I meccanismi di meccanotrasduzione sono i processi mediante il quale l’organismo risponde ad uno stimolo meccanico mediante altri tipi di stimoli, prima elettrici e poi biochimici, attivando i processi di risposta cellulare adeguati.
Nel corso degli anni sono stati proposti diversi modelli che spiegano questi meccanismi:
1. Modello piezoelettrico
Modello che affermava che le ossa sono in grado di produrre segnali elettrici se stimolati meccanicamente con una certa intensità. Questo modello è stato abbandonato poiché è stato dimostrato che tale meccanismo non avviene in condizioni di umidità fisiologica.
2. Trasporto di metaboliti
Modello secondo il quale le deformazioni e i momenti flettenti subiti dagli osteoni provocano dei flussi di sostanze e metaboliti; tale flusso è responsabile dell’apporto di sostanze nutritive e della rimozione dei rifiuti metabolici in certe parti dell’osso, promuovendo così il rimodellamento.
Anche questo modello è stato superato per spiegare il rimodellamento nel complesso, anche si ipotizza che l’assenza di trasporto di metaboliti (e quindi di nutrienti) giochi un ruolo nella fase di riassorbimento osseo.
3. Modello meccanostatico (range di deformazioni)
Esiste un range di valori di deformazione all’interno del quale si ha omeostasi, ovvero il processo di assorbimento è in equilibrio con quello di crescita ossea; al di sotto di tale range vi è solo riassorbimento, mentre al di sopra solo crescita, fino ad un certo limite di rottura. Questo modello non spiega l’origine di tali processi, ma solo la meccanica di funzionamento (modello molto ingegneristico).
𝑂𝑚𝑒𝑜𝑠𝑡𝑎𝑠𝑖: 200 𝜇𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 < 𝜀 < 2500 𝜇𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝑅𝑖𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜: 𝜀 < 200 𝜇𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛
𝐶𝑟𝑒𝑠𝑐𝑖𝑡𝑎: 2500 𝜇𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 < 𝜀 < 5000 𝜇𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝑅𝑜𝑡𝑡𝑢𝑟𝑎: 𝜀 > 5000 𝜇𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛
µstrain non è un’unità di misura (infatti la deformazione è adimensionale) ma un fattore di scala, che coincide con 10-6. Dunque 200 µstrain corrispondono a 200×10-6, ovvero allo 0,02%
Il limite di questo modello è che non spiega come tali piccolissime deformazioni possano attivare una risposta cellulare, dal momento che le cellule rispondono solo a deformazioni nel range di deformazioni del 1-24% (che coincidono a 10’000-240’000 µstrain).
Per risolvere questo problema serve introdurre un meccanismo che faccia da tramite tra la deformazione ossea e l’attivazione della risposta cellulare.
4. Effetto elettrocinetico: Stress-Generated Potentials (SGP)
Modello che afferma che la flessione di un osso genera un movimento di ioni, dunque una corrente, che provoca a sua volta una ddp delle cellule del tessuto osseo responsabile dell’attivazione della risposta cellulare.
I dati sperimentali evidenziano che la corrente generata ha un picco iniziale, che si esaurisce in un periodo di 1-2 secondi. Tale decrescita è compatibile solo con l’ipotesi che la corrente scorra in canali dal diametro di 20-60 nm, poiché la resistenza al flusso dipende dalla sezione dei canali.
La corrente non può scorrere nelle porosità tra i cristalli di idrossiapatite (2nm) e nemmeno nei canali di Havers (50µm), perché tali dimensioni non sono compatibili con il rilassamento misurato, ma scorre nei canalicoli, il cui diametro è di 100nm, ma è in parte occupato da proteoglicani (ialuronani legati a versicani) e albumina (7nm), quindi la sezione libera è compatibile con quella ipotizzata di 20-60nm.
Il passaggio della corrente nei canalicoli risolve anche il problema dell’accoppiamento biochimico, poiché in questo modo la corrente passa vicino alle cellule interessate, ovvero gli osteociti presenti nelle lacune, che agiscono da sensori.
5. Sforzi di taglio come effettore
Nuovo modello che a partire dal modello SGP ipotizza che le cellule vengano stimolate non dalla ddp creata dal flusso ionico, ma dallo sforzo di taglio generato da tale flusso sulla membrana cellulare (dunque l’aspetto rilevante è la fluidodinamica e non il fatto che le particelle in movimento siano dotate di carica). Questo modello dunque è compatibile con gli SGP ma ipotizza che essi abbiano solo un effetto marginale o collaterale, ma che il vero motore della meccanotrasduzione siano gli sforzi di taglio.
Si ipotizza che il flusso di particelle sia stazionario con profilo di velocità parabolico. Dette µ viscosità e g il gradiente di velocità lungo il raggio, si definisce sforzo di taglio la seguente quantità:
𝜏 = −𝜇𝑑𝑣Œ
𝑑𝑟 = −𝜇𝛾
Considerando anche la rete di proteoglicani si ottengono sforzi di taglio pari a 1,5-2 Pa, che rientrano nel range di valori che stimolano la risposta biochimica da parte di osteociti e osteoblasti (0,6-6 Pa)
𝑆𝑓𝑜𝑟𝑧𝑖 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖: 1,5𝑃𝑎 < 𝜏 < 2𝑃𝑎 𝑅𝑖𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒: 0,6𝑃𝑎 < 𝜏 < 6𝑃𝑎
Sforzi di taglio elevati si generano in due condizioni: carichi elevati a basse frequenze (1Hz), ad esempio il cammino, o carichi ridotti ad elevate frequenze (100Hz), ad esempio il mantenimento di una certa postura.
Esperimenti condotti al variare di µ, g e t hanno dimostrato che il fattore che influenza la risposta cellulare è la variazione dello sforzo di taglio t e non delle altre quantità. Tali esperimenti misuravano la reazione cellulare degli osteociti in base alla produzione di ossido nitrico NO.
In questo caso l’accoppiamento biochimico è dato dalla riorganizzazione delle fibre del citoscheletro in stress fibers in risposta allo sforzo di taglio.
6. Forze di trascinamento e ialuronani
Un ulteriore modello ipotizza che non siano tanto gli sforzi di taglio ad attivare la risposta cellulare, quanto piuttosto le forze di trascinamento associate al flusso. Tali forze infatti sono circa 20 volte maggiori degli sforzi di taglio e deformerebbero la rete di ialuronani presente nei canalicoli, provocando cosi la deformazione del citoscheletro a cui gli ialuronani sono attaccati. Queste deformazioni rientrano nel range dei valori entro i quali si attiva la risposta cellulare.
Questo modello quindi afferma che il vero motore del rimodellamento osseo è la deformazione della rete di ialuronani causata dalle forze di trascinamento. La fortuna di questo modello è che deformazioni ossee fisiologiche, tipicamente di 0,01-0,1%, vengono amplificate secondo il meccanismo descritto e arrivano a valori superiori a 10'000 µstrain, capaci di attivare la risposta cellulare.