ADATTAMENTI FUNZIONALI
ALL’ESERCIZIO
Il rimodellamento (remodeling) dei
tessuti
Ogni tessuto va incontro a modificazioni:
•Embriogenesi: differenziazione dei tessuti e formazione di
organi e sistemi
•Sviluppo corporeo: aumento armonico delle dimensioni degli
organi (iperplasia: moltiplicazione cellulare; ipertrofia: aumento di volume delle
cellule o del tessuto interstiziale)
•Adattamenti funzionali: modificazioni indotte da fattori
patologici o fisiologici sui tessuti e sugli organi – rimodellamento
Meccanismi in parte comuni e in parte differenziati
L’omeostasi richiede variazioni omogenee di forma e funzione
Il rimodellamento spesso è morfo-funzionale ma non sempre i due
elementi coincidono nel tempo e nella fenomenologia
Prenderemo in considerazione:
•La guarigione delle ferite, come paradigma generale di rimodellamento
•Il connettivo e la cute, come esempi interessanti
•Il tessuto adiposo, come corollario agli effetti dell’esercizio
•Il cuore
|
•I vasi
| come argomenti principali
•Il muscolo scheletrico |
•L’osso come inevitabile protagonista
N.B.: tutto il materiale presentato è tratto da articoli reperibili in internet, di cui viene
sempre presentata la citazione.
Annu. Rev. Biomed. Eng. 2004. 6:77–107
TISSUE GROWTH AND REMODELING
Stephen C. Cowin
The New York Center for Biomedical Engineering and the Departments of Biomedical and Mechanical Engineering, School
of Engineering, City College and Graduate School, The City University of New York, New York 10031; email:
[email protected]
Un tessuto è un materiale composito i cui costituenti, che ne determinano la struttura,
si modificano in continuazione a causa dell’accrescimento e in risposta all’ambiente
fisico e chimico in cui si trova il tessuto. L’ambiente fisico-chimico di un tessuto è
rappresentato dall’ambiente in cui si trova e dalla sua storia recente. Un tessuto è un
insieme di cellule e della matrice extracellulare (ECM) che realizzano funzioni
specifiche. L’ECM è fatto di fibre (es. le proteine del collagene e l’elastina) e una
sostanza di base (es. proteoglicani). Rispetto ad altri tessuti, il connettivo ha
relativamente poche cellule e molto materiale extracellulare; comprende: cartilagine,
tendini, ligamenti, la matrice dell’osso, il tessuto adiposo (grasso), la cute, il sangue e
la linfa. I tessuti maturi possono rimodellare il loro ECM per adattarne la struttura ai
carichi meccanici che deve sostenere e che ha sostenuto.
MYOFIBROBLASTS AND MECHANO-REGULATION OF
CONNECTIVE TISSUE REMODELLING
James J.Tomasek, Giulio Gabbiani, Boris Hinz , Christine Chaponnier and Robert A.Brown
NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 3 | MAY 2002 | 349
Quasi tutti i tessuti connettivi sono apparentemente soggetti a qualche tipo di tensione
meccanica, anche in condizioni di riposo. Ad eccezione di persone molto anziane o con
certi difetti genetici, i connettivi molli non si raggrinzano, nemmeno intorno a muscoli
rilasciati o nel sonno. La tensione di riposo che è intrinseca nell’anatomia dei tessuti è
resa evidente dal fatto che i vasi e i nervi quando vengono dissezionati assumono una
lunghezza del 25-30% minore rispetto a quella che hanno in situ. Lo stabilirsi di questa
situazione durante la crescita infantile si spiega se la crescita dei tessuti molli è
governata da una “tensione esterna di soglia”. Ne nascono parecchi quesiti: qual è la
base cellulare e molecolare di questa omeostasi tensionale dei tessuti? Come si
mantiene nell’adulto? E infine come si ripristina nell’adulto durante la riparazione dei
tessuti? Un altro esempio di sviluppo di tensione nel tessuto connettivo è rappresentato
dalla contrazione delle ferite che si verifica durante la guarigione di una ferita aperta.
Molti tessuti sono in tensione meccanica, ma questo non significa che anche le cellule
siano in tensione, perché sono protette da carichi esterni relativamente grandi grazie
alle proprietà meccaniche della matrice che le circonda. In termini ingegneristici queste
cellule sono “schermate dalla tensione” ad opera della matrice che esse sesse
producono e rimodellano.
Riparazione di ferite normale e patologica
La riparazione di ferite cutanee comprende due fenomeni: la riepitelizzazione, cioè la
riproduzione e lo spostamento di cellule epidermiche per ricostruire la continuità del tessuto e
la formazione ex novo e la contrazione del tessuto di granulazione, fatto di piccoli vasi,
fibroblasti, miofibroblasti e diverse quantità di cellule infiammatorie. Quando la riepitelizzazione
è completa, si verifica un’importante riduzione di elementi cellulari, soprattutto miofibroblasti,
nel tessuto di granulazione, a causa di fenomeni apoptotici, e si forma una cicatrice con poche
cellule. In molti casi, per cause non identificate, la cicatrizzazione non ha luogo, nonostante la
riepitelizzazione e il tessuto di granulazione si trasforma in una cicatrice ipertrofica (cheloide),
che contiene molti miofibroblasti e non produce abbastanza matrice extracellulare. Questo
processo si chiama FIBROSI e deforma il parenchima circostante e il tessuto connettivo. La
formazione della fibrosi è stata attribuita all’insufficienza di fenomeni apoptotici nella fase finale
della guarigione della ferita. Questo schema generale della formazione di fibrosi vale per molti
organi dopo diversi tipi di lesione (per es. rene, polmone, fegato e cuore).
È ora accertato che il miofibroblasto (un fibroblasto specializzato nella contrazione) gioca un
ruolo importante nello stabilire la tensione durante la riparazione di ferite e nella contrattura
patologica.
Il MIOFIBROBALSTO.
Da molto tempo si è ritenuto che la contrazione del tessuto dipendesse da forze generate dalla
retrazione del collagene. Molte osservazioni hanno però indicato che le cellule del tessuto di
granulazione sono coinvolte nella generazione di forza. È stato dimostrato che molti fibroblasti
contengono un’actina SM (smooth muscle), quella dei muscoli lisci vascolari, e che l’espressione
di tale molecola e del collagene di tipo I è regolata dal fattore di trasformazione (transforming
growth factor, TGF-ß1). Tutto questo dimostra che il miofibroblasto ha un ruolo nella sintesi
dell’ECM e nella generazione di forza che riorganizza l’ECM e provoca la retrazione delle ferite. I
miofibroblasti sono caratterizzati dalla presenza di un apparato contrattile che contiene fasci di
microfilamenti di actina con altre proteine contrattili (miosina non muscolare). Queste fibre
terminano sulla superficie cellulare nel fibrobnesso, un complesso di adesione specializzato che
lega gli elementi intracellulari a quelli extracellulari. Questo costituisce un sistema di trasduzione
meccanica che trasmette le forze generate nella cellula all’ECM e viceversa.
I miofibroblasti, come i muscoli lisci vasali, sono direttamente collegati fra di loro attraverso gap
junctions e pertanto possono formare unità contrattili multicellulari durante la retrazione del
tessuto di granulazione
Miofibroblasti nella membrana epiretinica.
Ricostruzione tridimensionale mediante
microscopia confocale laser di un miofibroblasto
differenziato. Colorazione immunoistochimica
dell’actina; i colori cambiano in funzione della
profondità. I miofibroblasti differenziati mostrano
le tipiche “fibre da stress”
Ci sono due tipi di miofibroblasti, quelli che non esprimono a-SM actina, che proponiamo
di chiamare protomiofibroblasti e quelli che la esprimono, che chiamiamo miofibroblasti
differenziati. La differenza è particolarmente evidente in vivo, mentre in vitro sono quasi
tutti del primo tipo. I segnali responsabili della formazione di protomiofibroblasti si
conoscono poco, ma la tensione meccanica è certamente importante. Un altro fattore
importante è il PDGF (platelet derived GF)
Il modello a due stadi della differenziazione del miofibroblasto. In vivo, i fibroblasti
possono contenere actina sulla membrana ma non presentano fibre da stress e non
formano complessi di adesione con l’ECM. Sotto stress meccanico si differenziano in
protomioblasti che formano fibre da stress contenenti actina che terminano nel
fibronesso. Possono generare forza contrattile. Il TGF-ß1 aumenta l’espressione di
fibronectina e in presenza di stress meccanico provoca la trasformazione in
miofibroblasti differenziati che aumentano l’espressione di actina e di grossi complessi
di adesione. Questo aumenta lo sviluppo di forza e organizza la fibronectina
extracellulare in fibrille
Non è chiaro se i miofibroblasti e le cellule muscolari lisce (SM) siano tipi cellulari distinti oppure
se i primi non siano che un momento di uno spettro di differenziazione continua fra fibroblasto
e SM. Tale spettro potrebbe spiegare il processo di vasculogenesi nel quale le cellule SM della
media si differenziano da fibroblasti locali, come accade nell’ipertensione polmonare.
REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONE DEI MIOFIBROBLASTI
I miofibroblasti possono mantenere forza contrattile a lungo. La forza è generata da “stress
fibres” contrattili – formate da fasci di microfilamenti di actina associati a miosina non
muscolare – ed è regolata dalla fosforilazione della catena leggera della miosina (MLC),
analogamente a quando accade nelle cellule SM. Entrano in gioco due sistemi di fosforilazione:
MLCK (chinasi calcio dipendente) e il sistema della Rho chinasi. L’aumento del calcio
intracellulare attiva la MLCK, provocando una contrazione rapida e breve perché la
concentrazione del calcio diminuisce rapidamente e una fosfatasi disattiva la MLCK. Al contrario,
l’attivazione della Rho chinasi ha due possibilità di fosforilare la MLC: in modo diretto oppure
inattivando la fosfatasi della miosina. Questo provoca contrazioni sostenute
Contrattura in lattice di collagene tridimensionale. Il diagramma schematico forza-tempo
rappresenta tre fasi di generazione di forza. Le varie fasi si sovrappongono. L’aggiunta di
citocalasina D subito dopo il raggiungimento del plateau abolisce completamente la forza,
mentre l’aggiunta più tardiva lascia una forza residua, dovuta al rimodellamento
(accorciamento) irreversibile della rete collagene, che è tipico della contrattura
Modello della fase di rimodellamento della matrice extracellulare nella contrattura.
La contrattura della matrice è mediata dai miofibroblasti: la contrazione dei
miofibroblasti si trasforma in accorciamento funzionale della matrice collagene. A) i
miofibroblasti sono annegati in una rete collagene e si legano alle fibrille mediante
complessi di fibronectina legati ai filamenti intracellulari. B) Le fibre da stress si
contraggono; l’effetto è locale e si trasmette a poche cellule circostanti. C) si
aggiungono nuovi componenti della matrice che stabilizzano la nuova
organizzazione del collagene. D) il ciclo si ripete fino a provocare la contrattura
Modello del ruolo dei miofibroblasti nella riparazione di una ferita
aperta. A) nei tessuti normali i fibroblasti sono sottoposti ad una
moderata tensione grazie alla protezione dallo stress esercitata dalla
matrice circostante per cui non è stimolata l’organizzazione di un
citoscheletro contrattile (area rosa del derma). Quando una ferita del
derma a tutto spessore è riempita da un coagulo di fibrina, fattori di
crescita locali stimolano i fibroblasti del tessuto adiacente sano ad
invadere la matrice provvisoria. Questi fibroblasti emigrati, insieme ai
vasi, riempiono la ferita formando tessuto di granulazione. A questo
punto, i fibroblasti sono già stimolati a produrre fibronectina. B) I
fibroblasti esercitano forze di trazione sulla matrice collagene, che
viene riorganizzata secondo linee di forza. Lo sviluppo di stress
meccanico stimola i fibroblasti a sviluppare fibre di stress e così
acquisiscono le caratteristiche di proto-miofibroblasti. La tensione e i
fattori di crescita stimolano i proto-miofibroblasti a secernere il TGFb1 e aumenta la fibronectina. In uno schema a feedback i protomiofibroblasti diventano miofibroblasti differenziati sintetizzando
actina aumentando la forza contrattile. Queste cellule differenziate
depositano collagene e altri componenti dell’ECM e producono
proteasi. Questo complicato processo di rimodellamento porta ad un
accorciamento della matrice collagene e alla chiusura della ferita.
D) Quando una ferita che guarisce normalmente si
chiude i miofibroblasti vanno incontro ad apoptosi e
spariscono. E) In molte situazioni patologiche invece,
come nella formazione di cicatrici ipertrofiche, i
miofibroblasti persistono e continuano a rimodellare
l’ECM con progressiva contrattura del connettivo. In
conclusione, i miofibroblasti non sono affatto cellule
“cattive”, ma la loro cattiva regolazione provoca
disfunzioni tissutali.
Remodelling of continuously distributed collagen fibres in soft connective tissues
N.J.B. Driessen, G.W.M. Peters, J.M. Huyghe, C.V.C. Bouten, F.P.T. Baaijens
Journal of Biomechanics 36 (2003) 1151–1158
Stimoli biochimici e biomeccanici provocano il rimodellamento della matrice
extracellulare nei tessuti connettivi molli, che modificano la morfologia e il
comportamento meccanico del tessuto stimolato: questo gioca un ruolo cruciale
nell’ingegneria tissutale di strutture che sopportano carichi, come le cartilagini e
le valvole cardiache. Il turnover delle fibre collagene è il risultato netto di sintesi
e riassorbimento, con un riallineamento della direzione delle fibre, secondo la
teoria della fusione dei polimeri. La resistenza alla deformazione è adattata
tramite la riorganizzazione della matrice extracellulare, nella quale sono
importanti sia il riallineamento di fibre collagene preesistenti sia il turnover delle
fibre.
Articolo di bioingegneria troppo difficile, ma utile per alcuni concetti di base
Acute exercise induced changes in rat skeletal muscle mRNAs and
proteins regulating type IV collagen content
S. O. A. KOSKINEN, W. WANG, A. M. AHTIKOSKI, M. KJÆR, X. Y. HAN, J. KOMULAINEN, V. KOVANEN, AND T. E. S. TAKALA
Am J Physiol Regulatory Integrative Comp Physiol 280: R1292–R1300, 2001.
Il collagene di tipo IV è il componente principale delle membrane basali e probabilmente
svolge un ruolo critico nella sistemazione delle cellule all’interno di un tessuto, per es.
assicurando stabilità meccanica nelle fibre muscolari scheletriche, benché sia soltanto una
minima frazione della matrice extracellulare. È stato dimostrato nei ratti che un allenamento di
endurance protratto per tutta la vita aumenta il contenuto del collagene IV nel muscolo
scheletrico e che il suo mRNA aumenta rapidamente dopo un episodio acuto di esercizio
strenuo. Non è noto però quali siano i meccanismi e se un singolo episodio di esercizio strenuo
modifichi la degradazione e la concentrazione del collagene IV. La degradazione proteolitica di
specifici componenti del’ECM che ha luogo sia in processi fisiologici sia patologici è attivata da
proteasi zinco-dipendenti chiamate metallo proteinasi (MMP). Le MMP-2 e -9 distruggono il
connettivo IV. L’attività delle MMP è regolata in modo complesso dalla separazione enzimatica
di proMMP e dall’inibizione da parte di inibitori tissutali delle MMP, chiamati TIMPs.
Esperimento: i ratti correvano su treadmill con inclinazione negativa a 17m/min per 130 min:
questo modello di esercizio provoca danno muscolare.
Attività glucuronidasica misurata come indice di danno muscolare
Table 1. Glucuronidase activity in heavily exercised rat muscles
Soleus
Red MQF
White MQF
Control
1.72±0.16
1.91±0.14
1.66±0.11
6h
1.76±0.11
1.80±0.10
1.95±0.12
1day
1.79±0.13
2.33±0.10
1.82±0.10
2day
2.00±0.14*
3.53±0.21‡
2.27±0.13†
4day
2.22±0.29
5.24±1.47†
2.81±0.32*
7day
2.23±0.29
4.16±0.31‡
3.76±0.50*
Values are means ± SE. Glucuronidase activity, an indicator for muscle damage, in soleus, the deep red portion of quadriceps femoris (Red
MQF) and the superficial white portion of quadriceps femoris (White MQF) was determined up to 7 days after exhaustive downhill running.
The activities are expressed as mol.s-1.kg-1 protein. *P ,< 0.05. †P < 0.01; ‡P < 0.001 vs. control.
I risultati mostrano che la sintesi del collagene IV delle membrane basali si modifica sia a
livello di mRNA si a livello delle proteine in seguito a danno muscolare indotto dall’esercizio.
Il collagene fibrillare di I e III tipo è alterato solo a livello pretranslazionale. La MMP-2 che
degrada il collagene IV aumenta soprattutto nella parte rossa del quadricipite, dove il danno
cellulare è maggiore. Abbiamo anche dimostrato che l’espressione delle TIMP-1 e TIMP-2, le
proteine che inibiscono la degradazione dell’ECM aumenta in momenti diversi del processo di
degenerazione e rigenerazione del muscolo danneggiato.
TRANSLATIONAL PHYSIOLOGY
The history of matrix metalloproteinases: milestones, myths, and misperceptions
Rugmani Padmanabhan Iyer, Nicolle L. Patterson, Gregg B. Fields, and Merry L. Lindsey
Am J Physiol Heart Circ Physiol 303: H919–H930, 2012.
La famiglia delle MMP comprende ora 25 membri, non tutti presenti nell’uomo. Sono stati
identificati 5 sottogruppi: collagenasi, gelatinasi, matrilisine, stromolisine e MMP di
membrana. Per essere classificato come MMP un enzima deve avere i seguenti requisiti: 1)
proteolisi di almeno un componente dell’ECM; 2) il sito attivo dipende dallo zinco; 3)
attivazione da parte di proteinasi o organomercuriali; 4) inibizione da parte dell’acido etilen
diamino tetra acetico, 1,10 fenantotriolina e una TIMP (inibitore tissutale delle MMP); 5) la
sequenza del cDNA omologa alla MMP-1.
Substrati. Non è vero che le MMP degradano solo le proteine dell’ECM: la loro azione sulle
proteine superficiali delle membrane cellulari è un meccanismo importante per la regolazione
delle attività delle cellule. La proteolisi può stimolare o inattivare particolari segnali
intracellulari, come quelli che provocano apoptosi o autofagia.
Attivazione: non è vero che le MMP si attivino solo nell’ambiente extracellulare. L’attivazione
di proenzimi MMP avviene certamente fuori dalle cellule: plasmina, eparina e ossidanti
attivano MMP e molte MMP ne attivano altre. Vi sono però eccezioni e molti enzimi possono
essere attivati all’interno delle cellule.
Le TIMPs: non servono solo per inibire le MMP, ma attivano anche fattori di accrescimento,
stimolano i fibroblasti e la loro differenziazione in miofibroblasti.
Table 6. MMP and TIMP cell expression (known cardiovascular cell expression)
MMP
Additional Names
Cell Expression
-1
-2
-3
-7
-8
-9
Collagenase-1; fibroblast collagenase
Gelatinase A; 72-kDa type IV collagenase
Stromelysin-1
Matrilysin
Collagenase-2; neutrophil collagenase
Gelatinase B; 92-kDa type IV collagenase
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16
-17
-18
-19
-20
-23
-24
-25
-26
-27
-28
TIMP-1
Stromelysin-2
Stromelysin-3
Macrophage elastase
Collagenase-3
MT1-MMP
MT2-MMP
MT3-MMP
MT4-MMP
Xenopus laevis collagenase-4
RASI-1
Enamelysin
CA-MMP
MT5-MMP
MT6-MMP
Matrilysin-2
CMMP/MMP-22
Epilysin
Collagenase inhibitor
Endothelial, fibroblasts, macrophages
Endothelial, fibroblasts, platelets, T lymphocytes
Endothelial, fibroblasts, macrophages, vascular smooth muscle
Macrophages
Neutrophils, endothelial, fibroblasts
Neutrophils, endothelial, eosinophils, macrophages, T
lymphocytes
Fibroblasts, T lymphocytes
Fibroblasts
Macrophages, stromal cells
Fibroblasts
Fibroblasts, macrophages
Fibroblasts, macrophages
Fibroblasts, macrophages, vascular smooth muscle
Eosinophils, lymphocytes, monocytes
Xenopus expression only
Vascular smooth muscle, endothelial, monocytes
Endothelial
Unknown
Unknown
Neutrophils, monocytes
B lymphocytes
Fibroblasts
Cardiomyocytes, macropahges, T lymphocytes
Leukocytes, fibroblasts, mesenchymal stem cells, vascular
smooth muscle
Fibroblasts, macrophages, vascular smooth muscle
Fibroblasts, pericytes
Cardiomyocytes, lymphocytes, macrophages, mast cells, vascular
smooth muscle
TIMP-2
TIMP-3
TIMP-4
Note that the absence of a cell in the list means either that the MMP is not expressed by that cell type or MMP expression in that cell type
has not been studied
Eventuali usi terapeutici: l’idea che tutte le MMP abbiano funzioni negative è sbagliata e
quindi non è detto che tutte le MMP debbano essere comunque bloccate se possibile. Sono
state provate molte TIMP e piccole molecole sintetiche per bloccare le MMP nel cancro,
nell’artrite e nelle malattie cardiovascolari, ma con scarso successo, per varie ragioni.
È necessario chiarire il ruolo delle MMP nella progressione delle malattie cardiovascolari:
quando e dove sono espresse MMP e TIMP, con che sequenza temporale. I diversi tipi di
cellula vanno e vengono e le cellule si differenziano nel tempo e tutto questo cambia
l’espressione di MMP e TIMP. Per esempio, i fibroblasti stimolati con il fattore di crescita
derivato dalle piastrine (PDGF) esprimono MMP -1, -2, -3, -11, -14 e TIMP-1 e-2 ma non MMP9. Ma se il fibroblasto si differenzia in miofibroblasto, allora produce MMP-9 in risposta al
PDGF.
From mechanical loading to collagen synthesis, structural changes
and function in human tendon
M. Kjær, H. Langberg, K. Heinemeier, M. L. Bayer, M. Hansen, L. Holm, S. Doessing, M. Kongsgaard, M. R. Krogsgaard, S. P. Magnusson
Scand J Med Sci Sports 2009: 19: 500–510 doi: 10.1111/j.1600-0838.2009.00986.x
Dati recenti nell’uomo indicano che il tessuto tendineo risponde con variazioni del
metabolismo al carico tensile. Il tessuto tendineo è soggetto a carico tensile ed è costituito
soprattutto da molecole di collagene fibrillare (tipo I e III). Il collagene è prodotto dai
fibroblasti tendinei, che sono sistemati in parallelo lungo la direzione principale del tendine;
le cellule hanno una forma allungata, con nuclei appiattiti e allungati e protrusioni
citoplasmatiche di actina. I fibroblasti tendinei interagiscono con l’ECM con accoppiamenti
cellula-matrice e costituiscono una rete cellulare lungo tutto il tendine.
Metodo per la quantificazione della produzione di collagene: Il procollagene appena
sintetizzato è idrossilato al residuo prolinico (idrossiprolina) prima di essere assemblato
nella struttura a triplice elica e questa proteina può essere marcata (con isotopi). La sua
misura rispecchia fedelmente la neosintesi di collagene.
Con questo metodo, si è visto che l’esercizio aumenta la sintesi di collagene nel tendine
patellare da 0.05% a 0.10% in 24 ore e la sintesi è già aumentata 6 ore dopo l’esercizio. La
sintesi di collagene rimane aumentata per 2-3 giorni: l’aumento è uniforme e relativamente
indipendente dall’intensità dell’esercizio.
Il carico meccanico induce un nuovo livello di sintesi del collagene, con una specie di
interruttore (on/off) rispetto alla necessità di carico meccanico per ottimizzare la sintesi di
collagene. La risposta di sintesi del collagene è generata sia da un singolo carico sia da un
carico prolungato
Il fibroblasto tendineo è il protagonista del mantenimento del tendine, dell’adattamento
omeostatico e del rimodellamento. Dopo la nascita, il fibroblasto tendineo è la cellula
meccanosensibile del tessuto. Le fibre collagene sono allineate in un ben organizzato
ordine parallelo nel tendine, così pure le fibre di actina nella cellula. In campioni di tendine
lesionato, i filamenti di actina perdono la distribuzione ordinata. Fibroblasti tendinei in
coltura mostrano un denso citoscheletro di actina con i filamenti in parallelo, che si
disorganizzano se le cellule vengono separate (trattamento con tripsina). Rimessi in
coltura, i fibroblasti (arrotondati) aderiscono al fondo e ricostruiscono la loro struttura
filamentosa con lunghe protrusioni citoplasmatiche di actina che interagiscono fra cellule
adiacenti. Si trovano giunzioni aderenti e con fessura (gap).
Giunzioni aderenti e siti di adesione mediati da caderina e catenina. Le molecole di
caderina sono proteine transmembrana che si legano con la porzione extracellulare ad
analoghe molecole nelle cellule adiacenti. Il Ca2+ lega le giunzioni fra cellule formando un
bastoncello rigido che stabilizza il sito di adesione. Dal lato intracellulare le caderine si
legano allo scheletro di actina mediante catenina –a e –b.
Morfologia cellulare e localizzazione di caderina nei
fibroblasti tendinei dopo il distacco. (a-c) cellule in
sospensione: morfologia cellulare arrotondata con
colorazione della caderina sparsa. (d-f) 1h dopo
inseminazione: morfologia cellulare circolare e colorazione
per la caderina perinucleare. (g-e) 2h dopo inseminazione: i
fibroblasti tendinei cominciano ad appiattirsi e a formare
lamellopodi. (a), (d), (g): colorazione alla falloidina; (b), (e),
(h): il verde corrisponde alla caderina; (c), (f), (i): immagini
fuse al computer delle due precedenti; il blu corrisponde ai
nuclei
Morfologia cellulare e formazione di giunzioni aderenti in
fibroblasti tendinei distaccati. (a-c) 4 ore dopo
inseminazione: fibroblasti tendinei con lamellipodi in
espansione colorazione di caderina perinucleare e sulla
membrana plasmatica. (d-f) 8 ore dopo inseminazione:
fibroblasti con chiari filamenti di actina e formazione di
giunzioni aderenti (formazioni a pettine). La
localizzazione perinucleare è assente. (g-e) 24 ore dopo
inseminazione: fibroblasti con chiari filamenti di actina e
giunzioni aderenti con il tipico aspetto a pettine. Non c’è
localizzazione perinucleare. (a), (d), (g): colorazione alla
falloidina; (b), (e), (h): il verde corrisponde alla caderina;
(c), (f), (i): immagini fuse al computer delle due
precedenti; il blu corrisponde ai nuclei
Al contrario delle giunzioni aderenti (e strette) quelle con fessura (gap) non sigillano le
membrane di cellule adiacenti ma formano canali che permettono lo scambio di piccole
molecole, rendendo possibile una comunicazione attiva nella rete intercellulare. I
fibroblasti tendinei esprimono le connessine 32 e 43, che sono colocalizzate con
l’actina. I tendini sono esposti a tensione meccanica ed è chiaro che la colocalizzazione
actina-connessina è alterata dal carico meccanico. C’è pertanto un elevato turnover
delle proteine giunzionali o un aumento delle gap junctions fra i fibroblasti tendinei
sottoposti a tensione, o un aumentato fabbisogno di stabilità alle giunzioni fra cellule o
tutto questo insieme. Il blocco delle gap junctions riduce la produzione di collagene II e
quindi esse giocano un ruolo indispensabile nel mantenimento delle funzioni cellulari
del tendine. La cellula crea un legame fra recettori cellulari e ligandi dell’ECM e il
citoscheletro di actina e produce effetti adeguati attivando effettori a valle.
Ruolo dei fattori di crescita negli adattamenti tendinei al carico.
Un problema sull’aumento del turnover del collagene è capire come il tendine senta il
carico esterno durante la contrazione muscolare e più specificamente quali fattori siano
coinvolti nella regolazione. Il primo esempio è una differenza di genere perché le
femmine rispondono meno dei maschi nell’aumentare la sintesi di collagene dopo
l’esercizio: l’estradiolo può essere responsabile di questa differenza.
Un importante fattore di regolazione della sintesi del collagene è l’asse ormone della
crescita (GH) fattore della crescita simile all’insulina (insuline like growth factor IGF), il cui
effetto è confermato da studi in vitro, per esempio la somministrazione di IGF nel coniglio
accelera la sintesi proteica nei tendini e accelera la riparazione di lesioni tendinee.
L’induzione dell’espressione di collagene in risposta ad un aumento del carico si verifica in
molte cellule e tessuti e sembra dipendere dall’espressione/secrezione di fattori di crescita
del collagene indotta meccanicamente: questi fattori agiscono in maniera
endocrina/paracrina sulla produzione proteica dell’ECM. Molti fattori di crescita che
stimolano la sintesi del collagene sono espressi in risposta al carico meccanico:
transforming growth factor-b-1 (TGF-b-1), connective tissue growth factor (CTGF) e IGF-I.
L’espressione di mRNA del collagene I e III segue uno schema molto simile a quello del TGFb-1 e IGF-I nel tendine e nel muscolo.
Tenendo conto degli effetti del carico su tendini e muscoli è importante considerare se
l’assenza di carico abbia effetti opposti.
Abbiamo misurato la massa e l’espressione di mRNA per la sintesi del collagene e di fattori
di crescita nel tendine di Achille e nel soleo dopo 7 e 14 giorni di sospensione di una
gamba. La massa del soleo diminuiva del 50% dopo 14 giorni, mentre quella del tendine
non si modificava, confermando altre osservazioni nell’uomo e in altri animali.
Evidentemente gli effetti dello scarico non sono l’opposto di quelli del carico. L’espressione
di collagene I e III, TGF-b-1 e CTGF non cambiava ne’ nel muscolo ne’ nel tendine, anzi in
quest’ultimo aumentava il IGF-I
Danni e riparazione del tendine. Danni da uso eccessivo dei tendini sono frequenti e
debilitanti sia in atleti professionisti e amatoriali sia in particolari condizioni lavorative.
Dolore durante l’uso, gonfiore e riduzione della forza e della mobilità caratterizzano la
tendinopatia. L’iniziale attribuzione della condizione ad uno stato infiammatorio è stata
smentita, mentre si descrive un’alterazione degenerativa con rimodellamento della
matrice collagene, aumento delle cellule e della concentrazione di protoeglicani, senza
infiltrazione di cellule infiammatorie. Le fibrille, che sopportano i carichi, hanno una
forma e una distribuzione normali nella patologia da super uso e quindi il problema sta
fra le fibrille; è stata dimostrata neoformazione di vasi e aumento delle terminazioni
nervose. Si è dimostrato efficace il trattamento con allenamenti eccentrici ad elevato
carico. I meccanismi sembrano legati alla stimolazione di neoformazione di materiale
collagene.
Conoscere meglio la risposta al carico del collagene tendineo nell’uomo è importante
per dare le giuste raccomandazioni nei programmi di allenamento per massimizzare
l’effetto senza sovraccaricare i tendini. È anche importante per comprendere gli effetti a
lungo termine dell’allenamento cronico. Bisogna aggiungere lo studio di altre proteine e
strutture della matrice per spiegare la conversione delle modificazioni biochimiche del
tendine in adattamenti strutturali e funzionali.
Adipose tissue remodeling and obesity
Kai Sun, Christine M. Kusminski, and Philipp E. Scherer
J Clin Invest. 2011;121(6):2094–2101
Il tessuto adiposo (AT) risponde in maniera rapida e dinamica alle variazioni quantitative degli
alimenti con ipertrofia e iperplasia degli adipociti e così svolge un ruolo importante
nell’omeostasi energetica dell’organismo. Il rimodellamento dell’AT è un processo continuo che è
patologicamente accelerato nell’obesità. Non sempre però l’espansione dell’AT è di carattere
patologico. Nei roditori le variazioni dell’AT sono estremamente rapide: 24 ore di digiuno
comportano una forte perdita di massa di AT e un rimodellamento acuto con infiltrazione di
macrofagi. D’altra parte 24-48 ore di esposizione ad una dieta ricca di grassi aumenta subito le
dimensioni degli adipociti. L’infiltrazione di macrofagi nell’AT in espansione è un fenomeno
fisiologico importante che avvia una risposta infiammatoria predisponente all’insulino
resistenza.
L’espansione dell’AT (ipertrofia e iperplasia) ha moltissimi effetti, come ipossia, morte degli
adipociti, secrezione di chemochine e sregolazione dei flussi di acidi grassi. In questo quadro, i
macrofagi devono creare un ambiente permissivo al processo di rimodellamento. Gli adipociti
quindi sono i primi responsabili del reclutamento di macrofagi (AT macrophage: ATM). La
necrosi degli adipociti causata dall’ipertrofia e accelerata dall’obesità è un potente stimolo che
regola l’infiltrazione di ATM. È stato visto che i macrofagi si aggregano e formano delle
strutture a corona intorno alle cellule necrotiche, quindi si fondono, inglobano le goccioline di
peptidi e formano sincizi multinucleati. La morte degli adipociti lascia una gocciolina di grasso
non ricoperta da proteine, come all’interno delle cellule, e priva di lipasi che possano idrolizzare
i trigliceridi. La rimozione di queste gocce di grasso è un aspetto integrale del rimodellamento
dell’AT.
Regolazione chemiotassica – le cemiochine sono piccole molecole proinfiammatorie che
mobilizzano i macrofagi dal midollo osseo
Ipossia – l’ipertrofia dell’AT genera delle aree di micro ipossia locale fin dall’inizio dell’espansione
del tessuto: questo è stato riscontrato anche nell’uomo, dove si vede che l’AT è poco ossigenato
in condizioni di obesità. Un fattore importante nell’ipossia tessutale è HIF-1, che regola
direttamente molti geni come quelli che producono leptina e VEFG. In un modello di ratti obesi
non sono stati trovati componenti dell’angiogenesi e della via glicolitica, ma un risposta fibrotica
esaltata con aumento di lisil ossidasi, elastina, collagene I e III, TIMs e fattore di crescita del
tessuto connettivo. Quindi l’ECM accumula fibre di collagene e subisce una trasformazione
fibrotica che stimola la risposta infiammatoria.
Flusso di acidi grassi – Gli FFA depositati in forma di trigliceridi nell’AT sono rilasciati dagli
adipociti ipertrofici mediante lipolisi a digiuno: alcuni si depositano nel fegato e altri sono
ossidati in vari organi. Molti però sono riesterificati negli adipociti. Gli FFA che rimangono liberi
nell’AT contribuiscono ad attivare la risposta infiammatoria.
L’obesità si accompagna alla trasformazione dei macrofagi da uno stato antiitnfiammatorio (M2)
che si accumula in periodi di bilancio energetico negativo ad uno stato proinfiammatorio (M1)
tendente all’insulino-resistenza.
Bisogna fare un’importante distinzione fra l’espansione buona (fisiologica) del pannicolo
adiposo e quella cattiva (patologica). L’espansione buona è un aumento della massa del
pannicolo per reclutamento di precursori degli adipociti, insieme ad altre cellule stromali
nelle giuste proporzioni e successiva vascolarizzazione, minima induzione di ECM ed
infiammazione. La forma cattiva consiste in una rapida crescita del pannicolo per
ingrandimento delle cellule preesistenti, un alto grado di infiltrazione di macrofagi, poco
sviluppo di vasi e fibrosi massiva, infiammazione cronica e infine resistenza insulinica.
La complessa dinamica del rimodellamento dell’AT
Durante perdita di peso: inattesa associazione con un rapido e transitorio aumento dei
macrofagi stimolato dalla lipolisi. Questo è un processo fisiologico che si aggiunge ad un
segnale per i monociti circolanti che armonizza i rapporti fra adipociti e macrofagi. Rimane
da capire cosa cambia nello stato di obesità dove prevale l’infiammazione cronica. Data
l’altissima produzione di lipochine possiamo ben considerare l’adipocita una cellula
secernente “professionista”. In periodi di eccesso calorico prolungato queste cellule
mostrano ipertrofia e iperplasia avviando il processo dell’espansione dell’AT. L’ipertrofia
protegge efficacemente da effetti tossici sistemici legati all’eccesso di lipidi. Questo però
comporta uno stress meccanico aumentando L’ECM con scarsa angiogenesi, infiammazione
locale e infine compromissione funzionale dell’AT
Espansione dell’AT buona (A) e cattiva (B). A): aumento dell’AT mediante reclutamento
effettivo di precursori di adipociti adipogenici, con adeguata risposta angiogenica. Vi sono
forti differenze individuali. B) nella forma cattiva c’è un aumento massiccio del volume di
adipociti preesistenti, scarsa angiogenesi e conseguente ipossia. Si induce HIF-1a che fa
partire la fibrosi. Infine, prevalgono i macrofagi M1, con un fenotipo infiammatorio
fortemente associato all’insulino-resistenza
AT sano e patologico. Sopra: grasso sano con
adipociti compatti, esagonali e poca
infiammazione. Sotto: grasso patologico con
abbondante infiltrazione di cellule
immunitarie e aumento dell’ECM. Barrette
bianche = 50 
Iperplasia e ipertrofia
Nel dibattito se gli adipociti siano cellule definitive, è stato dimostrato che c’è una continua
formazione di nuovi adipociti in sostituzione di quelli vecchi, con una semivita di 8,3 anni. Il
numero totale di adipociti nell’adulto tende però ad essere stabile. Il turnover delle cellule
tende a ridursi con l’età, predisponendo ad alterazioni funzionali. Con una dieta iperlipidica
si ha immediata ipertrofia degli adipociti, con rapida apoptosi accompagnata da formazione
di nuove cellule e invasione di macrofagi, che indirizzano l’iperplasia verso una forma
patologica. L’espansione dell’AT è accompagnata da angiogenesi, la cui efficacia può
diventare un limite ed è diversa in diverse localizzazioni del tessuto adiposo. Il grasso bruno
è più vascolarizzato di quello bianco e pure il viscerale rispetto al sottocutaneo.
Un organo come l’AT deve essere in grado di rimodellarsi molto rapidamente e rilasciare o
accumulare grandi quantità di lipidi ricchi di calorie che possono essere fortemente
citotossici. Perciò è necessaria una sequenza di eventi ben organizzati fra diversi tipi cellulari,
fra i quali si possono inserire vari eventi patologici.
Subcutaneous Adipose Tissue Remodeling during the Initial Phase of Weight Gain
Induced by Overfeeding in Humans
M. Alligier, E. Meugnier, C. Debard, S. Lambert-Porcheron, E. Chanseaume, M. Sothier, E. Loizon, A. Ait Hssain, J. Brozek, J.-Y. Scoazec, B. Morio, H.
Vidal, and M. Laville
J Clin Endocrinol Metab, February 2012, 97(2):E183–E192
L’obesità, caratterizzata da eccessivo accumulo di tessuto adiposo, è dovuta soprattutto ad uno
sbilancio cronico fra l’assunzione di materiale energetico ed il consumo di energia. Le più
importanti modificazioni del tessuto adiposo sono l’infiltrazione di macrofagi l’infiammazione, la
fibrosi, associati a diabete e malattie cardiovascolari. Queste alterazioni sono in genere
reversibili con la perdita di peso. Non è ancora stato chiarito se le modificazioni si verifichino
durante lo sviluppo o siano acquisite in seguito.
Esperimento di overfeeding. Poche alterazioni sugli adipociti; aumento della vascolarizzazione e
deposizione di ECM. A livello genico: aumento assunzione lipidi negli adipociti e inibizione della
lipolisi; aumento di ANG II. Nell’insieme: rapido riorientamento del metabolismo verso
l’accumulo di lipidi già dai primi giorni di overfeeding. Durante restrizione calorica negli obesi gli
stessi geni sono regolati in senso inverso. L’infiammazione non è un evento precoce nello
sviluppo del tessuto adiposo nell’uomo
Aumento vascolarizzazione e deposito di ECM
Processi biologici coordinati durante le fasi iniziali di crescita ponderale indotta da un
periodo di 56 giorni di dieta iperlipidica. L’aumento del metabolismo lipidico e del
deposito di trigliceridi negli adipociti sono accompagnati da una forte riduzione del
segnale Wnt/catenina e dall’induzione di ANG II, che reclutano preadipociti, con
neovascolarizzazione e rimodellamento della matrice