Effetti della microgravità sugli osteoblasti: profilo proteomico e metabolomico

Gli osteoblasti sono coinvolti nella mineralizzazione della matrice. Al termine della fase di formazione ossea, gli osteoblasti possono andare incontro a diversi destini: essere incorporati nell’osso come osteociti, inattivarsi e diventare cellule di rivestimento, andare incontro a morte programmata (apoptosi). Numerosi fattori influenzano il numero di osteoblasti che scelgono ciascuna di queste vie, tra cui il tipo osseo [ad esempio nell’osso spugnoso umano il 65% degli osteoblasti va incontro a morte apoptotica mentre solo il 30% di essi si trasformano in osteociti (Parfitt, 1990)], l’età, la specie, lo stato ormonale e di salute. (Franz-Odendaal et al, 2006). Gli osteociti costituiscono la più abbondante componente cellulare delle ossa di mammifero, coprendo il 90-95% del totale delle cellule presenti nelle ossa (da 20000 a 80000 cellule per mm3 di tessuto osseo) ed hanno un’emivita di oltre 25 anni (Adamo et al, 2006; Franz-Odendaal et al, 2006). Essi sono localizzati nelle lacune ossee, cavità di forma lenticolare scavate nelle lamelle, circondate da matrice mineralizzata, dove mostrano una morfologia che varia a seconda del tipo osseo: ad esempio, quelli presenti nell’osso trabecolare sono molto più rotondeggianti di quelli corticali, che appaiono invece più allungati. Sono provvisti di numerosi e sottili prolungamenti alloggiati nei canalicoli ossei, separati dalla parete della lacuna e dai canalicoli per mezzo di un sottile spazio occupato da materiale amorfo, glicoproteico, contenente fibrille reticolari e nel quale circola il liquido interstiziale (Adamo et al, 2006; Fig. 6).


Il processo di differenziamento è caratterizzato da importanti cambiamenti morfologici e ultrastrutturali (Adamo et al, 2006), tra cui la riduzione delle dimensioni cellulari (è stata stimata una riduzione del volume cellulare di circa il 70% da preosteoblasto ad osteocita), dell’estensione del reticolo endoplasmatico e del Golgi, l’aumento dei processi cellulari nonché cambiamenti a livello degli organelli intracellulari (diminuiscono di numero) (Franz-Odendaal et al, 2006). Franz-Odendaal ed altri ricercatori sostengono che il processo di osteocitogenesi, in cui una sottopopolazione di osteoblasti sulla superficie ossea rallenta la produzione di matrice rispetto alle cellule adiacenti, facendo sì che questi osteoblasti rimangano “sepolti vivi” sotto la matrice prodotta dagli osteoblasti vicini, sia suddivisibile in otto stadi ed era inizialmente considerato un meccanismo passivo, dal momento che alcuni osteoblasti (non è ancora chiaro se tutte le sottopopolazioni abbiano la stessa probabilità di trasformarsi in osteociti) sembrano essere “intrappolati” in osteoidi, che poi mineralizzano passivamente. Tuttavia ci sono dei cambiamenti strutturali, morfologici che ci suggeriscono che si tratti piuttosto di un processo attivo: tra questi, la formazione di processi dendritici nonché la riduzione del volume citoplasmatico.

La cellula va incontro ad una drastica trasformazione passando da una forma poligonale ad una che estende dendriti in maniera polarizzata verso la porzione mineralizzata poi verso lo spazio vascolare e la superficie ossea. Una volta incorporato, poi l’osteocita sembra mantenere la sua polarità sia per quanto riguarda la direzionalità dei suoi dendriti sia la direzionalità della formazione di minerali, ovvero il minerale è depositato solo su un lato e non in maniera omogenea intorno alla cellula. È stato proposto a tal proposito che sia l'osteoide, cioè la cellula che sta diventando osteocita, a controllare e regolare la mineralizzazione e non gli osteoblasti sulla superficie ossea (Fig. 7) (Dallas and Bonewald, 2010).
Karsdal et al sostengono che l’osteocitogenesi sia un processo attivo che richiede il taglio delle fibre di collagene e di altre molecole della matrice (Karsdal et al, 2004), infatti gli osteociti in topi privi di MT1-MMP, metalloproteinasi, risultavano essere di meno e più corti (Holmbeck et al, 2005). Altri esperimenti hanno inoltre dimostrato che il numero di dendriti aumenta con l’età (Okada et al, 2002). Al termine del processo di maturazione degli osteociti, si osserva una downregolazione dei geni/markers degli osteoblasti come OCN, BSP II, collagene I e ALP, mentre i markers specifici degli osteociti come la DMP1 (dentine matrix protein 1) sono maggiormente espressi (Rinaldo Florencio-Silva et al, 2015).

Diverse proteine specifiche per gli osteociti hanno un ruolo cruciale nella regolazione dell’omeostasi del fosfato. Tra queste PHEX (phosphate-regulating gene with homologies to endopeptidases on the X chromosome), MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein), DMP1 e FGF23 (fibroblast growth factor-23). Rispetto agli osteoblasti, negli osteociti troviamo maggiormente espresse proteine associate con la resistenza all’ipossia, come ci si può immaginare dal momento che la localizzazione di questo tipo cellulare comporta un ridotto apporto di ossigeno (Dallas et al, 2010). Tra le funzioni principali degli osteociti ricordiamo poi quella di meccanosensori, ovvero queste cellule sono in grado di risentire delle variazioni pressorie e di facilitare quindi l’adattamento dell’osso alle forze meccaniche cui è quotidianamente sottoposto. Inoltre l’apoptosi degli osteociti costituisce un segnale di riassorbimento osseo (Rinaldo Florencio-Silva et al, 2015). Altra funzione fondamentale degli osteociti, che tuttavia non è tipicamente umana ma riguarda diversi altri vertebrati, è quella di deposito e riassorbimento nei pressi delle lacune ossee in cui essi sono localizzati andandone a cambiare la forma, processo che va sotto il nome di osteolisi e che si verifica in precise situazioni quali lattazione, ibernazione o gravidanza, in cui è richiesta una notevole mobilitazione dei minerali dallo scheletro (Franz-Odendaal et al, 2006).