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Bone histology - Osteoporosis –Modeling and remodeling – Paget –

Hormonal mechanisms

Giuseppe M. Peretti

I testi e le immagini che verranno presentati sono un sussidio didattico alle lezioni del corso di Morfologia Umana riguardanti il tessuto os seo, cartilagineo e muscolare.Sebbene non sostituiscano il libro di testo e vadano integrate con quanto detto a lezione, la loro consultazione può tuttavia risulta re utile per la comprensione di molti concetti espressi.

I testi da cui sono state raccolte molte immagini s ono i seguenti:• Gary A. Thibodeau, Kevin T. Patton. Anatomia e Fisio logia. IV Edizione. Casa Editrice

Ambrosiana• Buckwalter, Einhorn, Simon: “Orthopaedic Basic Science” Ed. American Academy of

Orthopaedic Surgeons• Bloom and Fawcett: “A textbook of histology” Ed. Chapm an & Hall, New York • London• Rosati: “Istologia” Ed. Edi.Ermes s.r.l. Milano• Ham: “Istologia” Ed. USES Edizioni Scientifiche S.p.a. Fir enze• Netter: “Embriologia umana ed anomalie congenite” Ed. Ciba-Geigy Edizioni – Origgio

(Varese)

Il materiale contenuto in queste presentazioni è sta to raccolto unicamente per scopi didattici.

Buono studio ed in bocca al lupo a tutti!Giuseppe Peretti

Il tessuto osseo

Connettivo presente in tutti i vertebrati

Costituente prevalente dello scheletro, a sviluppo ultimato

Tessuto più duro dell’organismo (dopo smalto dei denti)

Il tessuto osseo

Funzione meccanica di sostegno

Funzione di protezione degli organi interni

Funzione di movimento delle articolazioni

Sistema di accumulo di Ca ++ and PO 4-3

(omeostasi minerale)

Omeostasi scheletrica

Funzioni emopoietiche

Distinzione per forma

• Lunghe– Arti superiori ed

inferiori• Brevi o Corte

– Ossa carpali o tarsali• Piatte

– Coste, sterno, volta cranica, scapola

• Irregolari (corte)– Vertebre, ossa del

cranio o facciali

Ossa lunghe

Vascolarizzazione

Ossa Piatte

Formate da uno strato spugnoso compreso tra due tavolati compatti

Ossa Corte

Presentano una massa spugnosa avvolta da una corteccia compatta

Il tessuto osseo

E’ vivo!!

Componente organica:• Osteociti, osteoblasti, osteoclasti e

cellule osteoprogenitrici• Collagene• Altre proteine organiche

Componente inorganica:• Calcio e fosfato danno rigidità all’osso• Il tessuto osseo rappresenta la riserva

di molti minerali e ioni

Il tessuto osseoCostituito da una componente inorganica (sostanza i ntercellulare mineralizzata) nella quale sono scavate cavità dette lacune ossee, da cui dipartono canalicoli più o meno ramificati ed anastomizzati: contengono rispettivamente, gli osteociti ed i loro prolungamenti

Tipi di tessuto osseo

Tessuto osseo lamellare

Tessuto osseo non lamellare

Tessuto osseo lamellareOsso compatto o corticale

Osso spugnoso o trabecolare


Osso compatto o corticale






Osso compatto o corticale



Nella vita post-natale è quello di gran lunga preval ente nelle scheletro dei Mammiferi

Possiede elevate potenzialità meccaniche di resisten za alla pressione, trazione, torsione col minimo aggravio p onderale

In ogni lamella le fibre collagene hanno decorso te ndenzialmenteparallelo, e formano con quelle della lamella conti gua un angolo di varia ampiezza

Tessuto osseo lamellareIn ogni lamella le fibre collagene hanno decorso te ndenzialmenteparallelo, e formano con quelle della lamella conti gua un angolo di varia ampiezza


Nella vita post-natale è quello di gran lunga preval ente nelle scheletro dei Mammiferi

Possiede elevate potenzialità meccaniche di resisten za alla pressione, trazione, torsione col minimo aggravio p onderale

In ogni lamella le fibre collagene hanno decorso te ndenzialmenteparallelo, e formano con quelle della lamella conti gua un angolo di varia ampiezza

Le lamelle contigue sono connesse da matrice minera lizzata attraversata da fibre collagene a disposizione irre golare

Tessuto osseo compatto o corticale• Forma la corticale delle ossa lunghe

• In generale, forma il guscio esterno di tutte le ossa

Tessuto osseo compatto o corticale• Forma i due tavolati (sup. e profondo) delle ossa p iatte• Forma lo strato superficiale delle ossa brevi e del le epifisi di quelle

lunghe (escluso aree rivestite da cartilagine artic olare, che ricopre l’osso sottocondrale)

Il sistema concentrico di Havers (osteone)



L’osteone è tipico dell’osso compatto, ha forma tende nzialmente cilindrica ed altezza compresa tra 0,9 ed 1,2 mm. E ’ attraversato nel senso della lunghezza dal canale di Havers, il cui calibro varia (20-110 microns)

Le lamelle dell’osteone sono disposte concentricamente al canale di Havers (possono anche essere incomplete: forma a semiluna o a falce )

La lamella più profonda è quella di più recente deposizione

Nell’ambito di ogni singola lamella le fibre collag ene hanno decorso tra loro parallelo

L’andamento del collagene di una lamella èortogonale, o quasi a quello della lamella vicina

Tessuto osseo compatto o corticale

Tessuto osseo compatto o corticaleOltre alle lacune e relativi canalicoli, si osserva no altre cavità di maggior calibro ad orientamento parallelo all’asse maggiore dell’osso (canali di Havers), oppure che hanno deco rso trasversale od obliquo (canali di Volkmann)

Tessuto osseo compatto o corticale

Nelle sezioni trasversali sono riconoscibili tre si stemi di lamelle

Il sistema concentrico o di Havers (osteone)Il sistema delle lamelle interstiziali

Il sistema delle lamelle circonferenziali o limitant i

esterneinterne

osteone

Lamelle interstiziali

Il sistema delle lamelle circonferenziali o limitant i

Gli osteoni e i sistemi interstiziali non sono prese nti a tutto spessore della diafisi

A livello delle superfici esterna ed interna dello spessore della diafisi sono presenti rispettivamente il sistema del le lamelle circonferenziali esterne ed interne

Queste sono disposte concentricamente rispetto all’ asse maggiore della diafisi

Inner circumferentiallamella

Outer circumferentiallamella



Tessuto osseo spugnoso o trabecolare

Costituisce la maggior parte delle ossa brevi, dell e epifisi delle ossa lunghe e si trova nella diploe delle ossa piatte

L’orientamento dei traiettori formati dalle trabecol e è tale da opporsi nei singoli segmenti scheletrici considerati alla s ollecitazionimeccaniche a cui sono prevalentemente sottoposti

Tessuto osseo spugnoso o trabecolareE’ formato da strati di lamelle associate in trabeco le più o meno spesse e variamente anastomizzate a delimitare spaz i intercomunicanti, denominati cavità midollari, in qu anto occupate da midollo osseo (oltre che da vasi e nervi)


Le lamelle contigue sono connesse da matrice mineralizzata attraversata da fibre collagene a disposizione irregolare


• Lamelle• Osteociti, osteoblasti, osteoclasti e cellule

osteoprogenitrici• Endostio Osteoni


Tessuto osseo non lamellare

a fibre intrecciate

a fibre parallele

Tessuto osseo non lamellare a fibre intrecciate

Fibre collagene a disposizione casuale

Possiede minore resistenza meccanica

Costituisce lo scheletro definitivo dei vertebrati inferiori (Anfibi)

E’ l’osso primario dei Mammiferi (ossa fetali), che viene successivamente sostituito da osso lamellare

Si forma inoltre quando vi è rapida neoformazione os sea, come nella riparazione delle fratture o nel morbo di Pag et

Tessuto osseo non lamellare a fibre intrecciate

Tessuto osseo non lamellare a fibre intrecciate è att raversato da cavità anastomizzate (spazi di Havers), contenenti v asi, nervi e midollo osseo

Tessuto osseo non lamellare a fibre parallele

Caratteristico degli uccelli. Raro e presente solo transitoriamente nei Mammiferi

Le cellule del tessuto osseoIl tessuto osseo adulto e senescente

Giuseppe M. Peretti

Le cellule del tessuto osseo

Cellule osteoprogenitrici

Cellule con capacità mitotiche, capaci di trasformarsi in osteoblasti

Osteoblasti

Un osteoblasta è una cellula che produce osteoide o matrice ossea

Osteoblasti

Un osteoblasta è una cellula che produce osteoide o matrice ossea

OsteoblastiL’osteoblasta è la cellula che produce osteoide o matr ice ossea

Goldner’s trichromeof osteoblasts

Presenza di uno strato di matrice non mineralizzata (osteoide) tra la membrana cellulare e la matrice mineralizzata

Osteociti

Osteoclasti

L’osteoclasta è la cellula del tessuto osseo responsabile del riassorbimento del tessuto

OsteoclastiSono cellule di grosse dimensioni (20-100 microns) e plurinucleate

Originano da cellule pluripotenti del midollo osseo, che sono anche precursori di monociti e macrofagi

Monociti sono mononucleati; macrofagi ed osteoclasti sono formati dalla fusione di più monociti

Giacciono in aree di riassorbimento osseo dette fos sette (o lacune) di Howship

Presentano orletto striato (o a spazzola) attività

Osteoclasti

Osteoclast in Howship’s lacuna

Osteoclasti

Orletto striato o orletto a spazzola

Osteoclasti

Il tessuto osseo senescente

Le malattie dell’invecchiamento

“Disease of Aging”


• Osteoporosi – Malattia caratterizzatada una diminuzione della massa osseaassociata a modificazioni dellaarchitettura dell’osso tali daaumentare il rischio di fratture(Floman 1993)

Aging and Changes in Bone

Tipi di osso:

• Compatto (80-90% calcificato)• Trabecolare (Spongioso: 15-25% calcificato)

Integrita’ stimata per mezzo di:• Massa ossea• Contenuto minerale• Integrita’ della struttura dell’osso

Modificazioni associate all’eta’:

• Rilevamenti variabili, ma si stima che la massaossea si riduca di circa 1% per anno a cominciaredai 35 aa

• All’eta’ di 80 aa, il contenuto minerale dell’osso sie’ ridotto a valori pari a circa il 55% e 40% di quellimisurati nel giovane adulto, rispettivamentenell’uomo e nella donna




Affected Areas

• Perdita di densita’ osseamineralizzata– Colonna

– Polso

– Anche

– Calcagno

• Affezioni secondarie– Depressione

– Dolore

– Deformita’

– Dipendenza

– Paura di cadere

– Morte prematuraHologic, Inc. 1998




Il modellamento ed il rimodellamentoosseo

Giuseppe M. Peretti

Crescita delle ossa lunghe e modellamento

modeling

Growing shaft

is modeled by:

Osso: Modellamento e rimodellamento

• modellamento– Modellare la forma delle

ossa in relazione alle richieste meccaniche

• Le metafisi si modellano riducendo il diametro osseo durante la crescita

• Le diafisi si modellano aumentando il diametro osseo

– osteoapposizione a livello periostale

– riassorbimento a livello endosatale

• Rimodellamento– Rimuove l’osso vecchio e lo sostituisce con

osso giovane– Previene l’accumulo di danni da fatica– Preleva il calcio dal tessuto osseo per essere

utilizzato altrove metabolicamente– E’ permesso dall’azione di squadre di circa 10

osteoclasti ed alcune centinaia di osteoblasti che lavorano insieme in una BMUs (“basic multicellular units”)


• Rimodellamento (cont.)

– Tre tappe nella vita delle BMUs (ARF)• Attivazione• Riassorbimento• Formazione


Cellule osse e rimodellamento osseo

osso

osteoclasta

Area di riassorbimento

Ca2+/PO4

collagene

osteoblasti

Riassorbimento osseo

Formazione

collagene+Ca/PO 4

Attivazione

Cono di penetrazione

Paget’s Disease

• Difetto molto comune del turnover osseo• Rimodellamento osseo locale irregolare• Ispessimento delle lesioni, deformita’• Spesso asintomatica• Alcuni sintomi: dolore osseo, mal di testa,

perdita dell’udito, vertigini (dacompressione dei nervi cranici), gambearcuate

Paget’s Disease

• Caratterizzata da un eccessiva formazione e distruzione ossea

• Nell’osso pagetico viene formato tessutoosso con un eccessivo rapporto ossoimmaturo / osso compatto

• Nell’osso pagetico, oltre ad una bassamineralizzazione, sono presenti aree diindebolimento strutturale

• Nelle fasi tardive, l’attivita’ osteoclastica siriduce, mentre quella osteoblastica continua piu’ a lungo

Paget’s Disease

• Tipiche localizzazioni sono la colonna, ilbacino, il femore e le ossa del cranio

• Causa sconosciuta (virale?)

Paget’s Disease

Paget Normal

Paget’s Disease

Paget’s Disease

Paget’s Disease

Paget's disease of bone in which the mixed osteoclastic-osteoblastic stage is present. A line of osteoblasts is present a the center-right forming new bone, but lacunae containing multinucleate osteoclasts are at the center left and lower center destroying bone. The result is a patchwork mosaic of bone without an even lamellar structure. This stage is preceded by a mainly lytic phase and is followed by a "burnt out" sclerotic phase

Controllo ormonale

Control of Remodeling

• Due loops di controllo regolano ilrimodellamento osseo–Un meccanismo ormonale mantiene

l’omeostasi del calcio nel sangue

–Forze meccaniche e gravitazionali cheagiscono sullo scheletro

Hormonal Mechanism

Hormonal Mechanism

• Un aumento dei livelli ematici del Ca2+ stimolala tiroide al rilascio di calcitonina

• La calcitonina porta alla deposizione del calcium a livello osseo

• Una caduta dei livelli ematici del Ca2+ stimolale ghiandole paratiroidi al rilascio di PTH

• PTH stimola gli osteoclasti alla distruzionedella matrice ossea ed alla liberazione diCa2+ nel sangue

Calcium Homeostasis

Serum calcium2.25-2.55 mM/L

GI Tract

Kidney

BoneParathyroid hormoneVitamin DCalcitonin

Calcium Homeostasis

Ca2+ oral dailyintake25 mmols

Fecal excretion18-22 mmols

10-14 mmols

7 mmols

10 mmols

10 mmols

3-4 mmols

HYPOCALCAEMIA

parathyroid glands

PTH secretion

BONE KIDNEY INTESTINE

boneresorption

urinary phos.

1,25D3 production

urinary calcium

calcium abs.

phos. abs.

SERUM CALCIUM

HYPOCALCAEMIA

parathyroid glands

PTH secretion


boneresorption

urinary phos.

1,25D3 production

urinary calcium

calcium abs.

phos. abs.

SERUM CALCIUM

-VE FEEDBACK

Diet: Milk, eggs, fish

SKIN7-dehydrocholesterol

vitamin D3

LIVER25-hydroxyvitamin D3

(25(OH)D3)KIDNEY

1,25-dihydroxyvitamin D3

(1,25(OH)2D3)

VITAMIN D

BLOOD

HYPOCALCAEMIA

parathyroid glands

PTH secretion


boneresorption

urinary phos.

1,25D3 production

urinary calcium

calcium abs.

phos. abs.

SERUM CALCIUM

HYPOCALCAEMIA

parathyroid glands

PTH secretion


boneresorption

urinary phos.

1,25D3 production

urinary calcium

calcium abs.

phos. abs.

SERUM CALCIUM

-VE FEEDBACK

CALCITONINA

Prodotto dalle cellule-C della tiroide (parafolliculari )

La principale funzione della calcitonina in stati di alto turnover osseo

- Inibizione del riassorbimento osseo (attivita’ degliosteoclasti)

HYPOCALCAEMIA

parathyroid glands

PTH secretion


boneresorption

urinary phos.

1,25D3 production

urinary calcium

calcium abs.

phos. abs.

SERUM CALCIUM

THYROID

calcitonin

(-)

Osteomalacia/Rachitismo

• Inadeguata mineralizzazione della matriceossea in adulti/bambini

• Inadeguati livelli di Vitamina D, di livelli dicalcio

• Alcune sono causate da un difetto genetico(resistenti al trattamento)– Difetto a livello dei recettori della Vitamina D

• Aumento dell’incidenza di fratture –riparazione con un eccesso di osteoide

• Bambini – deformita’ delle ossa chesupportano il carico, piu’ plasmabili



Rachitismo X-Ray

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