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ESTRUTURA E DINÂMICA
DO
TECIDO ÓSSEO
Fernando Judas
1 ,
Paulo Palma
2
Rui Isidro Falacho
2
Helena Figueiredo
2 Clínica Universitária de Ortopedia dos HUC-CHUC 1 Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra 2 Texto de apoio para os alunos do Mestrado Integrado em Medicina Disciplina de Ortopedia Março de 2012
Resumo
O tecido ósseo é uma forma especializada de tecido conjuntivo constituído por uma fase mineral, formada essencialmente por cristais de fosfato de cálcio, sob a forma de hidroxiapatite, que assenta numa organizada matriz colagénica. A combinação da fase mineral e da fase orgânica confere ao tecido ósseo propriedades únicas, que o tornam muito resistente às solicitações mecânicas. Apesar seu aspeto aparentemente inerte, os ossos são estruturas plásticas altamente dinâmicas que, durante toda a vida do organismo, estão em permanente remodelação, por forma a manter as suas propriedades mecânicas e capacidades
metabólicas. Quando lesados têm capacidade regenerativa, isto é, o processo de reparação óssea é efetuado através da formação de osso novo e não pela formação de tecido fibroso. As células do tecido ósseo podem ser agrupadas em duas séries diferentes: células da linha osteoblástica, responsáveis pelo processo de formação e mineralização da matriz óssea e células da linha osteoclástica, relacionadas com a sua reabsorção. O processo de diferenciação das células da linha osteoclástica está muito controlado pelas células da linha osteoblástica, através de um eixo de regulação comum, vulgarmente conhecido por RANKL/RANK/OPG. O equilíbrio entre formação e reabsorção óssea está na dependência das flutuações locais do rácio RANKL/OPG. A remodelação óssea consiste num mecanismo de substituição, ou de reconstrução, de áreas de tecido ósseo de modo a preservar a integridade, otimizar a função e prevenir a degradação ósseas. No processo de remodelação intervêm duas atividades opostas, mas complementares: a formação e a reabsorção do tecido ósseo a cargo das células das linhas osteoblástica e osteoclástica. Desta forma, elimina-se uma porção de osso velho, substituindo-o por osso novo, com pouca ou nenhuma alteração da massa óssea e assegura-se, também, a substituição de osso imaturo por osso lamelar. O ciclo celular da remodelação compreende uma série ordenada de eventos que vão converter uma superfície em repouso numa zona em remodelação, seguindo uma sequência imutável de ativação - reabsorção - formação. As equipas celulares responsáveis por estas múltiplas atividades incluem não só células específicas do tecido ósseo como também células do sistema imunitário e células endoteliais. O objetivo da remodelação parece incluir duas perspetivas diferentes: uma de índole mecânica dirigida para a reparação e adaptação da estrutura óssea ao meio e a outra metabólica, participando na homeostasia do cálcio plasmático. O tecido ósseo constitui um notável material de construção, de natureza biológica, com a singular capacidade de edificar estruturas muito resistentes que se remodelam e reparam a si próprias. Palavras-chave : tecido ósseo; osteoblastos; osteoclastos; remodelação óssea.
1. Introdução
O tecido ósseo é uma forma especializada de tecido conjuntivo constituído por células e por uma matriz extracelular, que possui a característica única de mineralizar. A mineralização da matriz confere a este tecido uma extrema dureza, permitindo-lhe desempenhar importantes funções de sustentação e proteção. Por sua vez, a matriz colagénica proporciona-lhe uma certa maleabilidade fornecendo-lhe algumas possibilidades de extensão e flexão. A matriz óssea representa, também, o maior reservatório de iões minerais do organismo, particularmente de cálcio e fósforo, participando ativamente na manutenção da homeostase dos níveis de cálcio no sangue e, consequentemente, em todos os fluidos tissulares, condição essencial para a preservação da vida. As funções de suporte estrutural e a de reserva metabólica estão, em condições fisiológicas, num equilíbrio estável. Porém, no caso de existir uma alteração deste equilíbrio, a função estrutural é sempre sacrificada em favor da metabólica. Apesar do seu aspeto aparentemente inerte, os ossos são estruturas altamente dinâmicas, crescem, remodelam-se e mantêm-se ativos durante toda a vida do organismo. Esta permanente reorganização do tecido ósseo é levada a cabo por diversas células ósseas, que assumem várias formas e funções e que, no seu conjunto, constituem a série osteoblástica e a série osteoclástica, responsáveis pela constante formação, reabsorção, reparação e manutenção da microarquitetura óssea. Para que a massa óssea se mantenha constante e células tão diversas como os osteoblastos e osteoclastos estejam, sob um ponto de vista funcional, intimamente associadas no tempo e no espaço, é necessária a existência de uma completa coordenação e integração dos eventos celulares, que caraterizam o processo de remodelação óssea, de modo a manter-se um equilíbrio perfeito. Assim, julgamos pertinente e justificado, recordar aqui alguns conceitos, necessariamente breves, sobre a biologia e dinâmica do tecido ósseo.
2. Histogénese óssea
A formação, desenvolvimento e crescimento dos ossos são realizados através de dois mecanismos distintos: a ossificação intramembranosa e a ossificação endocondral. Estes dois processos de osteogénese diferem, essencialmente, pela ausência ou presença de uma fase cartilagínea, revestindo-se de grande importância. Com efeito, a sequência de eventos observada nos processos de osteogénese embrionária, é basicamente a mesma que vamos encontrar na consolidação de uma fratura, ou nos mecanismos de osteointegração de qualquer biomaterial. Na ossificação intramembranosa, caraterística dos ossos que formam a maioria do esqueleto crânio-facial, as células mesenquimatosas indiferenciadas proliferam, agrupam-se e diferenciam-se, formando regiões condensadas de natureza conjuntiva, nas áreas de mesênquima, onde irão surgir os futuros ossos. Sob a influência de fatores intrínsecos (genéticos) e locais (epigenéticos), estas células começam a sintetizar uma matriz orgânica, bastante laxa, contendo numerosos vasos sanguíneos, sendo possível observar o aparecimento dos primeiros fibroblastos e células osteoprogenitoras. As células osteoprogenitoras diferenciam-se, rapidamente, em osteoblastos começando a formar espículas de matriz osteóide que depois se mineraliza. A confluência de vários destes centros de ossificação tem como resultado o desenvolvimento de uma estrutura entrelaçada de trabéculas ósseas, envolvidas por periósteo, que apresentam entre si amplas cavidades ocupadas por tecido conjuntivo laxo e tecido hematopoiético em desenvolvimento, originando um osso primário com caraterísticas de imaturidade. Com o aparecimento dos osteoclastos, o tecido ósseo imaturo é gradualmente reabsorvido e substituído por tecido ósseo maduro ou lamelar. A ossificação endocondral é o principal mecanismo responsável pela formação e crescimento dos ossos longos das extremidades, bem como de vértebras e costelas. Nos locais onde serão formados os ossos, por ossificação endocondral, as células mesenquimatosas indiferenciadas iniciam um processo de proliferação, condensação e diferenciação em condroblastos que, sintetizando uma matriz cartilagínea e evoluindo para
A designação de tecido ósseo lamelar, pela qual é vulgarmente conhecido o tecido maduro, advém de ser constituído por camadas muito ordenadas com uma disposição paralela ou concêntrica. As fibras de colagénio, extremamente organizadas, constituintes de cada camada, são paralelas entre si, mas estão dispostas segundo uma orientação diferente, formando muitas vezes um ângulo reto em relação às fibras das camadas adjacentes. Isto faz com que camadas contíguas possam parecer bastante distintas, designando-se por lamelas. Depois da fase de crescimento, os ossos de um indivíduo adulto, saudável, adquirem uma estrutura lamelar definitiva, que garante ao osso a resistência mecânica que o carateriza. No entanto, em situações que exijam uma rápida formação de osso novo, observa-se, novamente, o aparecimento de áreas de tecido imaturo, como acontece na reparação de uma fratura óssea ou na doença de Paget. Com efeito, nunca se verifica o aparecimento de tecido ósseo lamelar como matriz óssea inicial.
3. Organização do tecido ósseo
3.1. Tecido ósseo esponjoso e tecido ósseo cortical O tecido ósseo lamelar ou maduro pode ser classificado como esponjoso ou trabecular e cortical ou compacto, com base na sua organização estrutural. A superfície de corte do tecido ósseo compacto aparece sólida e bastante homogénea, ao passo que a do tecido ósse esponjoso tem a aparência de uma esponja (Fig. 1). O tecido ósseo cortical e o tecido ósseo esponjoso possuem os mesmos elementos constitutivos quanto a células e matriz óssea tendo, no entanto, importantes diferenças estruturais e funcionais. O tecido ósseo esponjoso (Fig. 2) é formado por delgadas trabéculas com 100 a 150 μm de espessura, constituídas por lamelas ósseas, na sua maioria paralelas entre si, delimitando amplas cavidades intercomunicantes ocupadas, no osso vivo, por medula óssea. As trabéculas estão organizadas sob a forma de uma rede tridimensional, seguindo sempre as linhas das forças mecânicas, disposição que confere ao osso esponjoso uma óptima resistência às cargas transmitidas pelas superfícies articulares.
Fig 1. O tecido ósseo cortical, com funções de suporte e protecção, está localizado externamente em relação ao tecido ósseo esponjoso, que constitui o eixo da função metabólica. O tecido ósseo compacto ou cortical constitui geralmente a imagem de marca deste tecido, sendo constituído por colunas cilíndricas com 150 a 300 μm de diâmetro, os osteónios ou sistemas de Havers, cujo eixo maior é paralelo ao do osso, representando, assim, as unidades estruturais elementares do osso compacto (Fig. 3). Fig. 2. Corte histológico de uma zona de tecido ósseo esponjoso onde podem observar-se trabéculas ósseas separadas por zonas de medula óssea.
compromisso entre a solidez e a resistência deste tecido e a possibilidade das suas células se nutrirem e comunicarem de forma adequada, mesmo quando retidas no interior de uma matriz mineralizada. A periferia destes sistemas está frequentemente marcada por uma linha hipermineralizada, designada por linha cimentante. Esta zona define uma fronteira entre os diversos sistemas de Havers ou entre estes e os restos de antigos sistemas já parcialmente reabsorvidos. Fig. 4. Corte histológico e esquema representativo de um tecido ósseo compacto (obtido por desgaste) pondo em evidência a organização de sistemas de Havers formados por lamelas ósseas concêntricas (2 e 3) em torno de um canal central (1). São também visíveis as lacunas dos osteócitos (4) e uma complexa rede de canalículos ósseos. A atividade de remodelação óssea ocorre na superfície interna e central do osteónio. Cerca de 80 a 90% do volume total do osso cortical está calcificado, enquanto que, o volume de osso trabecular calcificado é da ordem dos 15 a 25%. Assim, a relação entre a massa da matriz/unidade de volume é muito maior para o osso compacto, o que significa que este tipo de tecido tem uma maior densidade e uma menor porosidade. Como a resistência de um osso às forças de compressão é proporcional ao quadrado da sua densidade, o módulo de elasticidade e, consequentemente, a resistência mecânica do osso cortical pode atingir 10 vezes a do osso esponjoso.
Por outro lado, o osso esponjoso apresenta aproximadamente 20 vezes mais área de superfície por unidade de volume do que o osso cortical e, assim, as suas células podem ser mais fácil e diretamente influenciadas pelas células da medula óssea. Por este facto e considerando a sua organização, o tecido ósseo esponjoso apresenta uma maior capacidade metabólica e maior atividade de remodelação e, assim sendo, uma resposta mais rápida (para o bem e para o mal) aos estímulos mecânicos, químicos e hormonais. Parece, pois, concluir-se, que as especificidades funcionais, atrás descritas, são consequência das diferentes caraterísticas estruturais entre estes dois tipos de tecido ósseo. Deste modo, pode afirmar-se que o tecido ósseo cortical desempenha fundamentalmente funções de suporte e proteção, estando localizado externamente em relação ao tecido ósseo trabecular, que constitui o eixo da função metabólica.
4. Elementos celulares do tecido ósseo
4.1. Células do tecido ósseo O tecido ósseo é, sob um ponto de vista celular constituído, apenas, por duas linhas celulares. As populações de células assumem diversas formas e designações, com base na sua diferente morfologia, atividade e localização em relação à matriz calcificada. Estas células podem ser agrupadas em duas séries diferentes: células da linha osteoblástica, responsáveis pelo processo de formação da matriz óssea e células da linha osteoclástica, relacionadas com a sua reabsorção. 4.2. Células da linha osteoblástica As células da linha osteoblástica têm origem nas células mesenquimatosas indiferenciadas e pluripotenciais, tendo sido tradicionalmente consideradas de localização preferencial no periósteo e no estroma da medula óssea. Uma série complexa de etapas de proliferação e diferenciação, permite que as células mesenquimatosas pluripotenciais se transformem em osteoblastos maduros. São já conhecidos alguns dos genes e dos fatores de transcrição e regulação génica, responsáveis pela diferenciação de células
vascularizados), existindo uma baixa tensão de oxigénio, as células osteoprogenitoras podem originar condroblastos ou mesmo fibroblastos, situação muitas vezes verificada nos processos pouco eficazes de reparação de fraturas. As células da linha osteoblástica integram quatro subpopulações principais: os pré-osteoblastos, os osteoblastos maduros, as células de revestimento ósseo e os osteócitos, sendo todas elas consideradas como diferentes estádios funcionais da mesma célula. As células mesenquimatosas pluripotenciais apresentam um alto índice mitótico mas uma baixa capacidade de expressão das proteínas, que caracterizam a matriz óssea. Os pré-osteoblastos são considerados ainda como células precursoras mas já comprometidas na linha osteoblástica, representando uma fase intermédia da sua diferenciação. Encontram-se geralmente perto das superfícies de formação óssea, e apresentam uma reduzida capacidade proliferativa. Mas, por outro lado, vão adquirindo progressivamente as caraterísticas que marcam um fenótipo osteoblástico. 4.2.1. Osteoblastos Os osteoblastos (Fig. 5) tornam-se maduros quando atingem a superfície óssea e apresentam-se, então como células cúbicas, altamente polarizadas, dispostas em paliçada (frequentemente designadas por epitélio osteóide). Entre estas células formam-se junções comunicantes ( gap junctions ), que são fundamentais para a ligação e comunicação entre células adjacentes. Os osteoblastos maduros são células sem capacidade de divisão mas metabolicamente muito ativas. Dentre as proteínas sintetizadas pelos osteoblastos estão o colagénio tipo I e proteínas não colagénicas como a osteopontina, a osteocalcina e a sialoproteina óssea, entre outras. Estas proteínas não colagénicas têm uma importância fundamental no processo de mineralização, ou seja, na ligação do colagénio aos cristais minerais de hidroxiapatite. Ainda neste contexto, é necessário sublinhar o facto dos osteoblastos sintetizarem muitos e variados fatores de crescimento, que ficam incorporados na matriz óssea,
desempenhando um papel determinante, tanto na formação de tecido ósseo como na diferenciação e na atividade dos osteoclastos. Fig. 5. Osteoblastos (Ob) na periferia de uma trabécula óssea em formação. É visível, também, a presença de osteóide (Ot) e de matriz mineralizada. Os osteoblastos são responsáveis não só pela formação da matriz óssea, mas também pela sua mineralização. De facto, o tecido ósseo é constituído por uma fase mineral, formada essencialmente por cristais de fosfato de cálcio, sob a forma de hidroxiapatite, que assenta numa organizada matriz colagénica (fase orgânica). A combinação da fase mineral e da fase orgânica confere ao tecido ósseo propriedades biomecânicas únicas. As fibras de colagénio conferem uma certa elasticidade ao tecido ósseo, bem como algumas capacidades de resistência à propagação de fissuras. Os cristais de hidroxiapatite proporcionam uma elevada dureza e resistência à compressão. Os osteoblastos apresentam numerosos prolongamentos citoplasmáticos, que se projetam para a matriz óssea e que se interdigitam e comunicam com os prolongamentos dos osteócitos. Este facto permite o estabelecimento de importantes relações entre os osteoblastos ativos na superfície óssea e os osteócitos que estão no seio da matriz calcificada. Estas células funcionam, ainda, com recetores e transmissores de sinais
e de muitas outras substâncias (Fig. 6). A vida do osteócito depende deste processo de difusão de nutrientes e a vida da matriz óssea depende do osteócito. Os prolongamentos celulares dos osteócitos situados no interior dos canalículos encontram-se, também, interligados por junções comunicantes (gap junctions), apresentando uma profunda analogia com a rede «neuronal» que se observa no tecido nervoso. Fig. 6 - Esquema representativo da distribuição e localização na matriz óssea das células da linha osteoblástica. Os osteoblastos e as células de revestimento ósseo encontram-se dispostos numa camada contínua, à superfície da matriz óssea (uma zona de matriz orgânica não calcificada, denominada por osteóide, separa estas células da matriz calcificada). Os osteócitos encontram-se situados no interior de lacunas existentes na matriz óssea. Por sua vez, uma profusa rede de canalículos interligam as lacunas entre si e alojam os prolongamentos dos osteócitos. Este conjunto (osteócitos e sistema lacuno-canalicular) forma uma complexa rede que põe em comunicação os osteócitos, os osteoblastos e as células de revestimento ósseo. Adaptado de Faloni APS. Devido ao seu elevado número (sendo as células mais numerosas) e complexa organização e disposição, os osteócitos estão numa situação privilegiada para captar as alterações da matriz óssea e os estímulos mecânicos que atuam sobre o osso (mecanossensores). Estas informações
são depois transmitidas às células da superfície para que estas possam ativar os processos de remodelação óssea, sempre que estes sejam necessários. O mecanismo pelo qual as forças mecânicas conseguem regular processos celulares é designado de uma forma global por mecanotransdução. Assim sendo, a mecanotransdução pode ser entendida como a conversão de um sinal de natureza mecânica (força) numa resposta celular de natureza bioquímica. Por outras palavras, pode considerar-se o mecanismo de transdução como um processo pelo qual certas células (células recetoras) detetam ou “sentem” certos sinais mecânicos (forças ou tensões aplicadas) gerando uma resposta celular (de natureza bioquímica) dirigida às células alvo (células efetoras). Estas últimas células vão, por sua vez, ativar ou modular os processos de remodelação. Os osteócitos constituem nestas circunstâncias as células recetoras ou mecanossensoras, sendo as células de revestimento ósseo, os osteoblastos e os osteoclastos, as células efetoras. Porém, os osteócitos não respondem diretamente aos estímulos mecânicos que atingem a matriz mineralizada, mas respondem (indiretamente) às alterações e deformações do fluido extracelular. Com efeito, os osteócitos parecem ser particularmente sensíveis às diferenças de fluxo e pressão hidrostática do fluido existente no sistema lacuno-canalicular. Assim, a deformação da matriz óssea (que ocorre pela aplicação de uma determinada força) pode causar diferenças de pressão no fluido que preenche os canalículos, alterando o seu fluxo (isto é, a sua velocidade). É nesta interação, entre o movimento do fluido e os osteócitos, que reside a chave da mecanotransdução. Estas alterações do meio extracelular (variações de pressão e velocidade dos fluidos) são, pois, captadas pelos osteócitos que as convertem em sinais e mensagens moleculares (óxido nitroso e prostaglandinas, alterações da carga elétrica, alterações na membrana plasmática com libertação de cálcio), que serão transmitidas, como já foi referido, às células efetoras quer através dos prolongamentos celulares e gap junctions (ativando a rede intracelular de comunicação) quer por difusão no fluido extracelular. É cada vez mais consensual que estes
Fig. 7 - Aspeto em microscopia de luz de osteoclastos presentes em lacunas de Howship à superfície de uma trabécula óssea. Corte histológico de material descalcificado corado com HE. A reabsorção propriamente dita (Fig. 8) é um processo altamente organizado e sequencial (levado a cabo na lacuna de reabsorção) constituído por duas fases consecutivas. A primeira fase consiste num processo de acidificação do compartimento atrás mencionado (através da produção de protões H+^ e aniões Cl-), provocando a dissolução dos cristais de hidroxiapatite, constituintes da fase mineral da matriz óssea. Numa segunda fase, tem lugar a degradação completa da fase orgânica por ação de numerosas enzimas proteolíticas (catepsinas e metaloproteínas da matriz). Na série osteoclástica podemos incluir os monócitos circulantes, os monócitos presentes na medula óssea, os pré-osteoclastos e os osteoclastos. Os osteoclastos são membros da linha celular dos monócitos- macrófagos, podendo a sua diferenciação resultar de precursores mielóides (medula óssea – série hematopoiética) mas também de células macrofágicas já bem diferenciadas. Assim sendo, pode considerar-se que o osteoclasto não será uma verdadeira célula óssea, mas sim uma célula sanguínea altamente especializada que possui muitas caraterísticas imunológicas. A semelhança filogenética entre o sistema imunológico e o osteoarticular resulta numa forte comunicação e integração entre estes dois sistemas, ocupando o osteoclasto uma posição chave.
Fig. 8 – Osteoclasto em atividade de reabsorção. O compartimento imediatamente subjacente à bordadura em escova (RB) constitui o local onde ocorre a reabsorção óssea. No interior do osteoclasto, a anidrase carbónica (AC) promove a conversão de gás carbónico (CO 2 ) e água (H 2 O) em iões hidrogénio (H+) e bicarbonato (HCO 3 - ).^ A bomba de protões, localizada na membrana da RB, promove a libertação dos iões H+^ para o micro ambiente onde se processa a reabsorção óssea. A acidificação, promovida pelos iões H+, contribui para a desmineralização da matriz óssea, ocorrendo a dissolução dos cristais de hidroxiapatite [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ] e consequente libertação de cálcio (Ca2+) e fosfato (HPO 4 - ). Segue-se, então, a secreção de enzimas lisossomais. Estas enzimas são responsáveis pela degradação das proteínas colagénicas e não-colagénicas da matriz. Os produtos da degradação da matriz orgânica são internalizados na RB, por meio de vesículas (Ve) e transportados para o interior do osteoclasto, sendo posteriormente, conduzidos para o meio extra celular. N, núcleos; M, mitocôndria; L, lisossomas; RER, retículo endoplasmático rugoso; CG, complexo de Golgi; MDes, matriz óssea desmineralizada; MDeg, matriz óssea parcialmente degradada. Adaptado de Faloni APS. Parece importante sublinhar mais uma vez que os osteoclastos são as células com maior responsabilidade na dinâmica dos processos de remodelação óssea. 4.3.2. Osteoclastogénese O processo de formação, desenvolvimento e maturação dos osteoclastos engloba múltiplas etapas, sendo a fusão celular de precursores mononucleares uma das mais emblemáticas.
