Tecido Ósseo , Manual de Biologia Celular e Molecular. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)
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letycia_amarante20 de agosto de 2016

Tecido Ósseo , Manual de Biologia Celular e Molecular. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)

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tecido ósseo anatomia
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ESTRUTURA E DINÂMICA

DO

TECIDO ÓSSEO

Fernando Judas 1,2

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

2

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 imunitárioe

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.

3

Sumário

1. Introdução ........................................................................................... 4

2. Histogénese óssea................................................................................. 5

3. Organização microscópica do tecido ósseo ................................................ 7

3.1. Tecido ósseo esponjoso e tecido ósseo cortical .................................... 7

4. Elementos celulares do tecido ósseo ....................................................... 11

4.1. Células do tecido ósseo .................................................................... 11

4.2. Células da linha osteoblástica ........................................................... 11

4.2.1. Osteoblastos ................................................................................ 13

4.2.2. Osteócitos .................................................................................... 12

4.3. Osteoclastos e osteoclastogénese ..................................................... 18

4.3.1. Osteoclastos ................................................................................ 18

4.3.2. Osteoclastogénese ........................................................................ 16

5. Composição bioquímica e molecular da matriz óssea ................................ 23

6. Dinâmica do tecido ósseo. Remodelação óssea. ....................................... 28

6.1. Perspetiva mecânica: adaptação e reparação da estrutura óssea. ......... 30

6.2. Perspetiva metabólica: homeostasia do cálcio plasmático. .................... 36

6.3. Ciclo da remodelação óssea .............................................................. 38

7. Bibliografia recomendada ...................................................................... 49

4

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.

5

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

6

condrócitos, formam um modelo em cartilagem hialina com o aspecto do

futuro osso.

O mecanismo de ossificação endocondral, propriamente dito, começa na

superfície da região média do modelo cartilagíneo, quando as células

mesenquimatosas, adjacentes ao pericôndrio da cartilagem, se diferenciam

em osteoblastos, passando a sintetizar uma matriz orgânica que,

posteriormente, se mineraliza.

Dado que a cartilagem é nutrida por difusão, a presença deste tecido

mineralizado, localizado perifericamente, vai restringir a passagem de

substâncias nutritivas para os condrócitos da região central da cartilagem.

Como consequência deste facto e de fenómenos de morte celular

programada (aptose), os condrócitos iniciam um processo de hipertrofia,

síntese de colagénio X, calcificação da matriz e morte celular.

Posteriormente, os vasos sanguíneos do tecido que rodeia o modelo

cartilagíneo, penetram na região interna e central da cartilagem, que se

encontra num processo de calcificação e degenerescência celular. As

cavidades deixadas pelos condrócitos, entre os septos de matriz de

cartilagem calcificada são, então, invadidas por capilares e por células

mesenquimatosas indiferenciadas, que se diferenciam em osteoblastos,

dando início à síntese de matriz óssea sobre os septos de cartilagem

calcificada. Este processo origina a formação de espículas ósseas

constituídas por matriz óssea e por remanescências de matriz cartilagínea

calcificada. Estas estruturas sofrem, depois, um processo de reabsorção e

remodelação, dando lugar a trabéculas de tecido ósseo maduro ou lamelar.

Deste modo, forma-se um tecido ósseo nos locais onde havia tecido

cartilagíneo, sem que, todavia, ocorra a transformação da cartilagem em

osso.

Seja qual for o processo de ossificação de base, o tecido ósseo inicialmente

resultante é sempre de tipo primário ou imaturo, sendo trabecular pouco

organizado e irregular,contrariamente ao que se verifica no tecido ósseo,

normalmente observado no adulto, caraterizado por uma estrutura lamelar

organizada.

7

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.

8

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.

9

Fig. 3. Esquema representativo da constituição histológica de uma zona de tecido

ósseo compacto.

Cada osteónio é formado por cerca de 20 a 30 lamelas ósseas concêntricas

(com cerca de 5 μm de espessura cada), dispostas à volta de um canal

central, o canal de Havers, que é ocupado por elementos vasculo-nervosos

(Fig. 4). Cada lamela óssea apresenta uma orientação aproximadamente

perpendicular à lamela adjacente, de modo a conferir maior resistência à

propagação de fissuras. Entre as lamelas de um osteónio encontram-se

numerosas lacunas ósseas, os osteoplastos, dispostas também

concentricamente em relação ao canal de Havers, ocupadas, num osso vivo,

pelos osteócitos. As lamelas são radialmente atravessadas por canalículos

ósseos contendo os prolongamentos citoplasmáticos dos osteócitos. Esta

organização do tecido ósseo compacto em lamelas, representa um

10

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.

11

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

12

mesenquimatosas pluripotenciais em células osteoprogenitoras e sua

implicação na formação e desenvolvimento do tecido ósseo. Com efeito, foi

já demonstrado que a diferenciação das células mesenquimatosas em

células da linha osteoblástica é, invariavelmente, precedida pela ativação de

vários genes. De entre eles encontra-se o gene Cbfa1 (core-bendigo factor

family 1) que codifica um fator de transcrição responsável pela expressão

de proteínas específicas da matriz óssea. Este gene é muitas vezes

reconhecido como um “master gene” que assinala um ponto de viragem,

teoricamente irreversível, determinando e comprometendo o destino destas

células. O Cbfa1 é pois, até agora, o mais precoce e específico indicador dos

processos de osteogénese.

Por outro lado, é também conhecido que entre os fatores de crescimento

que influenciam o processo de diferenciação osteoblástica, quase todos eles

exercem a sua atividade através da regulação deste gene confirmando,

mais uma vez, o seu papel pivot. Neste âmbito, ocupam um lugar de

destaque as proteínas morfogenéticas do osso vulgarmente designadas por

BMPs (Bone Morphogenetic Proteins) capazes de ativar toda a cascata de

eventos que conduz à formação de matriz óssea. Estas proteínas constituem

potentes indutores dos processos de osteogénese, através da estimulação

de células mesenquimatosas em células osteoblástica, tendo por base a

ativação do Cbfa1. Estes fatores têm vindo a ser aproveitados para

promover a formação óssea, conferindo capacidades osteoindutivas a

muitos materiais de substituição óssea.

Tem também sido sugerida a existência de uma célula

osteocondroprogenitora que poderá seguir para osteoblasto ou para

condroblasto, como resposta a pequenas variações das condições locais. De

facto, as células mesenquimatosas indiferenciadas têm a capacidade de se

diferenciarem numa grande variedade de tipos celulares, dependendo do

seu habitat e dos fatores reguladores presentes no meio. Em relação a este

último aspecto, está hoje perfeitamente demonstrado que em áreas

ricamente vascularizadas, a diferenciação das células com potencial

osteogénico vai, naturalmente, conduzir ao aparecimento de osteoblastos e

de matriz óssea. Todavia, em regiões onde a rede capilar não esteja

suficientemente desenvolvida (locais mecanicamente instáveis e menos

13

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,

14

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

15

para a remodelação óssea. Com efeito, à exceção da calcitonina, quase

todas as hormonas e muitos fatores de crescimento e citoquinas que

controlam a reabsorção do tecido ósseo, têm recetores nos osteoblastos e

não nos osteoclastos. Tudo indica, portanto, que são as células

osteoblásticas e não os osteoclastos que desencadeiam o processo de

reabsorção óssea, considerando que a maioria dos fatores osteotrópicos

estimulam a formação e ativação osteoclástica, através das células

osteoblásticas.

Terminado o período de secreção ativa, os osteoblastos achatam-se e

transformam-se em células de revestimento ósseo ou em osteócitos,

podendo desaparecer do local de formação óssea, provavelmente por

apoptose.

As células de revestimento ósseo (linning cells) formam uma camada

contínua de células achatadas (Fig. 6) que reveste a maior parte da matriz

calcificada, situando-se ao longo das superfícies do endósteo. Estas células

apresentam uma capacidade de síntese reduzida, sendo consideradas

quiescente ou de repouso. Porém, podem reconverter-se em células

osteoblásticas ativas se devidamente estimuladas, sendo-lhe atribuído um

papel cada vez mais relevante nos processos de remodelação óssea.

O osteoblasto ao envolver-se completamente na matriz óssea calcificada,

fica aprisionado em cavidades denominadas por lacunas ou osteoplastos,

diferenciando-se deste modo em osteócitos.

4.2.2. Osteócitos

Os osteócitos apresentam uma morfologia muito típica e uma organização

tridimensional muito intrincada, encontrando-se estrategicamente colocados

e regularmente espaçados no interior de toda a matriz mineralizada.

Os osteócitos são células altamente ramificadas, localizadas nas suas

lacunas ósseas, comunicando entre si e com as células da superfície óssea,

através de uma rede de canalículos, que contêm os seus numerosos

prolongamentos citoplasmáticos e que permitem a passagem de nutrientes

16

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

17

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

18

mecanismos não atuam de forma isolada, mas sim em sinergia,

observando-se diversas vias alternativas em simultâneo.

Por outro lado, a existência de uma área de matriz danificada ou

comprometida (pela presença de microfissuras) pode provocar uma

restrição na acessibilidade dos osteócitos aos nutrientes e oxigénio, o que

leva à sua apoptose (morte celular programada). A apoptose dos osteócitos

desencadeia quase sempre processos de remodelação óssea, verificando-se

uma íntima associação, no tempo e no espaço, entre microfissuras,

apoptose dos osteócitos e remodelação óssea.

Em síntese: em condições fisiológicas existe, no tecido ósseo, uma íntima

relação e integração entre estímulos mecânicos e respostas celulares,

visando para além da sobrevivência e funcionalidade dos osteócitos, uma

constante adaptação ou reparação da microestrutura óssea. Os processos

de remodelação são a tradução funcional destas respostas celulares, sendo

os osteócitos os principais “guardiões” do tecido ósseo.

4.3. Osteoclastos e osteoclastogénese

4.3.1. Osteoclastos

Os osteoclastos desempenham uma função essencial na remodelação e na

renovação do tecido ósseo.

Os osteoclastos são células gigantes multinucleadas (Fig. 7) altamente

especializadas nos processos de reabsorção da matriz óssea,

desenvolvendo, para este fim, uma eficaz e complexa maquinaria (que lhes

confere caraterísticas e capacidades únicas). Podem ser observados nas

superfícies ósseas, principalmente no endósteo e, ocasionalmente, na

superfície do periósteo. A região óssea que está a ser reabsorvida apresenta

a forma de uma cripta ou lacuna recebendo a designação de lacuna de

Howship.

19

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.

20

Fig. 8Osteoclasto 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

(CO2) e água (H2O) em iões hidrogénio (H +) e bicarbonato (HCO3

-). 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

[Ca10(PO4)6(OH)2] e consequente libertação de cálcio (Ca 2+) e fosfato (HPO4

-). 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.

21

Para iniciar o seu processo de diferenciação, os osteoclastos necessitam da

presença de células osteoblásticas (ou de células mesenquimatosas do

estroma da medula óssea) capazes de produzir fatores de diferenciação e

ativação, que incluem, entre outros, o fator estimulador de colónias de

macrófagos (macrophage colony stimulating Factor – M-CSF).

Fig. 9 - Esquema do processo de diferenciação dos osteoclastos (osteoclastogénese) por

intervenção direta dos osteoblastos através do sistema RANKL/RANK/OPG.

Os osteoblastos expressam ainda (e na sua superfície) uma outra proteína

transmembranar conhecida por RANKL (ligando para o receptor de ativação

do fator nuclear kappa B). Para que possa dar-se a ativação das células

osteoclásticas é necessário que estas desenvolvam entretanto (também na

sua superfície) um recetor transmembranar designado por RANK (receptor

de ativação do fator nuclear kappa B).

A interação do RANKL (presente na superfície dos osteoblastos) com o RANK

(presente na superfície dos pré-osteoclastos) leva à maturação dos

osteoclastos sendo um dos principais “motores de arranque” da

osteoclastogénese. Está hoje bem estabelecido que o contacto célula-a-

-célula entre células da linha osteoblástica e osteoclástica constitui um pré-

-requisito necessário e, até há bem pouco tempo essencial, para a

maturação e ativação dos osteoclastos. De facto, os osteoblastos, através

de um mecanismo que envolve o contacto entre estas células e os

22

precursores osteoclásticos, constituem um dos principais indutores da

osteoclastogénese (Fig. 9).

Fig. 10 - Mecanismo de regulação da população funcional de osteoclastos, à semelhança de

um reóstato, efetuado pelas células da linha osteoblástica com base nos níveis de RANKL e

de OPG. Adaptado de Robling A. G. et al.

Os osteoblastos sintetizam ainda uma outra proteína, neste caso solúvel, a

osteoprotegerina (OPG), com uma alta afinidade para o RANKL, impedindo

ou bloqueando a ligação do RANKL ao seu receptor RANK. Por este

mecanismo, a OPG regula a população funcional dos osteoclastos, actuando

localmente como um “travão” à osteoclastogénese reduzindo, deste modo,

a reabsorção óssea (Fig. 9).

Com efeito, as células da linha osteoblástica podem controlar o

desenvolvimento e a atividade osteoclástica (em resposta a diferentes

estímulos mecânicos, hormonais e inflamatórios), ajustando os níveis de

expressão do RANKL e de OPG. A presença de altos níveis de RANKL

promove a osteoclastogénese, enquanto que uma maior expressão de OPG

resulta numa diminuição da osteoclastogénese, ou mesmo na apoptose dos

osteoclastos. Assim, as células da linha osteoblástica podem funcionar como

um reóstato (Fig. 10) do processo de reabsorção óssea.

Em síntese, pode afirmar-se que o processo de diferenciação das células da

linha osteoclástica está muito controlado pelas células da linha

23

osteoblástica, através de um eixo de regulação comum, vulgarmente

conhecido por RANKL/RANK/OPG. Porém, esta via não é de sentido único e,

como veremos posteriormente, também os osteoclastos condicionam e

modulam muitas das atividades osteoblásticas.

O sistema de citoquinas RANKL/RANK/OPG constitui um eixo fundamental

na regulação da massa óssea. Com efeito, o equilíbrio entre formação e

reabsorção óssea está na dependência das flutuações locais do rácio

RANKL/OPG.

Fig. 11. Algumas caraterísticas físicas apresentadas por um osso processado por

desmineralização e por calcinação. O perónio desmineralizado permite o enrolamento em

forma de "nó de gravata", sem se fraturar. Se a matriz orgânica for removida (sem

colagénio, calcinação do osso), perde a elasticidade, tornando-se frágil perante deformações

e traumatismos diretos.

5. Composição bioquímica e molecular da matriz óssea

A matriz óssea pode ser considerada um material compósito constituído por

uma fase mineral que assenta numa organizada base de colagénio. O

componente inorgânico representa aproximadamente 60% da massa óssea,

24

enquanto que o orgânico contribui com pouco mais de 20% e a água com

aproximadamente 10%.

O componente orgânico, maioritariamente constituído por colagénio,

confere ao osso uma grande capacidade de resistência às forças de tensão,

enquanto que, o inorgânico resiste às forças de compressão. Um osso longo

desmineralizado, como o perónio, permite a aplicação de forças

significativas de distensão longitudinal ou o seu enrolamento em forma de

"nó de gravata", sem se fraturar (Fig. 11). Pelo contrário, a remoção da

matriz orgânica de um osso longo, torna-o rígido mas muito frágil às

deformações e aos traumatismo diretos. A matriz óssea tem uma grande

durabilidade e estabilidade, comprovada pelo fato de se manter inalterável

e reter muita da sua resistência, durante séculos após a morte do

organismo.

A matriz orgânica do tecido ósseo (Fig. 12) assemelha-se muito à matriz

dos tecidos conjuntivos densos, como os tendões e ligamentos. De facto, as

fibras de colagénio formam cerca de 90% de toda a matriz proteica do osso.

Aproximadamente 80% do colagénio presente no osso lamelar é do tipo I. O

colagénio de tipo III ocupa cerca de 5-15%, enquanto os do tipo IV a VII

aparecem numa reduzida quantidade, menos de 5%.

Fig. 12. Microfotografia em Microscopia Eletrónica de Varrimento (MEV) do componente

colagénico da matriz óssea. Cortesia da Eng.ª Gabriela Martins e do Inst. Pedro Nunes.

25

As fibras, as fibrilhas e as moléculas de colagénio estão orientadas de

acordo com as principais linhas de força a que a estrutura óssea está

submetida.

Os espaços (Fig. 13) entre as moléculas de tropo-colagénio (“holes”)

representam locais de eleição para a nucleação dos primeiros cristais de

hidroxiapatite.

Fig. 13. A organização molecular e supramolecular da matriz colagénica constitui um molde

para a deposição do componente mineral (cristais de hidroxiapatite).

Deste modo, a matriz orgânica representa uma importante base molecular e

estrutural como armação ou molde para a deposição do componente

inorgânico.

A matriz óssea contém, ainda, uma grande variedade de proteínas não

colagénicas, na sua maioria sintetizadas pelos osteoblastos, representando

apenas 10 a 15% das proteínas totais da matriz. Destas proteínas, algumas

são específicas do tecido ósseo, outras encontram-se também noutros

tecidos conjuntivos, ainda que sempre em maior quantidade no osso e, por

último, algumas delas estão normalmente presentes no plasma sanguíneo,

sendo muitas vezes, adsorvidas e incluídas na matriz óssea.

Estas proteínas não colagénicas exercem uma grande influência na

organização da matriz óssea, na sua mineralização e no comportamento e

atividades celulares, com importantes repercussões na fisiologia óssea.

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