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TECIDO ÓSSEO E OSSIFICAÇÃO Daiana Vieira Lopes Histologia UFRJ - Macaé 1. Introdução 1.1. Características Gerais 1.2. Funções 2. Composição: Células e Matriz 2.1. Matriz: Orgânica (Osteóide) Inorgânicas (cristais de fosfato de cálcio – hidroxiapatita) 2.2. Células: Osteoprogenitoras; Osteoblastos; Osteócitos; Células de Revestimento ósseo Osteoclastos 3. Organização e Tipos 3.1. Classificação macroscópica. Envoltório: Periósteo e Endósteo Tipos de osso (Macroscópica): Compacto (cortical) e Esponjoso (trabecular) Longos e Chatos 3.2. Classificação microscópica: Primário ou Imaturo Secundário, Maduro ou Lamelar Sistema de Havers ou ósteon 4. Histogênese do tecido ósseo: Ossificação Intramembranosa Ossificação Endocondral Crescimento Endocondral Reparo Ósseo TECIDO ÓSSEO E OSSIFICAÇÃO •Tecido conjuntivo especializado, rígido. •MEC impregnada com sais de cálcio e fosfato (hidroxiapatita) – mineralização •Altamente vascularizado •Metabolicamente muito ativo CARACTERÍSTICAS GERAIS FUNÇÕES •Sustentação/suporte para o corpo (ossos do esqueleto e local de inserção de tendões e ligamentos) •Proteção de partes moles (por ex., órgãos torácicos no gradil costal, sistema nervoso central no crânio e coluna vertebral, medula óssea nas cavidades ósseas) •Funciona como um reservatório para íons cálcio e fosfato (sob regulação hormonal). INTRODUÇÃO COMPOSIÇÃO Tecido ósseo – Células e Matriz Óssea 0C OB OT MATRIZ ÓSSEA •Formada por componente orgânicos (35%) e inorgânicos(65%). MATRIZ ÓSSEA ORGÂNICA •Colágeno (90%); arranjo altamente ordenado – COL tipo I; colágenos associados (V, XI e XIII) •Proteoglicanos ricos em CS, KS e AH. •Proteínas não colagenosas – osteocalcina, osteoconectina, osteopontina, sialoproteína - Osteonectina (adesão de osteócitos à matriz); - Osteocalcina (afinidade por hidroxiapatita); - Osteopontina (adesão de osteoclastos à matriz); - Sialoproteínas ósseas (adesão de osteoblastos à matriz); - Produtos solúveis (osteoprotegerina, citocinas, CSF-M, entre outros); MATRIZ ÓSSEA INORGÂNICA •Depósitos de fosfato de cálcio na forma de cristais de hidroxiapatita [Ca10(PO4)6(OH)2]. Osteóide – matriz óssea recém-sintetizada; matriz orgânica não mineralizada do osso COMPOSIÇÃO - MATRIZ COMPONENTES CELULARES DO TECIDO ÓSSEO •Células osteoprogenitoras •Osteoblastos •Osteócitos •Células de Revestimento Ósseo •Osteoclastos COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Origem Embriológica HSC GM-CSF CÉLULAS OSTEOPROGENITORAS COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Camundongos Cbfa-1 –deficientes Célula Mesenquimal (MSC) Célula Osteoprogenitora diferenciação BMPs* TGF-B Osx BMPs e TGF –B = fatores de crescimento que regulam a diferenciação de osteogênica Cbfa-1/Runx2 = gene osteoblasto-específico que controla a diferenciação de osteogênica Osteoblastos WT Cbfa-1 -/- osso cartilagem Cbfa-1/Runx2 Komon et al. (1997)Francceschi et al. (2007) CÉLULAS OSTEOPROGENITORAS COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Osteoblastos •São achatadas ou escamosas •Núcleo alongado ou ovóide •Levemente coradas • localizadas revestindo o osso (endósteo e periósteo) REG e ribossomas livres Pequeno ap. Golgi Atlas fotográfico de histologia - Leboffe MJ OSTEOBLASTOS COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Aspecto ao M.O. células de formato aproximadamente cuboide, com citoplasma basófilo (abundância de REG) e núcleo arredondado, formando fileiras irregulares nas superfícies ósseas. Osteóide – faixa clara COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Osteoblastos – M. E. Observe osteoblastos com extenso REG e abundante complexo de Golgi citoplasmáticos, além do núcleo eucromático. O, osteoide (matriz orgânica recém-sintetizada e não-mineralizada). COMPOSIÇÃO - CÉLULAS OSTEÓCITOS Incorporação dos osteoblastos na matriz óssea após modulação Formação de osteócitos enclausurados em lacunas, com prolongamentos citoplasmáticos em canalículos Osteócitos em lacunas (M.O.) COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Osteócitos em lacunas (M.E.) matriz Junções ComunicantesProcessos celulares Vaso Processos celulares osteócito Matriz mineralizada Pouco REG OSTEÓCITOS COMPOSIÇÃO - CÉLULAS MECANOTRANSDUÇÃO SINAIS MECÂNICOS (ex. alterações de peso ou carga mecânica) OSTEOBLASTOS REMODELAÇÃO ÓSSEA Alteração expressão gênica e mecanismo apoptose Osteólise Osteocítica OSTEÓCITOS DE REABSORÇÃO (REG e lisossomos) MMP Ca+2 * Funções Osteócitos: manutenção da matriz Morte (senescência/fratura) COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Células do revestimento ósseo (endósteo) “bone lining cells” - Osteoblastos que, não sendo enclausurados na matriz óssea, permanecem na superfície, formando o revestimento das superfícies ósseas internas (endósteo); Células Achatadas com citoplasma atenuado e escassez de organelas CÉLULAS DE REVESTIMENTO ÓSSEO COMPOSIÇÃO - Osteogênese 1. Proliferação de osteoprogenitor 2. Diferencição 3. Osteoblasto ativo 4-5. Osteoblasto ficando imerso na matriz e se diferenciando em Osteócito, com emissão de dendritos e formação de canalículos na matriz 6-7. Diferenciação para Osteócito (Osteócitos jovens) 8. Osteócitos diferenciados Diferenciação Osteogênica COMPOSIÇÃO - Osteogênese Diferenciação Osteogênica Beck GR, Jr. 2003 COMPOSIÇÃO – Mineralização Mineralização da Matriz Óssea a. Fase I • Brotamento de vesículas da matriz da superfície de osteoblastos; • Internalização de Ca2+ e Pi, formando fosfato de cálcio (CaP) amorfo não-cristalino; • Conversão do CaP amorfo em cristais insolúveis de hidroxiapatita; b. Fase II • Perfuração da membrana das vesículas pelos cristais, mediada por fosfolipases; • Escape de cristais para a matriz extracelular, aumento dos níveis de Ca2+ e Pi nos cristais, aumento do tamanho dos cristais, e nucleação continuada dos cristais por proteínas da matriz óssea (osteocalcina, osteopontina e sialoproteína óssea 1). COMPOSIÇÃO – Mineralização Mineralização da Matriz Óssea MV Anderson et al. (2004) Papel da Fosfatase Alcalina (TNAP) Marcação para Fosfatase Alcalina COMPOSIÇÃO – Mineralização Fibrilas colágenas mineralizadas Mineralização da Matriz Óssea OSTEOCLASTOS •Realizam reabsorção da matriz óssea, com importante participação na remodelação e na renovação óssea. •Células Grandes, multinucleadas (fusão de células da linhagem mono-macrofágica) •Ocupa a Lacuna de Howship (baía de reabsorção) •Acidofilia acentuada •Muitos lisossomos (IHQ – fosfatase ácida) COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Osteoclastos (M. O.) COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Chambers, 2010 Osteoclastos (M. E.) COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Osteoclastos (M. E.) 1. Borda pregueada Prolongamentos irregulares que aumentam a superfície da célula voltada para a área destinada a ser reabsorvida (compartimento subosteoclástico 2), cuja membrana é rica em ATPases; 3. Zona clara Região de adesão do osteoclasto à matriz óssea, através de integrinas 53 que se ligam à osteopontina da matriz, e rica em filamentos contráteis de actina ancorados às integrinas; 4. Zona vesicular Região rica em mitocôndrias, vacúolos e lisossomas; 5. Zona basal Maior parte do citoplasma, contendo os diversos núcleos e demais organelas. COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Osteoclastogênese A osteoprotegerina, produzida pelos osteoblastos, controla a osteoclastogênese, ligando-se ao RANKL Osteoclastos em repouso se tornam osteoclastos ativos quando adquirem a borda pregueada e integrinas PTH c-fosNF-kB Linfócito T (OPG) COMPOSIÇÃO - CÉLULAS 1. A anidrase carbônica catalisa a reação que vai formar bicarbonato (HCO3 -) e um próton H+; o HCO3 - é trocado pelo cloreto (Cl-) através da proteína banda 3, e os prótons H+ são lançados no compartimento subosteoclástico através de H+- ATPases, acidificando este compartimento Dissolução dos cristais de hidroxiapatita da porção mineral da matriz óssea; 2. Por exocitose, o osteoclasto lança enzimas hidrolíticas contidas em lisossomas, principalmente a catepsina K, TRAP, colagenases e metaloproteínases Degradação dos componentes orgânicos da matriz óssea. Mecanismo de Reabsorção da Matriz Óssea pelos Osteoclastos: COMPOSIÇÃO - CÉLULAS Osteoclastos – A reabsorção osteoclástica contribui para o remodelamento ósseo. 1. Introdução 1.1. Características Gerais 1.2. Funções 2. Composição: Células e Matriz 2.1. Matriz: Orgânica (Osteóide) Inorgânicas (cristais de fosfato de cálcio – hidroxiapatita) 2.2. Células: Osteoprogenitoras; Osteoblastos; Osteócitos; Células de Revestimento ósseo Osteoclastos 3. Organização e Tipos 3.1. Classificação macroscópica. Envoltório: Periósteo e Endósteo Tipos de osso (Macroscópica): Compacto (cortical) e Esponjoso (trabecular) Longos e Chatos 3.2. Classificação microscópica: Primário ou Imaturo Secundário, Maduro ou Lamelar Sistema de Havers ou ósteon 4. Histogênese do tecido ósseo: Ossificação Intramembranosa Ossificação Endocondral Crescimento Endocondral Reparo Ósseo TECIDO ÓSSEO E OSSIFICAÇÃO PERIÓSTEO E ENDÓSTEO ORGANIZAÇÃO E TIPOS - ENVOLTÓRIO PERIÓSTEO ORGANIZAÇÃO E TIPOS – ENVOLTÓRIO Periósteo - Fibroso Periósteo – células osteoprogenitoras CLASSIFICAÇÃO - MACROSCÓPICA 1. Osso Compacto (cortical) 2. Osso Esponjoso (trabecular) ORGANIZAÇÃO E TIPOS CLASSIFICAÇÃO - TIPOS ORGANIZAÇÃO E TIPOS Osso Longo Cartilagem Articular Cartilagem Articular Osso trabecular (esponjoso) Osso cortical (compacto) Periósteo Cavidade Medular Diáfise Epífise Epífise Osso Chato Osso cortical Osso trabecular (esponjoso) Periósteo CLASSIFICAÇÃO - MICROSCÓPICA •Tecido ósseo lamelar ou secundário (maduro) – a MEC se organiza formando lamelas em torno de um canal de Havers ou nas trabéculas. Entre uma lamela e outra, há uma fileira concêntrica ou linear de osteócitos que se interligam através de seus canalículos •Tecido ósseo não-lamelar ou primário – tecido ósseo em desenvolvimento é o primeiro a se formar (tanto embrionariamente quanto na cicatrização de uma fratura) e possui vários osteócitos e fibras de colágeno aleatoriamente dispostas. ORGANIZAÇÃO E TIPOS ORGANIZAÇÃO E TIPOS Osso Primário ou Imaturo (Não lamelar) ORGANIZAÇÃO E TIPOS Osso Secundário ou Maduro (Lamelar) – Osso Trabecular (Esponjoso) não possui Sistema de Havers ORGANIZAÇÃO E TIPOS Osso Secundário ou Maduro (Lamelar) – Sistema de Havers TECIDO ÓSSEO LAMELAR As fibras colágenas se alternam em orientações helicoidais Linha cimentante Sistema de lamelas circuferencial interno Sistema de Harvers ou ósteon Canais vasculares Sistema de lamelas circuferencial interno (direção alterada das fibras colágenas) Lamela intersticial Osso esponjoso É lamelar, mas normalmente não é Haversiano As cavidades do osso esponjoso são contínuas com a cavidade medular da diáfase Vasos sanguíneos Canal de Harvers Canal de Volkmann ORGANIZAÇÃO E TIPOS ORGANIZAÇÃO E TIPOS Tecido Ósseo Compacto Secundário, Maduro ou Lamelar (M.O.) 1 2 3 1, Sistema circunferencial interno; 2, Sistemas de Havers e sistemas intersticiais; 3, Sistema circunferencial externo. ÓSTENS ORGANIZAÇÃO E TIPOS Tecido ósseo compacto lamelar visualizado à microscopia de polarização ORGANIZAÇÃO E TIPOS Microscopia de polarização: orientação lamelar das fibras de colágeno nos sistemas de Havers. Lamelas paralelas ou concêntricas. ORGANIZAÇÃO E TIPOS Osso obtido por desgaste. 1. Introdução 1.1. Características Gerais 1.2. Funções 2. Composição: Células e Matriz 2.1. Matriz: Orgânica (Osteóide) Inorgânicas (cristais de fosfato de cálcio – hidroxiapatita) 2.2. Células: Osteoprogenitoras; Osteoblastos; Osteócitos; Células de Revestimento ósseo Osteoclastos 3. Organização e Tipos 3.1. Classificação macroscópica. Envoltório: Periósteo e Endósteo Tipos de osso (Macroscópica): Compacto (cortical) e Esponjoso (trabecular) Longos e Chatos 3.2. Classificação microscópica: Primário ou Imaturo Secundário, Maduro ou Lamelar Sistema de Havers ou ósteon 4. Histogênese do tecido ósseo: Ossificação Intramembranosa Ossificação Endocondral Crescimento Endocondral Reparo Ósseo TECIDO ÓSSEO E OSSIFICAÇÃO Início: 2º.-3º. mês de gestação - Aparecimento simultâneo da medula óssea como órgão hematopoiético definitivo no interior das cavidades ósseas em formação. Tipos de Ossificação: • Ossificação Intramembranosa: formação de tecido ósseo em meio a áreas de mesênquima com alto grau de vascularização responsável pela formação dos ossos chatos do crânio e por ossos da face • Ossificação Endocondral: formação de tecido ósseo sobre um molde de cartilagem hialina previamente formado responsável pela formação da maior parte dos ossos do esqueleto (maior parte do esqueleto axial [base do crânio, coluna vertebral, costelas e esterno] OSTEOGÊNESE OU OSSIFICAÇÃO HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Crescimento e Remodelação Óssea Formação de tecido ósseo + reabsorção parcial de tecido já formado Crianças – remodelação acelerada Adultos – remodelação mais lenta Crescimento em espessura – atividade do periósteo (ossificação intramembranosa). Crescimento longitudinal de ossos longos – atividade do disco epifisário (ossificação endocondral). OSSIFICAÇÃO INTRAMEMBRANOSA osteoblastos Matriz recén-formada Mesênquima frouxo Condensação do Mesênquima osteóide osteoblastos osteócitos osteoclasto osso vaso HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO MESODERMA Estímulos Vasos sanguíneos osteoblastos Matriz óssea (osteoide) osoteclastos mineralização Diferenciação TEC. ÓSSEO PRIMÁRIO Cbfa-1/Runx2 vascularização *Oitava semana de gestação OSSIFICAÇÃO INTRAMEMBRANOSA HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO OSSIFICAÇÃO INTRAMEMBRANOSA HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Progressiva fusão das trabéculas ósseas – formação da esponjosa primária (tecido ósseo esponjoso e primário) Trabéculas ósseas Vasos sanguíneos (capilares) Mesênquima vascularizado OSSIFICAÇÃO INTRAMEMBRANOSA HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Observe as trabéculas ósseas em formação (isto é, com fileiras de osteoblastos na periferia e osteócitos já enclausurados em lacunas) em meio ao mesênquima ricamente vascularizado. OSSIFICAÇÃO INTRAMEMBRANOSA HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO OSSIFICAÇÃO INTRAMEMBRANOSA HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Mandíbula em formação (espículas ósseas) células mesenquimais e osteoblastos Osteóide = azul MEC mineralizada = vermelha OSSIFICAÇÃO ENDOCONDRAL HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Mesênquima frouxo Condensação do Mesênquima OSSIFICAÇÃO ENDOCONDRAL HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO OSSIFICAÇÃO ENDOCONDRAL HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO • condrócitos da região central sofrem hipertrofia e expressam colágeno X • as lacunas aumentam de tamanho e ocorre redução da MEC circundante • os condrócitos hipertróficos secretam fatores angiogênicos (VEGF) induzindo a formaçãode vasos a partir do pericôndrio • a cartilagem se calcifica e os condrócitos sofrem apoptose OSSIFICAÇÃO ENDOCONDRAL HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Invasão da Matriz Cartilaginosa Mineralizada pelo Brotamento Vascular Perióstico OSSIFICAÇÃO ENDOCONDRAL HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Tecido ósseo esponjoso primário Cartilagem calcificada Cartilagem calcificada Tecido ósseo esponjoso primário Osteoide Formação de tecido ósseo esponjoso primário na diáfise (centro primário de ossificação) Osteoide Restos de cartilagem calcificada no centro das trabéculas ósseas (diferença de coloração) * * * Reabsorção do tecido ósseo esponjoso primário do centro da diáfise Formação do canal medular Formação da medula óssea Chegada de células- tronco pluripotenciais hematopoiéticas advindas do fígado fetal + invasão de células mesenquimais advindas do periósteo mesenquimal (formação do estroma da medula óssea) • a medida em que o osso sub-periósteo se torna mais resistente, o osso trabeculado no centro do modelo cartilaginoso vai sendo reabsorvido pelos osteoclastos, alargando a cavidade medular colar ósseo periósteo HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Osteoclasto Osteócito Osteoblasto Restos de matriz cartilagino sa calcificada no eixo das trabéculas ósseas Matriz óssea da trabécula Osteoblastos Observe que trabéculas (ou espículas) ósseas em formação a partir de um processo de ossificação endocondral apresentam a parte central pouco corada, correspondente a áreas remanescentes de cartilagem calcificada. HE Mallory HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO *segundo semestre vida fetal até início vida adulta Centros secundários de ossificação: aparecem após o nascimento em cada uma das futuras epífises CRESCIMENTO ENDOCONDRAL Disco Epifisário (M.O.) HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO *segundo semestre vida fetal até início vida adulta HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Crescimento de ossos longos – placa epifisária HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Cartilagem Epífisária Zona de Repouso Zona de Proliferação Zona Hipertrófica Zona de Ossificação Condrócito em repouso Condrócitos proliferando Condrócito calcificado Osteoblastos formando osteóide Crescimento de ossos longos – placa epifisária VEGF Col X HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Crescimento de ossos longos – placa epifisária HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Crescimento de ossos longos – placa epifisária HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Desaparecimento dos discos epifisários (“fechamento” das epífises”) 20-21 anos em homens, 18-19 anos em mulheres Após o término da ossificação endocondral em um osso longo, como estruturas cartilaginosas, restam apenas as cartilagens articulares no revestimento das epífises. HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Cartilagem Articular (M.O.) T, Linha divisória entre a cartilagem articular e o tecido ósseo subcondral; B, Tecido ósseo subcondral; Setas, superfície da cartilagem articular, desprovida de pericôndrio HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Remodelagem Óssea *Osteoporose -Substituição osso imaturo por maduro - concentrações de Cálcio (PTH e Calcitonina) Ciclo de Remodelagem óssea Fase de reabrsoção Fase de Inversão Fase de formação Fase de descanso Reabrsoção óssea Depósito de matriz óssea Fase de descanso HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Remodelagem Óssea Cavidade de Reabsorção Óssea (indicativa de remodelação no tecido ósseo compacto lamelar) HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Remodelagem Óssea HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Fratura – Papel do periósteo no reparo ósseo 1. Remoção de células mortas e restos de MEC: No local da fratura, forma-se um coágulo, com destruição tecidual e desorganização vascular, além de fragmentos ósseos dispersos 2. Proliferação de células osteoprogenitoras do periósteo fibroso e sua subsequente migração para o local da fratura As células osteoprogenitoras que migram para locais da fratura com maior grau de vascularização se diferenciam em osteoblastos e forma tecido ósseo primário por ossificação intramembranosa; aquelas que migram para locais de menor grau de vascularização dão origem a condroblastos que produzem cartilagem que, em seguida, sofre ossificação endocondral Forma-se o calo ósseo. Subsequentemente, o tecido ósseo primário do calo ósseo sofre remodelação, e se reorganiza em tecido ósseo lamelar O osso volta à sua antiga conformação estrutural anterior à fratura. HISTOGÊNESE DO TECIDO ÓSSEO Remodelação do calo ósseo após retorno do paciente as suas atividades normais Fratura – regeneração óssea TECIDO ÓSSEO E OSSIFICAÇÃO -Terapia Celular + Biopolímeros (hidroxiapatita) bioengenharia óssea -Reparo de grandes lesões ósseas (Uso de MSC tem sido fundamental) - estudos de diferenciação osteogênica identificação de novos fatores; melhorar os enxertos; carrear fatores - injeção de MSC em modelos animais tem sido bem promissores em algumas doenças como osteogenises inferfecta e osteonecrose - inúmeros ensaios clínicos Investigação e Perspectivas para o Reparo Tecido Ósseo Jones and Yang, 2011 Robey, 2011 TECIDO ÓSSEO E OSSIFICAÇÃO 1. Raquitismo (deficiência de cálcio em crianças) 2. Osteomalácia (deficiência de cálcio em adultos) osso normal osteomalácia Fatores Metabólicos e Nutricionais que Afetam o Desenvolvimento Ósseo osso normal osteomalácia TECIDO ÓSSEO E OSSIFICAÇÃO Osteoporose (deficiência de matriz óssea e consequentemente de cálcio) O osso osteoporótico tem estrutura histológica normal; entretanto, existe menos massa tecidual - Perda progressiva de densidade óssea normal acompanhada de deterioração de sua microarquitetura; - Ela é causada por um desequilíbrio entre a reabsorção óssea mediada pelos osteoclastos e a deposição óssea mediada pelos osteoblastos, resultando em massa óssea diminuída, fragilidade óssea aumentada e maior risco de fratura - Estrógenos: inibição de M-CSF e IL6
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