessari per poder crear els esbossos de la cavitat medul·lar en el centre del model cartilaginós. 5) Forats efectuats en el collar ossi per osteoclasts permet l’entrada de cèl·lules osteoprogenitores, hematopoiètiques i vasos sanguinis en el model cartilaginós per la diàfisi. A mesura que el collar ossi va augmentant en amplada per la secreció de més i més matriu òssia (que es va calcificant), osteoclasts van reabsorbint més i més os per enlargir la cavitat medul·lar. 6) A partir d’aquí, es comencen a formar els centres d’ossificació secundari, un en cada extrem de l’os (epífisi), després que mesènquima i vasos sanguinis hi penetrin. Primer es crea un centre HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers d’ossificació en l’epífisi superior, i després, en l’inferior. Les cèl·lules osteoprogenitores entren en aquests espais i es divideixen en osteoblasts, per després secretar matriu en el model cartilaginós. Tot el cartílag es va ossificant, excepte en la superficie de l’epífisi i en el pla epifisari, zona que delimita la diàfisi i l’epífisi. Podem veure com aquest és un remnant en els ossos, la línia epifisària. Durant la continuació de la vida es promourà la proliferació dels condròcits d’aquesta placa de creixement, gràcies a la proteïna Indian hedgehog. 7) En un moment donat, els vasos sanguinis de l’epífisi i la diàfisi s’intercomuniquen. Després d’un temps, tot el model cartilaginós s’haurà ossificat a excepció de les zones mencionades. “Most of the long and short bones of the body develop by endochondral bone formation. This type of bone formation occurs in two steps: (1) a miniature hyaline cartilage model is formed, and (2) the cartilage model continues to grow and serves as a structural scaffold for bone development and is eventually resorbed and replaced by bone. Table 7–3 summarizes the events in endochondral bone formation, and Figure 7–15 illustrates the process: 1) In the region where bone is to grow within the embryo, a hyaline cartilage model of that bone is developed. This event begins in exactly the same way that hyaline cartilage at any location would be developed (discussed previously). This model grows, both appositionally and interstitially, for a period of time. Eventually, the chondrocytes in the center of the cartilage model hypertrophy, accumulate glycogen in their cytoplasm, and become vacuolated (Fig. 7–16). Hypertrophy of the chondrocytes results in the enlargement of their lacunae with a concomitant reduction in the intervening cartilage matrix septa, which become calcified. 2) Concurrently, the perichondrium at the midriff of the diaphysis of cartilage becomes vascularized (Fig. 7–17). When this happens, chondrogenic cells become osteoprogenitor cells that differentiate to form osteoblasts, and this portion of the overlying perichondrium becomes a periosteum. 3) The newly formed osteoblasts secrete bone matrix, forming the subperiosteal bone collar on the surface of the cartilage template by intramembranous bone formation (see Fig. 7–17). 4) The bone collar prevents the diffusion of nutrients to the hypertrophied chondrocytes within the core of the cartilage model, causing them to die. This process is responsible for the presence of empty, confluent lacunae forming large concavities—the future marrow cavity in the center of the cartilage model. 5) Holes etched in the bone collar by osteoclasts permit a periosteal buds (osteogenic buds), composed of osteoprogenitor cells, hemopoietic cells, and blood vessels, to enter the concavities within the cartilage model (see Fig. 7–15). 6) Osteoprogenitor cells divide to form more osteoprogenitor cells, some of which differentiate into osteoblasts. These newly formed cells elaborate bone matrix on the surface of the calcified cartilage. The HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers bone matrix becomes calcified to form a calcified cartilage–calcified bone complex. This complex can be appreciated in routinely stained histological sections because calcified cartilage stains blue, whereas calcified bone stains pink with hematoxylin and eosin (Figs. 7–18 and 7-19). 7) As the subperiosteal bone collar increases in thickness and grows in each direction from the midriff of the diaphysis toward the two epiphyses, osteoclasts begin resorbing the calcified cartilage–calcified bone complex, enlarging the marrow cavity. As this process continues, the cartilage of the diaphysis is replaced by bone, except for the epiphyseal plates, which are responsible for the continued lengthening of the bone for the next 18 to 20 years. 8) Secondary centers of ossification begin to form at the epiphysis at each end of the forming bone by a process similar to that in the diaphysis, except that a bone collar is not formed. Rather, osteoprogenitor cells invade the cartilage of the epiphysis, differentiate into osteoblasts, and begin secreting matrix on the cartilage scaffold (see Fig. 7–15). These events take place and progress much as they do in the diaphysis, and, eventually, the cartilage of the epiphysis is replaced with bone, except at the articular surface and at the epiphyseal plate. The articular surface of the bone remains cartilaginous throughout life. The process at the epiphyseal plate, which controls bone length, is described in the next section. These events form a dynamic continuum that is completed over a number of years as bone growth and development progress toward the growing epiphyses at each end of the bone (see Table 7–3). At the same time, the bone is constantly being remodeled to meet the changing forces placed on it.” Figure 7–15: Diagram of endochondral bone formation. Blue represents the cartilage model upon which bone is formed replacing the cartilage. Figure 7–16: Electron micrograph of hypertrophic chondrocytes in the growing mandibular condyle (×83000). Observe the abundant rough endoplasmic reticulum and developing Golgi apparatus (G). Note also glycogen (gly) deposits in one end of the cells, a characteristic of these cells shortly before death. Col, Collagen fibers; Fw, territorial matrix. (From Marchi F, Luder HU, Leblond CP. Changes in cells’ secretory organelles and extracellular matrix during endochondral ossification in the mandibular condyle of the growing rat. Am J Anat. 1991;190:41-73. Reprinted by permission of Wiley-Liss, Inc., a subsidiary of John Wiley & Sons, Inc.) Figure 7–17: Light micrograph of endochondral bone formation (×14). The upper half of the photograph demonstrates cartilage (C) containing chondrocytes that mature, hypertrophy, and calcify at the interface; HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers the lower half shows where calcified cartilage–bone complex (arrows) is being resorbed and bone (b) is being formed. P, Subperiosteal bone collar. Figure 7–18: Light micrograph of endochondral bone formation. Observe a blood vessel (BV), bone-covered trabeculae of calcified cartilage (Tr), and the medullary cavity (MC) (×132). Figure 7–19: Higher magnification of endochondral bone formation. The trabeculae of calcified cartilage (CC) are covered by a thin layer bone (darker red) with osteocytes embedded in it (arrows) and with osteoblasts (Ob) lying next to the bone (×270). - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.5. CREIXEMENT EN LONGITUD DELS OSSOS LLARGS Una vegada s’ha donat el procés d’ossificació endocondral, el creixement dels ossos ve mediat per la placa de creixement, com hem mencionat anteriorment. En el moment en el qual aquesta s’hagi ossificat, romandrà com un vestigi del creixement ossi, la línia epifisària, i el creixement ossi en longitud haurà cessat. Recordem que aquest tipus de creixement l’anomenem creixement intersticial-axial, és a dir, en una sola direcció (longitud en aquest cas). Podem veure un creixement intersticial-axial en aquesta imatge de la dreta. La placa de creixement es caracteritza per trobar-se dividida en diverses capes, en les quals els autors no estan sempre d’acord. La majoria d’ells, però, aposten per una divisió de la placa de creixement en 5 capes: ➔ Zona de reserva (a): Consta de condròcits en estats mitòtic actiu, envoltats de MEC. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers ➔ Zona de proliferació i maduració (b): Es tracta de la zona inferior a la zona de reserva. En aquesta hi ha poca matriu i les cèl·lules es van dividint moltes vegades successivament i ràpida. Aquesta taxa de proliferació es troba regulada per la molècula Indian Hedgehog (Ihh), sintetitzada per condròcits. Ihh també participa en altres processos, com veurem més endavant. En aquesta zona de proliferació els condròcits són sensibles a la senyalització per Insulin-like Growth Factor 1 (IGF-1), una molècula sintetitzada a partir d’una senyalització per la hormona del creixement. En resposta a la captació d’IGF-1, els condròcits proliferen. ➔ Zona de maduració i hipertròfia: Com hem vist anteriorment, els condròcits maduren, hipertrofien i acumulen glicogen en el seu citoplasma. A mesura que hipertofien, la MEC que separa les seves llacunes es fa més escassa, i els condròcits, eventualment, moriran per falta de nutrients. Durant el seu creixement, però, han secretat vEGF, hormona que indueix la invasió de vasos sanguinis. Aquests porten calci i precursors de macròfags a l’àrea. ➔ Zona de calcificació del cartílag: Les lagunes que separen els condròcits esdevenen confluents, els condròcits hipertròfics moren i la matriu cartilaginosa es calcifica a partir del calci proporcionat pels vasos sanguinis. ➔ Zona d’ossificació: Està envaïda per cèl·lules osteoprogenitores, les quals es diferencien en osteoblasts. A partir d’aquí, elaboren matriu en la superficie de cartílag calcificat. Aquesta matriu és calcificada, i l’antic cartílag calcificat és reabsorbit sequencialment per macròfags per fer més ampla la cavitat medul·lar. En el moment en el qual aquesta zona envaeixi la zona de proliferació i la placa de creixement estigui del tot ossificada, el creixement ossi ja no serà possible. “The chondrocytes of the epiphyseal plate proliferate and participate in the process of endochondral bone formation. Proliferation occurs at the epiphyseal aspect, and replacement by bone takes place at the diaphyseal side of the plate. Histologically, the epiphyseal plate is divided into five recognizable zones. These zones, beginning at the epiphyseal side, are as follows: → Zone of reserve cartilage: Chondrocytes randomly distributed throughout the matrix are mitotically active. → Zone of proliferation: Chondrocytes, rapidly proliferating, form rows of isogenous cells that parallel the direction of bone growth. This proliferation rate is under the control of a signaling molecule, a paracrine hormone known as Indian hedgehog, manufactured and released by the chondrocytes of this zone to act on all the chondrocytes in their immediate vicinity. This factor not only induces proliferation of the chondrocytes but also delays chondrocytic hypertrophy, thus maintaining the requisite breadth of the epiphyseal plate. The chondrocytes of this zone are also sensitive to insulin-like growth factor 1 (IGF-1) and to a very limited extent to IGF-2. IGF-1 is a hormone manufactured by hepatocytes in response to growth hormone secreted by the pituitary gland, and chondrocytes of this zone proliferate in response to being exposed to IGF-1. Although, as noted previously, osteocytes also manufacture and release IFG-1. In the case of the epiphyseal plate, it is the hepatocyte-produced IFG-1 that acts on the chondrocytes. → Zone of maturation and hypertrophy: Chondrocytes mature, hypertrophy, and accumulate glycogen in their cytoplasm (see Fig. 7–16). The interterritorial matrix between their lacunae narrows with a corresponding enlargement of the chondrocytes within the lacunae. The chondrocytes of this zone eventually undergo apoptosis and die, but while enlarging, they secrete vascular endothelial growth factor, a cytokine that encourages the invasion of blood vessels, which bring calcium ions and specialized macrophage precursors into the area. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers → Zone of calcification: Lacunae become confluent, hypertrophied chondrocytes die, and cartilage matrix becomes calcified using the calcium ions brought in by the blood vessels. → Zone of ossification: Osteoprogenitor cells invade the area and differentiate into osteoblasts, which elaborate matrix on the surface of calcified cartilage. This is followed by calcification of the bone matrix and the resorption of the calcified cartilage–calcified bone complex by the specialized macrophages recruited by the hypertrophied chondrocytes. As long as the rate of mitotic activity in the zone of proliferation equals the rate of resorption in the zone of ossification, the epiphyseal plate remains the same thickness, and the bone continues to grow longer. At about the 20th year of age, the rate of mitosis decreases in the zone of proliferation, and the zone of ossification overtakes the zones of proliferation and the zone of reserve cartilage. The cartilage of the epiphyseal plate becomes replaced by a plate of calcified cartilage–calcified bone complex, which becomes resorbed by osteoclastic activity, and the marrow cavity of the diaphysis becomes confluent with the bone marrow cavity of the epiphysis. After the epiphyseal plate is resorbed, growth in length is no longer possible.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. 9.5.1. REGULACIÓ DELS CONDRÒCITS PROLIFERANTS I HIPERTRÒFICS La proteïna relacionada amb la hormona paratiroïde (PTH-rP), així com l’Ihh, regulen l’equilibri entre els condròcits proliferants i els hipertròfics. La PTH-rP és secretada pels condròcits de l’epífisi i les cèl·lules de la capa condrogènica del pericondri de l’epífisi. Aquesta molècula actua sobre els seus receptors, els quals es troben expressats en els condròcits de la zona de reserva, i aquesta interacció fa que aquests condròcits proliferin. Mentrestant, també actua sobre els de la zona de proliferació, inhibint la seva diferenciació en condròcits hipertròfics. ➔ Per altra banda, també retrassa la producció d’Ihh. Paral·lelament, quan la font de producción de PTH-rP és prou llunyana, els osteòcits produeixen Ihh. Aquesta molècula actua sobre el seu receptor en els condròcits (2), de tal manera que augmenta la proliferació dels condròcits i estimula la producción de PTH-rP (3). L’Ihh actua també sobre les cèl·lules del pericondri, de tal manera que es converteixen en osteoblastes del manguet periòstic. 9.5.5.1. MALALTIA DE JANSEN I ENANISME La malaltia de Jansen és una malaltia autosòmica dominant rara, la qual es caracteritza per acumulació de cartílag a les metáfisis (línies epifisàries) dels ossos llargs. Els nens afectats tenen una baixa estatura i unes cames arquejades al néixer i durant la infància. ➔ La base molecular de la malaltia és un excés de PTH-rP, el qual causa hipercalcemia i retarda la conversió dels condròcits proliferatius en hipertròfics. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers L’enanisme (acondroplasia), mentrestant, ve donat per una manca d’expressió de la Ihh. I és que aquesta molècula retarda la hipertròfia dels condròcits i afavoreix la proliferació dels condròcits. Si no s’expressa en un individu, els seus ossos llargs no es podran desenvolupar correctament. ➔ Un exemple d’això en la natura és els nans i els gossos salsitxa. 9.6. CREIXEMENT EN AMPLADA A LA DIÀFISI Mentre l’os creix en amplitud, s’afageixen noves capes d’os haversià a les porcions més externes de la diàfisi per creixement aposicional. D’aquesta manera, l’amplada de la diàfisi augmenta, a la vegada que augmenta la cavitat medular per erosió de la cara interna de la diàfisi. Durant aquest creixement, les cèl·lules osteoprogenitores de la capa osteogènica del periosti proliferen, per posteriormente diferenciar-se en osteoblasts que secreten matriu òssia en la superficie òssia subperiostal. Al mateix temps que això es porta a terme i la paret de l’os es fa més gruixuda, com hem mencionat abans, a l’interior de l’os osteoclasts absorbeixen l’os perquè la cavitat medul·lar es faci més gran. ➔ Cal remarcar que, en les epífisis, el creixement en amplada també vindrà donat per una placa de creixement radial, en la qual les epífisis creixeran de manera radiada. Ho podem recordar del creixement cartilaginós. “The events previously described detail how lengthening of a long bone is accomplished by endochondral bone formation via the proliferation and interstitial growth of the chondrocytes of the epiphyseal plate, which is eventually replaced by bone. Growth of the diaphysis in girth, however, takes place by appositional growth. The osteoprogenitor cells of the osteogenic layer of the periosteum proliferate and differentiate into osteoblasts that begin elaborating bone matrix on the subperiosteal bone surface. This process occurs continuously throughout the total period of bone growth and development, so that, in a mature long bone, the shaft is built via subperiosteal intramembranous bone formation. During bone growth and development, bone resorption is as important as bone deposition. Formation of bone on the outside of the shaft must be accompanied by osteoclastic activity internally so that the marrow space can be enlarged.” - Textbook of Histology (Gartner), 4th Edition. A nivell clínic, la Fibrodisplàsia ossificant progressiva (FOP) és una malaltia hereditaria del teixit connectiu que dona lloc a malformacions esquelètiques i ossificació de teixits tous, com ara els músculs del coll i l’esquena o encara lligaments, tendons i articulacions. ➔ La base molecular de la malaltia és una sobreexpressió de la BMP-4, una proteïna que contribueix al desenvolupament de l’esquelet. La formació d’os en zones que no haurien d’estar ossificades condueix en molts casos a una important immovilització dels individus que pateixen la malaltia. Aquesta malaltia és també anomenada “Síndrome de l’home de pedra”. HISTOLOGIA HUMANA, 1r de Medicina UB Campus Clínic, 2023/24 Nicolas Ducceschi Hekkers 9.7. MODELACIÓ I REMODELACIÓ ÒSSIA La modulació òssia és l’alteració del tamany i la forma dels ossos a través de processos de formació i reabsorció en diferents superfícies i en diferents proporcions durant el creixement. Es pot entendre com un recanvi rotatori: a mesura que es va formant més os sobre l’os, aquest mateix os està sent reabsorbit en una altra part. ➔ Hem de tenir en compte que el creixement ossi només es pot donar en l’endosti o en el periosti, és a dir, cap a dins o cap a fora. Per altra banda, hem de destacar un exemple de modelació òssia: aquell que es dona en la tíbia per repartir millor una força compressiva que es dona en el centre de l’os. ➔ Si els ritmes de formació i reabsorció d’os són iguals, llavors el gruix de l’os serà el mateix. Mentrestant, la remodelació òssia és el procés de reabsorció d’os i posterior formació d’os en una mateixa superficie òssia. Atès que és una simple substitució, no es relaciona amb un canvi de forma de l’os, ni amb un guany ni pèrdua de massa òssia. La remodelació òssia es sol donar en l’espai d’un any, i es pot donar tant en l’os cortical com en el trabecular. Hem de destacar que la remodelació òssia trabecular es porta a terme a partir d’unitats de remodelació, les quals estan composades per osteoclasts, cèl·lules osteoprogenitores i osteoblasts. ➔ Inicialment, uns osteoclasts reabsorbeixen la