Rimodellamento osseo

Nel tessuto osseo coesistono continui processi di riassorbimento e deposizione ossea, volti ad adeguarne la struttura alle diverse e variabili sollecitazioni meccaniche a cui l’osso è sottoposto (Currey, 2003). Inoltre, l’osso contribuisce alla regolazione dell’omeostasi del calcio, essendo il tessuto osseo la principale riserva di calcio dell’organismo, in equilibrio continuo con il calcio ione libero nel plasma.

Il processo evolutivo ha prodotto un disegno ottimale per i vari tipi di ossa al fine di minimizzare gli sforzi interni, con il compito di trasmettere in specifici punti assegnate forze. Inoltre, la distribuzione del materiale ha lo scopo di ottenere un peso minimo della struttura, ovvero un volume minimo della struttura, oppure un ottimale compromesso tra queste due esigenze. Infine, il disegno dell’osso deve assicurare sicurezza nei confronti di sollecitazioni impreviste.

La teoria della resistenza uniforme suggerisce che ogni parte del materiale sia sottoposta allo stesso valore massimo di sforzo, quando sollecitato ai valori massimi di carico assegnati.

La teoria dell’architettura spaziale per linee di forza suggerisce, invece, di disporre il materiale resistente solo nei luoghi che costituiscono il cammino più diretto per la trasmissione delle forze stesse e di lasciare il vuoto altrove.

Le leggi evolutive formulate da Wolff nel 1892 sono due: la prima è la legge generale della trasformazione ossea e stabilisce che ad ogni variazione funzionale corrisponde una variazione architetturale del tessuto. La seconda è la legge traiettoriale dell’osso trabecolare che asserisce che la distribuzione e l’orientazione delle trabecole ossee dell’osso spongioso si alterano dinamicamente al variare della storia di carico esterna e che in condizioni di equilibrio l’organizzazione delle trabecole riflette accuratamente la storia di carico media a cui quel volume di tessuto è soggetto.

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1.6.1 Sollecitazioni meccaniche e rimodellamento osseo

Il rimodellamento osseo si realizza mediante l’equilibrio dinamico di due meccanismi, uno di deposizione e l’altro di riassorbimento, con i quali vengono rinforzate le strutture dove si concentrano i carichi applicati e vengono ridotte le strutture dove questi carichi sono modesti.

Il meccanismo di atrofia produce risultati misurabili in termini di diminuzione della capacità di sopportazione di carico anche dopo poche settimane dall’assenza di applicazione di carichi (Figura 1.13, 1.14). Ciò avviene nel caso in cui, a causa di una frattura, non siano applicati carichi su un osso oppure se a causa di una malattia e della conseguente permanenza in posizione orizzontale, un soggetto non solleciti adeguatamente la propria struttura ossea.

Figura 1.13 - Perdita percentuale del contenuto minerale nel calcagno in sei soggetti adulti dopo 12 settimane di permanenza a letto (Smith et al., 1977).

Figura 1.14 - Riduzione percentuale dell'area trasversale del terzo metacarpale di cane dopo 40 settimane di immobilizzazione completa (Uhthoff et al., 1978).

26 Il più frequente metodo per verificare se in un osso si è verificata deposizione di nuovo osso o riassorbimento è l’esame densitometrico che viene effettuato tramite DEXA (dual energy X-ray absorptiometry) che correla l’intensità di grigio sull’immagine al contenuto di apatite dell’osso (dove l’osso è più denso, il colore è più chiaro).

Un osso non sottoposto a sforzi si indebolisce in tempi molto brevi; d’altra parte un osso sottoposto a sforzi eccessivi può ugualmente indebolirsi. Vi è, quindi, un appropriato range di sollecitazioni che rappresentano valori opportuni per l’osso affinchè esso si mantenga nelle condizioni ottimali di capacità di resistenza. Questo è quanto affermato anche dal modello meccanostatico proposto da Frost (1983): egli ipotizzò che le deformazioni a compressione ed a trazione di tipo statico agissero sulle cellule e fossero direttamente responsabili della meccanotrasduzione. Furono anche forniti valori quantitativi del fenomeno, identificando un range di deformazione media considerata fisiologica (200-500 µstrain) all’interno del quale i meccanismi di deposizione e riassorbimento dell’osso si equilibrano. Viceversa, se la deformazione locale è minore o maggiore di queste soglie, si ha rispettivamente riassorbimento o formazione di osso (Figura 1.15). Successivamente Duncan e Turner (1995) identificarono una soglia superiore della deformazione pari a 5000 µstrain oltre la quale si entra in una zona di sovraccarico patologico, con rischio di frattura.

27 Benché i valori forniti da Frost siano ancora oggi un valido riferimento, l’ipotesi che la deformazione meccanica stimoli direttamente le cellule è stata abbandonata: le deformazioni delle ossa sono molto piccole, solo 1000 µstrain durante il cammino e 100 µstrain durante il mantenimento posturale. Queste deformazioni sono uno-due ordini di grandezza inferiori rispetto ai 10000-240000 µstrain (da 1% a 24%), valori di deformazione per cui si ha una risposta biochimica da parte delle cellule negli esperimenti in vitro in cui si deformano direttamente le cellule.

1.6.2 Rimodellamento osseo e attività cellulare

Le modificazioni morfo-funzionali del tessuto osseo che non comportano cambiamenti macroscopici della forma del segmento osseo coinvolto vengono indicate con il termine di rimodellamento osseo. In generale, l’attività metabolica dell’osso risulta evidente durante la crescita come accrescimento e modellamento delle ossa e durante la vita matura dell’organismo come rimodellamento vale a dire turn over e riparazione del danno micro e macroscopico dell’osso.

Il rimodellamento osseo (Figura 1.16) inizia con il reclutamento di preosteoclasti, che vengono richiamati dal flusso circolatorio e vengono indotti a differenziarsi in osteoclasti nelle sedi in cui deve avvenire il riassorbimento osseo. Gli osteoclasti attivati disgregano la matrice ossea, creando cavità di riassorbimento. Nuovi osteoblasti si differenziano dalle cellule osteoprogenitrici o dalle cellule di rivestimento quiescenti, aderiscono alle pareti delle cavità di riassorbimento e depongono strati successivi di osso, che formeranno le lamelle concentriche di un nuovo osteone. I residui delle precedenti generazioni di osteoni non completamente riassorbiti costituiscono le lamelle interstiziali.

28 La velocità media di formazione di nuovo osso è di circa 1 µm al giorno; nel complesso, la genesi di un nuovo osteone richiede circa 4-5 settimane. Inoltre, è stato calcolato che, nell’uomo, il turn-over totale del tessuto osseo che forma lo scheletro avviene in media ogni 10 anni, con tempi più brevi nel giovane e più lunghi nell’anziano.

Nell’individuo giovane, in cui i processi di rimodellamento sono molto accentuati, vi sono numerosi osteoni nuovi che coesistono con quelli maturi e svariate cavità di riassorbimento. Nell’adulto prevalgono gli osteoni maturi e l’osso appare molto compatto per l’esiguo numero di cavità di riassorbimento. Nell’anziano, invece, sono scarsi gli osteoni nuovi mentre abbondano le cavità di riassorbimento, molte delle quali non saranno più riempite da nuovi osteoni.

Pertanto, con il progredire dell’età, si assiste ad una perdita progressiva di tessuto osseo, con riduzione della massa ossea totale. La condizione patologica legata al depauperamento osseo è l’osteoporosi, che comporta una maggiore fragilità delle ossa.