BIOMECÁNICA DEL HUESO
El hueso posee una resistencia a la
tensión similar a la del hierro pero es tres veces más ligero y diez veces más
flexible. Es el principal componente del esqueleto adulto por lo que posibilita
la acción mecánica de la musculatura, protege órganos vitales y alberga la
médula ósea hematopoyética.
El hueso sirve además de reservorio de
calcio, fósforo y otros iones. En relación con su función, los huesos del
esqueleto presentan formas y tamaños diferentes pero poseen una estructura
común: Una corteza de hueso compacto (80%
del volumen total de hueso) que por su superficie interna se halla en
continuidad con un hueso de aspecto esponjoso o trabecular (20% del volumen total de hueso).
En el interior del hueso compacto
existe una red de finos canales longitudinales (canales de Havers) y transversales (canales de Volkmann) que transportan los vasos que posibilitan su
nutrición, y nervios. El hueso compacto predomina en el esqueleto apendicular y
es adecuado para resistir la flexión, la torsión y el cizallamiento. El hueso
esponjoso se halla constituido por un entramado de tabiques que se orientan de
forma paralela a las líneas de fuerza.
Predomina en el esqueleto axial y es
adecuado para resistir las fuerzas de compresión y tensión que se generan en
esta región.
HISTOLOGÍA DEL TEJIDO ÓSEO
Es un tipo especializado de tejido conectivo cuya matriz extracelular se halla mineralizada en su mayor parte. Las células del tejido óseo son: osteoblastos, osteocitos y osteoclastos.
Más de un 99% en volumen de la matriz
ósea se halla mineralizado (hueso
cortical: 99,9%; hueso esponjoso: 99,2%) por lo que posee un componente
orgánico y otro inorgánico. El componente orgánico se halla integrado por colágeno tipo I (85-90%) y una pequeña proporción de
otras proteínas (10-15%):
proteoglicanos (biglicano, decorina),
proteínas implicadas en la adhesión celular (trombospondina, osteonectina, sialoproteína ósea), osteocalcina y
factores de crecimiento.
En el hueso maduro las fibras colágenas
se disponen en láminas paralelas (hueso
laminar) pero en cada lámina las fibras forman un ángulo agudo con respecto
a las de las láminas contiguas. Esta disposición determina que al observar
hueso laminar mediante luz polarizada (Fig.1) alternen las láminas claras de aspecto muy
brillante (láminas birrefringentes:
fibras orientadas perpendicularmente a luz polarizada) con las oscuras (láminas no birrefringentes: fibras
orientadas en un ángulo más o menos agudo con respecto a la luz polarizada).
No obstante, estudios recientes mediante microscopía electrónica de barrido
ponen en duda esta concepción clásica. Estos estudios sugieren que la
alternancia de láminas claras y oscuras podría ser debido a que en las láminas
birrefringentes existe una mayor densidad de fibras y no a una distinta
orientación de éstas.
En el hueso embrionario o inmaduro las
fibras se disponen de manera desordenada (hueso
plexiforme). Cuando este tipo de hueso se observa mediante luz polarizada
no muestra alternancia de bandas claras y oscuras sino un aspecto finamente
fibrilar. Este aspecto es debido a que solo brillan las escasas fibras
colagenas que al azar han quedado dispuestas perpendicularmente a la luz
polarizada (Fig.2).
En el esqueleto adulto normal el hueso
plexiforme prácticamente ha desaparecido, pero puede formarse de nuevo si se
acelera la producción de matriz (callos
de fractura, tumores óseos...).
El componente inorgánico de la matriz
ósea está constituido en su mayor parte por fosfato cálcico (Fig.3) en forma de cristales de hidroxiapatita. El hueso laminar se
halla más densamente mineralizado que el hueso plexiforme.
Fig. 1: Laminas birrefringentes de color claro que
alternan con láminas paralelas de color oscuro
Fig. 2: Obsérvese la disposición irregular de las
fibras birrefringentes que integran la matriz ósea en un caso de
hiperparatiroidismo
Fig.3: Ribete de osteoide (color rojo) sobre hueso mineralizado (color negro)
La matriz ósea que no se halla
mineralizada constituye menos del 1% en volumen del total y se denomina osteoide.
El osteoide puede observarse en forma de finos ribetes de unas 10 micras de
espesor (Fig.3) que revisten la superficie de algunas
trabéculas y tapizan algunas cavidades intracorticales.
La matriz ósea es la responsable de las
extraordinarias propiedades biomecánicas del hueso. Las fibras colágenas le
proporcionan flexibilidad y resistencia a la tensión mientras que las sales
minerales le confieren dureza, rigidez y resistencia a la compresión. De hecho
esta estructura es muy similar a la que se trató de conseguir cuando se
desarrolló el hormigón armado.
En este material de construcción el entramado de
hierro realiza un papel funcional similar al que en el hueso llevan a cabo las
fibras colágenas y el hormigón realiza el papel funcional que en el hueso lleva
a cabo el mineral.
1.2 Células óseas
1.2.1 Linaje osteoblástico
Forman parte de este linaje los
preosteoblastos, los osteoblastos y los osteocitos. Los preosteoblastos son células de aspecto
fibroblástico cercanas a las superficies óseas pero separadas de estas por
otros tipos celulares (células del
endostio, osteoblastos). Los preosteoblastos son dificiles de identificar
en condiciones normales, pero pueden observarse con facilidad si sufren una
hiperplasia como por ejemplo en el hiperparatiroidismo (Fig.4).
Los preosteoblastos derivan
de una célula madre del estroma medular (CFU-F:Unidad Formadora de Colonias de
Fibroblastos) y en condiciones normales constituyen el compartimiento
proliferativo del linaje osteoblástico.
Los osteoblastos son células
de forma cúbica (Fig.4), citoplasma basófilo y ricas en una
isoenzima específica de la fosfatasa alcalina. Derivan de los preosteoblastos y
suelen considerarse células con diferenciación terminal y por tanto incapaces
de dividirse, no obstante existen datos que sugieren que, al menos en parte,
conservan la capacidad de proliferar. Los osteoblastos se hallan en contacto
directo con las superficies óseas formando grupos compactos de una sola capa de
espesor. De manera característica el núcleo de estas células se sitúa en el
extremo que se halla más alejado de la superficie ósea sobre la que asientan.
El estudio ultrastructural (Fig.5) permite comprobar que entre el núcleo y la
superficie de contacto con el hueso se situan de manera sucesiva el aparato de
Golgi y abundantes cisternas de retículo endoplásmico rugoso. Estas
características ultrastructurales son típicas de las células con capacidad para
segregar grandes cantidades de proteínas.
Los osteoblastos sintetizan el
componente orgánico de la matriz ósea (colágeno
tipo I, proteoglicanos, proteínas implicadas en la adhesión celular,
osteocalcina y factores de crecimiento) y controlan el depósito de las
sales minerales. Tanto in vivo como in vitro los osteoblastos pasan
sucesivamente por tres estadios funcionales:
a) proliferación celular y síntesis de
los componente orgánicos de la matriz ósea
b) maduración de la matriz ósea (cambios en la composición y organización de
la matriz que la hacen competente para ser mineralizada)
c) depósito de mineral. In vitro se ha
comprobado que estos estadios coinciden con la activación sucesiva de una serie
de genes: c-fos, c-jun, histona H4, colágeno tipo I, fibronectina y factor
transformante ß (proliferación
y síntesis de los componente orgánicos de la matriz ósea); fosfatasa
alcalina (maduración de la matriz);
sialoproteina ósea, osteopontina y osteocalcina (depósito de mineral).
Fig.4: Preosteoblastos fusiformes adyacentes a
osteoblastos cúbicos que revisten un ribete de osteoide (banda azul claro) en
un caso de hiperparatiroidismo
Fig.5: A: Osteoblastos sobre un ribete de osteoide.
Obsérvese que el osteoblasto del centro presenta el núcleo en el extremo
opuesto a la zona de contacto con el hueso. El osteoide se observa como un
material finamente fibrilar de color gris y por debajo del mismo se sitúa el
hueso mineralizado en color negro
Fig.5: B: Detalle de un osteoblasto. En el extremo
superior se observa un segmento del núcleo. Cercano al núcleo, se observan las
vesículas dilatadas del aparato de Golgi de contenido gris claro (*). El resto
del citoplasma está ocupado por abundantes cisternas de retículo endoplásmico
rugoso
Los osteoblastos
pueden permanecer en las superficies óseas o quedar rodeados por la matriz que
sintetizan. Cuando los osteoblastos que han permanecido en la superficie
finalizan la síntesis de matriz, se aplanan y se convierten en células de
revestimiento (células del endostio o
"lining cells"). Estas células a través de la producción de
factores locales (Interleucina-6, Interleucina-11) parecen
desarrollar un importante papel en el control del remodelado óseo.
Los osteoblastos que quedan en el
espesor de la matriz adquieren aspecto estrellado y pasan a denominarse osteocitos (Fig.6). Estas células se hallan en
contacto entre sí y con las de la células de la superficie (células de
revestimiento, osteoblastos) mediante finas prolongaciones tubulares de su
citoplasma que recorren la matriz ósea en diversas direcciones. La cavidad de
la matriz ósea que contiene el cuerpo celular del osteocito se denomina laguna
osteocitaria y los diminutos canalículos que albergan sus prolongaciones
citoplásmicas reciben el nombre de conductos calcóforos.
El estudio ultrastructural de los
osteocitos (Fig.7) revela que presentan un aparato de Golgi y
un retículo endoplásmico rugoso menos desarrollado que los osteoblastos. Estas
organelas se concentran en el cuerpo celular donde se disponen alrededor del
núcleo.
En los puntos de contacto entre las
prolongaciones citoplásmicas se observan uniones tipo "gap"(gap
junctions). En estas uniones existen pequeños canales intercelulares con un
diámetro interno de 1.5 nm. Estos canales permiten el paso directo de una a
otra célula de iones inorgánicos y pequeñas moléculas hidrosolubles (aminoácidos, azúcares, nucleótidos y
vitaminas) por lo que posibilitan una comunicación química y eléctrica.
Los osteocitos son células con una escasa
actividad metabólica pero su preservación parece necesaria para que el tejido
óseo mantenga sus propiedades biomecánicas. La situación de los osteocitos es
teoricamente ideal para detectar el estrés mecánico y las microlesiones de la
matriz.
Estas células podrían transmitir
señales a las células de revestimiento que utilizarían la información recibida
para modular localmente el remodelado. Durante años se ha discutido acerca de
si los osteocitos son o no capaces de inducir la osteolisis de la matriz que
los rodea al ser estimulados por la PTH (osteolisis
osteocitaria). En la actualidad esta posibilidad se considera del todo
improbable.
Fig.6: Osteocitos en los que se observan las finas
prolongaciones del cuerpo celular
Fig.7: Osteocito en el interior de una laguna. La
matriz ósea mineralizada es de color negro y en el margen superior izquierdo de
la imagen, se observa como una prolongación osteocitaria penetra en el interior
de un conducto calcóforo. El citoplasma del osteocito contiene retículo
endoplásmico rugoso que es especialmente visible en el segmento superior
derecho de la imagen.
El factor sistémico que de manera más
potente induce in vivo la diferenciación y proliferación de las células del
linaje osteoblástico es la hormona paratiroidea (PTH). Los osteoblastos poseen
receptores para la PTH, pero algunos los efectos de la hormona sobre éstas
células son probablemente mediados por factores locales. La PTH actuaría sobre
las células del linaje osteoblástico estimulando la producción de factor de
crecimiento relacionado con la insulina tipo I (IGF-I).
Este factor local a su vez estimularía
la proliferación de los osteoblastos y sus precursores por un mecanismo
autocrino. Además de la PTH otros factores sistémicos como la 1-25
dihidroxivitamina D3y numerosos factores locales (inteleucina-1, factor de necrosis tumoral y
factor transformante ß entre otros) afectan in vitro la función de los
osteoblastos pero su importancia relativa in vivo se desconoce.
1.2.2 Linaje Osteoclástico
Los osteoclastos son
células multinucleadas (Fig.8), de citoplasma acidófilo y ricas en
anhidrasa carbónica y fosfatasa ácida resistente al tartrato (TRAP). Son
de mayor tamaño que los osteoblastos y se disponen sobre las superficies óseas
de manera aislada o en grupos poco numerosos. Al igual que los osteoblastos son
células polarizadas en la que los núcleos se sitúan en el extremo que se halla
más alejado de la superficie ósea sobre la que asientan. Derivan de la célula
madre hematopoyética a través de células formadoras de colonias de granulocitos
y macrófagos (CFU-GM).
La proliferación de estas células es
activada por el factor estimulante de colonias de macrófagos (M-CSF). El
reclutamiento de los preosteoclastos a partir de las CFU-MG parece ser
promovido por la IL-1,IL6 e IL-11. Los preosteoclastos son células dotadas de un solo núcleo que se
adhieren a las superficies óseas y al fusionarse entre sí dan lugar a los osteoclastos. Los
preosteoclastos expresan en su membrana moléculas de adhesión pertenecientes a
la familia de las caderinas que
parecen intervenir en la fusión de estas células.
Los preosteoclastos de la médula ósea
pueden dar lugar por fusión a los osteoclastos que remodelan el hueso esponjoso
o pasar a la circulación. Para que estas células mononucleares circulantes
puedan regresar por diapédesis al microambiente óseo deben adherirse a las
células endoteliales. Se piensa que esta adhesión es posible porque que los osteoclastos
y sus precursores expresan en su membrana una proteína denominada anexina II.
Dado que en el hueso cortical no existe
médula ósea es probable que los osteoclastos que intervienen en su remodelación
procedan de precursores circulantes que hayan emigrado del interior de los
capilares sanguíneos de los conductos de Havers. La adhesión de los precursores
de los osteoclastos a la matriz ósea tiene lugar en aquellos puntos donde ésta
queda expuesta porque se separan entre sí las células de revestimiento al
modificarse la conformación de su citoesqueleto.
Las células de revestimiento son de
origen osteoblástico y poseen receptores para la PTH por lo que se ha sugerido
que esta hormona podría desencadenar el proceso. La adhesión de las células de
estirpe osteoclástica a la matriz es posible porque expresan en su membrana
moléculas de adhesión de la familia de las integrinas.
La integrina a2ß 1 interacciona
con el colágeno y la integrina avß3 con la
vitronectina, osteopontina y sialoproteina ósea.
Fig. 8: Grupo de osteoclastos reabsorbiendo hueso.
Obsérvese, la multinucleación de estas células y el aspecto ondulado que, por
acción de los osteoclastos, adquiere la superficie ósea adyacente
El estudio ultrastructural (Fig.9) de los osteoclastos revela que sus
organelas se concentran en el citoplasma perinuclear donde los complejos de
Golgi son abundantes. En el resto del citoplasma se observan abundantes
mitocondrias y estructuras vesiculares de diversas densidades y tamaños.
Es probable que algunas de estas
estructuras vesiculares correspondan a lisosomas ricos en TRAP y colagenasas.
Las cisternas del retículo endoplásmico rugoso no son muy numerosas ni muy
extensas. Es característico de estas células que la zona de su membrana que
entra en relación con la matriz ósea se halle fruncida. Entre los plegamientos
de la membrana y la matriz ósea existe un estrecho espacio poco denso a los
electrones.
A ambos lados de la zona de plegamiento
la membrana se aplana y se adhiere más intimamente a la matriz. En las tres
dimensiones del espacio este segmento aplanado corresponde a un rodete que
adhiere el osteoclasto a la superficie ósea de manera parecida a como lo haría
el borde de una ventosa. Así, el espacio comprendido entre la membrana fruncida
y la matriz ósea queda convertido en un microambiente que se halla aislado del
intersticio medular.
El segmento de citoplasma adyacente a
esta zona aplanada se halla libre de organelas por lo que se denomina zona clara. Esta zona contiene
abundantes microfilamentos de actina que
probablemente se relacionan con la capacidad de traslación de la célula. De
hecho los osteoclastos a medida que reabsorben el hueso realizan un movimiento
de vaivén parecido al que efectúa el cepillo de un carpintero.
El territorio sobre el que se desplaza
un osteoclasto durante el proceso de reabsorción es varias veces superior al de
la superficie de la célula y se denomina dominio osteoclástico. La TRAP es capaz de desfosforilar la
osteopontina y la sialoproteína ósea por lo que podría facilitar los
movimientos de la célula al separarla de estas proteínas de la matriz.
Fig. 9 A: Osteoclasto humano cultivado sobre una lámina de
dentina. Obsérvense las prolongaciones citoplasmáticas (podosomas) que adhieren
esta célula a la matriz. Por debajo de la célula se insinua la cavidad
producida por la acción del osteoclasto.
Fig. 9 B: Osteoclasto que en su superficie inferior se
halla en contacto con matriz ósea mineralizada (color negro). En este corte
solo se observa un núcleo que se sitúa en el margen inferior derecho de la
imagen. Obsérvese que la membrana en contacto con el hueso se halla fruncida en
la parte central, mientras que en ambos margenes se aplana
Fig. 9 C: Detalle del citoplasma de un osteoclasto. Observe en el margen izquierdo, la membrana fruncida y la solubilización de
la matriz ósea de la que se van desprendiendo pequeñas espículas de color
negro. En el margen derecho del citoplasma, se observan numerosas mitocondrias
y el resto se halla ocupado por vesículas de diversos tamaños, algunas de las
cuales podrían ser de origen lisosómico.
Los osteoclastos reabsorben el hueso en dos fases (Figura
10). Primero solubilizan el mineral y luego digieren la matriz orgánica.
El mineral se solubiliza acidificando el microambiente creado entre la matriz
ósea y la membrana fruncida del osteoclasto. La acidificación (pH=4) se logra
bombeando hacia el hueso los iones H+. En el citoplasma de los
osteoclastos la anhidrasa carbónica cataliza la reacción entre el Co2 y
el h2o dando lugar a CO3H2 que se
disocia en CO3H- y H+. El H+ es
bombeado activamente hacia la matriz ósea a través de la membrana plegada
mediante una bomba de protones dotada de una ATPasa específica.
El CO3H- es
expulsado fuera de la célula a través de la superficie opuesta donde es
intercambiado activamente por CL- . El CL- no
se acumula en el interior del osteoclasto puesto que es vehiculado hacia la
matriz ósea a través de canales específicos situados en la membrana plegada.
Una vez eliminado el
mineral la matriz orgánica es digerida por colagenasas ácidas y otras enzimas
proteolíticas de origen lisosómico. Cuando se ha completado el proceso de
reabsorción los osteoclastos mueren por apoptosis. Los núcleos se hacen más
pequeños e hipercromáticos y se fragmentan hasta desaparecer y el citoplasma
aumenta su acidofilia y se retrae.
Estos restos
celulares serán fagocitados por células macrofágicas. In vitro la apoptosis de
los osteoclastos es promovida por factor de crecimiento tumoral beta (TGF-ß ).
Fig.10: Esquema
de los mecanismos implicados en la reabsorción ósea por parte de los
osteoclastos.
Se ha observado que ratones con
alteraciones en los oncogenes c-src y c-fos desarrollan
osteopetrosis por lo que estos genes parecen implicados en los mecanismos de
control de la reabsorción. La calcitonina es capaz de inhibir funcionalmente a
los osteoclastos a través de receptores específicos pero el papel de esta
hormona en condiciones normales parece poco importante. Los osteoclastos
carecen de receptores para la PTH.
La actividad reabsortiva de los
osteoclastos y la osteoclastogénesis parecen ser activadas por la IL-6 e IL-11
producidas por células de estirpe osteoblástica. La producción de IL-6 e IL-11
sería a su vez estimulada por hormonas (PTH, 1-25 dihidroxivitamina D3)
y por factores locales (IL-1,factor de necrosis tumoral). Este modelo ofrece
amplias posibilidades tanto para la regulación sistémica de la actividad
reabsortiva como para la regulación local del acoplamiento entre reabsorción y
formación óseas.
Además de los descritos, existen otros
mecanismos de regulación local de la actividad funcional de los osteoclastos.
Así, el calcio liberado durante la reabsorción puede penetrar en el interior
del osteoclasto a través de canales de Ca++ situados en la
membrana plegada e inhibir la actividad reabsortiva de estas células. Los
factores de crecimiento de origen osteoblástico enterrados en la matriz y
liberados durante la reabsorción parecen ser también importantes para el
mantenimiento de la actividad funcional de los osteoclastos.
2 PROPIEDADES
BIOMECANICAS DEL HUESO
Los huesos responden a las fuerzas
aplicadas sobre su superficie siguiendo un patrón característico. La primera
fase es elástica y depende de la rigidez del hueso. En esta fase, la
deformación es temporal y se mantiene solo durante el tiempo de aplicación de
la fuerza tras lo cual, el hueso recupera su forma original. Si la fuerza
aumenta, se entra en una fase plástica y el hueso, aunque se recupera
parcialmente, queda deformado. Por último cuando la fuerza aplicada es superior
a la resistencia del tejido se produce la fractura.
La respuesta de tejido óseo frente a
las fuerzas que se aplican sobre su superficie dependerá del tipo de fuerza,
del tipo de hueso, así como de la densidad, arquitectura y composición del
tejido óseo.
Las fuerzas que pueden actuar sobre el
tejido óseo son de tres tipos tensión, compresión y torsión. Además pueden ser
aplicadas de forma perpendicular a la superficie ósea (fuerza normal) o de
forma oblicua (fuerza de cizallamiento).
Los huesos largos, formados
fundamentalmente por tejido óseo compacto o cortical, son elásticos y poco
plásticos. En estos huesos, la resistencia será mayor cuando la fuerza se
aplica de forma vertical al sentido de la carga. Cuando la fuerza se aplica de
forma oblicua la fase plástica se acorta y el hueso se fractura con más
rapidez.
En los huesos integrados por tejido
óseo esponjoso, la resistencia es mayor cuando la fuerza se aplica a lo largo
del eje vertical de las trabéculas vertebrales y también cuando es paralela a
los sistemas trabeculares del cuello femoral. Estos huesos, al ser menos densos
que los formados por tejido óseo cortical, son menos elásticos y más plásticos,
por lo que pueden presentar deformaciones mayores.
Así mientras que en los huesos
integrados por tejido esponjoso, las fracturas se producen cuando existen
variaciones del 7% de su longitud, en los integrados por tejido compacto, las
fracturas se producen con variaciones del 2%.
3 DINÁMICA DEL HUESO
El esqueleto, a pesar de estar
constituido en su mayor parte por matriz extracelular, es uno de los sistemas
más dinámicos del organismo y presenta fenómenos de crecimiento, modelado,
remodelado y reparación.
El crecimiento óseo se inicia en la
vida embrionaria y sigue hasta la pubertad. El crecimiento en longitud se
efectúa mediante la adición de hueso nuevo a la cara diafisaria de la placa
de crecimiento o fisis.
La placa de crecimiento es una
estructura con forma de disco que se halla intercalada entre la epífisis y la
diáfisis. En la placa de crecimiento se distinguen dos regiones, una central y
otra periférica. La región central está constituida por cartílago hialino en el
que se distinguen, desde la epífisis a la diáfisis, cuatro zonas: zona
germinal, zona proliferativa, zona de cartílago hipertrófico y zona de
cartílago calcificado.
Zona germinal (capa de reserva o de reposo): Es la zona
más cercana a la epífisis. Está constituida por células cartilaginosas aisladas
de forma oval. En esta capa se observan mitosis y existe una intensa síntesis
de matriz extracelular
Zona proliferativa: Se halla
constituida por células cartilaginosas en forma de cuña cuyo eje mayor es
perpendicular al del hueso. Estas células se disponen en columnas paralelas al
eje longitudinal del hueso. En esta zona también se observan mitosis y existe
una intensa síntesis de matriz extracelular. Las células de cada columna
parecen dividirse al unísono pero de manera asicrónica con respecto a las de
las columnas restantes.
Zona de cartílago hipertrófico: Los condrocitos
de esta zona maduran, adquieren forma redondeada y su tamaño aumenta a medida
que se alejan de la epífisis.
Zona de cartílago calcificado: En esta zona la
matriz cartilaginosa se mineraliza. El núcleo de los condrocitos pierde
cromatina (cariolisis) y su
citoplasma se vacuoliza. Finalmente estas células mueren y desaparecen por lo
que en el extremo de cada columna se observa un espacio vacio rodeado por
matriz cartilaginosa calcificada que corresponde al que anteriormente ocupaba
un condrocito. Sobre esta matriz calcificada los osteoblastos del estroma de la
medula diafisaria depositarán hueso plexiforme (osificación de tipo endocondral). En el curso del modelado óseo
este hueso inmaduro será sustituido por hueso laminar.
La región periférica de la placa de
crecimiento se denomina zona de Ranvier.
Esta zona es un anillo de sección triangular y base externa que rodea la región central de la fisis. La zona de Ranvier se halla constituida por células inmaduras con diferenciación condroblástica y osteoblástica. Las primeras podrían contribuir al crecimiento circunferencial de la placa de crecimiento y las segundas podrían contribuir al crecimiento en longitud de la cortical diafisaria.
El crecimiento en espesor del hueso se logra mediante la aposición concéntrica subperióstica de tejido óseo. Las células de la capa más interna del periostio se diferencian en osteoblastos que depositan hueso directamente sobre la superficie externa de la cortical diafisaria (osificación de tipo intramembranoso).
El crecimiento oseo depende de factores genéticos y se halla influido por factores sistémicos (hormonas) y locales. Las hormonas que intervienen en el control del crecimiento óseo se pueden dividir en cuatro grupos.
- Hormonas necesarias para el crecimiento: hormona de crecimiento, hormona tiroidea, insulina.
- Hormonas inhibidoras del crecimiento: cortisol
- Hormonas activadoras de la maduración: hormonas sexuales
- Vitamina D y Hormona paratiroidea
Los factores locales que pueden influir
sobre el crecimiento son de tipo nervioso y de tipo mecánico. Se desconoce el
mecanismo por el que el sistema nervioso interviene sobre el crecimiento óseo.
Se ha sugerido que podría intervenir de manera indirecta a través del control
del flujo sanguíneo.
El resultado de la acción de las
fuerzas mecánicas depende de su intensidad así como de su dirección y sentido.
Las fuerzas de compresión paralelas a la dirección del crecimiento disminuyen
la actividad de la fisis. Las fuerzas de tracción paralelas a la dirección del
crecimiento si son de pequeña intensidad pueden incrementar ligeramente el
crecimiento pero si son de gran magnitud pueden causar epifisiolisis o fusión
prematura.
Las fuerzas perpendiculares a la
dirección del crecimiento producen un efecto deformante que es directamente
proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional al diámetro del
hueso.
En las metáfisis, el crecimiento óseo
se asocia a fenómenos de reabsorción en la superficie externa y de formación en
la interna, mientras que, en las diáfisis, ocurre lo contrario. Este proceso se
denomina modelado óseo y permite que los distintos huesos conserven su forma
durante el proceso de crecimiento. Asimismo el modelado óseo es el mecanismo
que permite una renovación constante del esqueleto antes de que cese el
crecimiento Las alteraciones del modelado pueden causar deformidades óseas.
El modelado está programado genéticamente
pero es probable que existan factores mecánicos de carácter local que pueden
influir sobre el mismo. En este sentido existen datos experimentales que
sugieren que la tensión que ejerce el manguito perióstico sobre ambos extremos
óseos es un factor que contribuye a que aparezcan osteoclastos sobre la
superficie externa del cono metafisario.
En el adulto, cerca de un 8% del tejido
óseo es renovado anualmente. Esta cifra es superior en el joven e inferior en
el anciano. El remodelado óseo se lleva a cabo mediante la acción sucesiva (acoplamiento)
de osteoclastos y osteoblastos sobre una misma superficie ósea. Cada ciclo de remodelado consta de
tres fases: reabsorción, reposo o inversión y formación.
En la fase de reabsorción, un grupo de
osteoclastos se diferencia a partir de sus precursores y erosiona una
superficie ósea dando lugar a imágenes en sacabocados conocidas como lagunas de
Howship (John Howship, 1781-1841).
Una vez finalizada la reabsorción los
osteoclastos son eliminados por apoptosis. La fase de reposo o inversión es un
periodo de aparente inactividad. Durante la fase de formación un grupo de
osteoblastos se diferencia a partir de sus precursores y rellena con hueso
nuevo la zona excavada por los osteoclastos. Los osteoblastos depositan en
primer lugar matriz ósea no mineralizada que forma una capa de unas 10 micras
de espesor denominada ribete de
osteoide (Fig.3).
Entre el depósito de osteoide y su
mineralización existe un tiempo de
demora de unos 10 a 20 días (Mineral
Lag Time). Durante este periodo la matriz ósea sufre cambios en su
composición y estructura que la hacen apta para el depósito de mineral
(maduración de la matriz). La mineralización se inicia en la interfase entre el
osteoide y el hueso mineralizado preexistente y avanza hacia la superficie a lo
largo de un plano de barrido de 2 a 3 micras de espesor.
Este plano, integrado en parte por
mineral amorfo, se denomina frente
de mineralización (Fig.11). A medida que este frente se desplaza va
dejando tras de sí matriz ósea mineralizada en forma de cristales de
hidroxiapatita (fig.3). Una vez completado el depósito de hueso
los osteoblastos que no se han incorporado a la matriz se aplanan y pasan a
formar parte del endostio (lining cells).
Fig.11: El frente de mineralización aparece como una
linea fluorescente de color amarillo
El conjunto de
osteoclastos y osteoblastos que de manera coordinada actúan en una superficie
ósea durante un ciclo de remodelado recibe el nombre de Unidad Multicelular Básica (Basic Multicellular Unit: BMU). Las BMU se activan de manera
asincrónica, por lo que mientras unos ciclos de remodelado se hallan en fase de
reabsorción, otros se encuentran en fase de reposo o de formación.
El nuevo segmento de
tejido óseo que resulta de la acción de cada BMU se denomina Unidad Estructural Osea (Bone Structural Unit: BSU). El límite entre el hueso
preexistente y la nueva BSU es identificable morfológicamente como una línea
ondulada y recibe el nombre de superficie
de inversión o de cemento (Fig.12).
En la remodelación
del hueso compacto los osteoclastos, partiendo de un canal de Havers o de
Volkmann, excavan un túnel de sección circular. Por esta razón las BSU
corticales, llamadas también osteonas,
tienen forma cilíndrica (Fig.12).
En la remodelación del
hueso esponjoso los osteoclastos labran, en la superficie de las trabéculas,
excavaciones poco profundas y de base ancha (Fig.12). Por esta razón las
BSU trabeculares llamadas también paquetes
trabeculares tienen forma de lente plano-convexa.
Fig.12: Unidades
estructurales óseas corticales (izquierda)
y trabeculares (derecha). Observese
que las unidades estructurales se hallan separadas por lineas ligeramente
onduladas (superficie de cementación)
Se denomina recambio óseo (bone turnover) al volumen total de hueso
que es renovado por unidad de tiempo mediante el remodelado. El recambio óseo
es directamente proporcional al número de ciclos de remodelado en curso o, lo
que es lo mismo, al número de BMU activas. La diferencia entre el volumen de
hueso formado y el de hueso reabsorbido, por unidad de tiempo, se denomina balance óseo.
Si la reabsorción y la formación son
idénticas, el balance es igual a cero y el volumen total de hueso (masa ósea) no variará en función del
tiempo. Si la formación y la reabsorción no son iguales, la masa ósea se
modificará en sentido positivo o negativo. El balance óseo corresponde a la
suma aritmética del hueso ganado o perdido en cada ciclo de remodelado. Así
pues, una vez instaurado un balance positivo o negativo la velocidad a la que
se perderá o ganará masa ósea será directamente proporcional al número de BMU
activas. La máxima masa ósea se alcanza a los 30 años de edad y depende de
factores genéticos (gen del receptor de
la vitamina D) y ambientales (ingesta
de calcio, ejercicio físico).
De los 30 a los 40 años el balance óseo
es igual a cero y la masa ósea permanece estable. A partir de los 40 años se
instaura un balance negativo y la masa ósea disminuye de manera progresiva. En
el hombre, la pérdida se realiza a una velocidad constante (un 0,5% anual) mientras que en la mujer
se acelera durante los años de la menopausia. Esta pérdida
"fisiológica" de masa ósea determina que al inicio de la octava
década los hombres hayan disminuido su masa ósea en un 20% y las mujeres en un
30%.
El remodelado óseo está sometido a un
control sistémico (hormonas) y a un
control local (factores locales). Los
mecanismos de control de acción sistémica regulan el ritmo de activación de las
BMU y la actividad funcional de las células que las integran. Son especialmente
importantes la hormona paratiroidea y la vitamina D pero intervienen también
las hormonas tiroideas, los esteroides sexuales, los glucocorticoides, la
insulina y la hormona del crecimiento.
La calcitonina aunque in vitro es capaz
de modular la función de las células óseas parece que in vivo carece de
importancia fisiológica. Algunas de estas hormonas tienen una acción directa
sobre las células óseas; otras actúan de manera indirecta modulando la síntesis
o la actividad de factores locales.
El control local del remodelado óseo se
lleva a cabo a través de una serie de factores de crecimiento (insulina-like, transformantes de la familia
ß, fibroblásticos, derivados de las plaquetas) y citocinas (IL-1, IL-6, IL-11, factor de necrosis
tumoral, factores estimuladores de colonias) de acción autocrina o
paracrina. Estos factores locales son producidos por las células óseas y las
células medulares adyacentes (células hematopoyéticas, linfocitos, macrófagos).
Los factores locales intervienen en el
control de la actividad funcional de las células de las BMU y son clave para el
acoplamiento entre osteoclastos y osteoblastos. Los células de linaje
osteoblástico (lining cells) a través
de la producción de factores locales (IL-6,
IL-11) son capaces de activar a los osteoclastos y de esta manera
contribuir al inicio de los ciclos de remodelado.
A su vez, ciertos factores liberados
por los osteoclastos o por la matriz ósea bajo la acción de estas células son
capaces de activar a los osteoblastos. Es probable que este fenómeno constituya
el sustrato molecular para el acoplamiento entre la reabsorción y la formación
dentro de los ciclos de remodelado. La mayoría de los datos que poseemos sobre
la acción de los factores locales proceden de estudios in-vitro por lo que la
importancia relativa de cada uno de estos factores in vivo se desconoce.
3.4 Reparación ósea (Fracturas)
El tejido óseo es el único capaz de
repararse a sí mismo de manera completa a través de reactivar los procesos que
tienen lugar durante su embriogénesis. Cuando de manera brusca, un hueso es
sometido a fuerzas que superan su resistencia mecánica aparece una línea de
fractura. En primer lugar, en esta zona, se produce un hematoma que es
reabsorbido por macrófagos.
A continuación, aparecen células
formadoras de hueso, procedentes de ambos lados de la línea de fractura. Estas
células establecen puentes de tejido óseo inmaduro, sin orientación espacial definida
(callo de fractura), que unen entre si los extremos del hueso fracturado. En
una fase posterior este hueso, a través de un proceso de modelado, es
sustituido por otro, de tipo laminar, orientado según las líneas de fuerza que
actuan sobre la zona.
La fatiga mecánica puede causar
microfracturas trabeculares que no modifican la morfología externa del hueso.
Estas fracturas microscópicas se reparan a través de microcallos de fractura
que muestran una dinámica similar a la de los grandes callos.
BIBLIOGRAFÍA
- Manolagas SC; Jilka RL. Bone marrow, cytokines, and bone remodeling. Emerging insights into the pathophysiology of osteoporosis. N Engl J Med (United States), 1995; 332 (5): 305-311.
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