Cap´ıtulo 3

Biolog´ıa Los tejidos conjuntivos pueden definirse como un grupo histol´ogico en el que predomina el material intercelular (matriz), segregado por sus c´elulas y, por tanto, con espacios intercelulares inusitadamente amplios. Muchas de las propiedades especiales de los tejidos conjuntivos dependen de la composici´on de su matriz y su clasifici´on se basa en gran medida en estas caracter´ısticas [21].

3.1.

Tejido ´ oseo

El tejido ´oseo es el tejido conjuntivo que forma los huesos. Tiene la matriz extracelular mineralizada, lo que lo convierte en el u ´nico tejido conectivo duro del cuerpo humano. Esta caracter´ıstica es fundamental para algunas de las funciones esenciales de los huesos, como: servir de sistema estructural para proteger los ´organos vitales del cuerpo, ser la estructura soporte del sistema muscular, reserva de calcio y f´osforo, contener la m´edula ´osea que rellena sus poros y que es la principal fuente de gl´obulos rojos y blancos del cuerpo humano.

3.1.1.

Composici´ on del hueso

El tejido ´oseo es un componente vivo, formado por c´elulas de cuatro tipos (osteoclastos, osteoblastos, c´elulas de borde y osteocitos) y una matriz ´osea extracelular. 31

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Matriz ´ osea La matriz ´osea tiene una gran estabilidad, pudiendo permanecer inalterable y manteniendo su resistencia durante cientos de a˜ nos, despu´es de muerto el tejido. Se distinguen en ella una componente inorg´anica o mineral, que representa aproximadamente el 65 % en peso, una componente org´anica, 20 %, y agua, el 10 % restante [6]. La componente inorg´anica tiene dos funciones esenciales: confiere al hueso gran parte de su resistencia y rigidez y sirve de reserva de iones. De hecho, el 90 % del calcio del cuerpo, el 85 % del f´osforo y la mitad del sodio y el magnesio se encuentran en el hueso. La resistencia mec´anica que aporta la componente inorg´anica es principalmente resistencia a compresi´on, ya que su resistencia a tracci´on es muy peque˜ na y su fragilidad alta. De la resistencia a tracci´on es responsable la componente org´anica, que adem´as aporta flexibilidad y le da forma al hueso. Est´a constituida por col´ageno, prote´ına estructural que se organiza en fuertes fibras. El agua que contiene el hueso se encuentra formando parte de la m´edula ´osea que rellena los poros, o bien contenida en el tejido, en este caso atrapada entre las fibras de col´ageno. El hueso reci´en formado, denominado osteoide, est´a constituido principalmente de componente org´anica y agua, atrapada entre el col´ageno. Esta es sustituida por mineral de forma progresiva, en el proceso de mineralizaci´on ´osea. C´ elulas ´ oseas Las c´elulas ´oseas son las responsables de la formaci´on y mentenimiento de la matriz ´osea. Se pueden dividir en dos categor´ıas: las que reabsorben hueso (osteoclastos) y las que forman (osteoblastos) o han formado hueso (osteocitos y c´elulas de borde).

Los osteoclastos son las c´elulas responsables de la reabsorci´on. Tienen origen en c´elulas hematopoy´eticas, por ello son conocidas como ”macr´ofogos del hueso”. Presentan de tres a veinte n´ ucleos y gran n´ umero de mitocondrias, que producen energ´ıa suficiente para la reabsorci´on, la cu´al ocurre a una velocidad de decenas de micras por d´ıa. Los osteoblastos son c´elulas mononucleadas responsables de la formaci´on de hueso. Su principal funci´on es segregar las prote´ınas que componen la matriz org´anica. En concreto, forman el osteoide, sobre una superficie de hueso antiguo. El espesor de la capa de osteoide crece a una velocidad de 1µm/d´ıa aproximadamente.

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M´as del 90 % de las c´elulas ´oseas de una persona adulta son osteocitos, que son osteoblastos que han quedado atrapados en la matriz ´osea, en huecos denominados lagunas. Estas c´elulas son las encargadas del mantenimiento del hueso. Para ello, ”sienten”la deformaci´on mec´anica en su entorno y emiten una se˜ nal de alg´ un tipo cuando dejan de sentirla, lo que puede ser un indicio de que existe un problema. Esta se˜ nal puede trasmitirse por la red de canal´ıculos hasta llegar a las c´elulas de borde que inician el proceso de remodelaci´on si es necesario. Las c´elulas de borde, como los osteocitos, provienen de osteoblastos que han terminado su actividad de secreci´on de osteoide. A diferencia de aquellos, no quedan encerrados dentro de la matriz ´osea, sino que se sit´ uan sobre su superficie, cubri´endola casi por completo y cambiando su forma a otra m´as plana y alargada. Protegen la matriz ´osea de diversos agentes qu´ımicos presentes en la sangre que pueden disolver el mineral. Mantienen la comunicaci´on con los osteocitos por medio de las prolongaciones de estos u ´ltimos y tienen receptores de hormonas (estr´ogeno, PTH) y otros ”mensajeros qu´ımicos”, que podr´ıan iniciar la remodelaci´on, si la se˜ nal recibida de los osteocitos as´ı lo determina.

3.1.2.

Tipos de tejido ´ oseo

La forma m´as com´ un de diferenciar los tejidos es a trav´es de la porosidad. Se distingue entre hueso trabecular y cortical, que tambi´en suelen denominarse esponjoso y compacto respectivamente [5, 60, 70]. El hueso cortical o compacto es el hueso de baja porosidad y el hueso trabecular es el de porosidad alta, y aunque en principio, la porosidad puede variar entre 0 y 1, es dif´ıcil encontrar un tejido con porosidad intermedia. El hueso trabecular tiene una porosidad entre 0.75 y 0.95 y se encuentra principalmente en los huesos cortos, en los huesos planos y en la ep´ıfisis de los huesos largos. La estructura de este hueso consiste en un conjunto de placas y barras de tejido mineralizado y duro, denominadas trab´eculas, de 200 µm de espesor caracter´ıstico, conectadas entre s´ı y que dejan poros, ocupados por m´edula ´osea. La distribuci´on de estas trab´eculas es muy variable, casi ortogonal en unas ocasiones y aleatoria en otras, pero parece obedecer a un objetivo u ´nico, resistir las cargas a las que se encuentra sometido el hueso.1 El hueso cortical o compacto tiene una porosidad entre 0.05 y 0.1 y constituye el 80 % 1 Wolff

estableci´ o a finales del siglo XIX que para cumplir este objetivo las trab´ eculas se alinean con las

direcciones principales de tensi´ on, lo que se conoce como ”Ley de Wolff” [97].

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del esqueleto humano. Se encuentra en la parte central de los huesos largos y envolviendo el hueso trabecular en huesos largos, cortos y planos, a modo de corteza; de ah´ı su nombre. En la figura 3.1 se puede observar un corte transversal de un hueso largo. (1) es la capa de hueso cortical que rodea al hueso trabecular (2). Los puntos (5) y (6) son los canales de Havers y Volkmann, respectivamente, ambos est´an vascularizados. El punto (4) se˜ nala las cavidades de reabsorci´on, que son huecos temporales creados por los osteoclastos durante la fase inicial de la remodelaci´on. La mayor parte del hueso cortical forma las denominadas osteonas (3), son lamelas alrededor de los canales de Havers. En la parte externa del hueso se disponen algunas lamelas cil´ındricas conc´entricas, (7), y cubriendo ´estas, el periostio, (8), que contiene vasos y nervios, (9).

Figura 3.1: Secci´on de un hueso largo. Tomada de Kahle [46].

3.1.3.

Estructura del hueso

Se puede distinguir entre tres tipos de hueso seg´ un su forma: largos, planos y cortos. Se llaman huesos cortos aquellos que no tienen una dimensi´on predominante, como los huesos del tarso. Los huesos planos son aquellos que tienen una dimensi´on mucho m´as peque˜ na que las otras dos, como el om´oplato. Normalmente su funci´on es protectora y apenas soportan

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carga, como en el caso del cr´aneo. Los huesos largos tienen una dimensi´on mucho mayor que las otras dos, como el f´emur, la tibia, el h´ umero, etc. Normalmente soportan cargas muy elevadas que pueden ser de distintos tipos: de flexi´on-compresi´on (como el f´emur), flexi´on-tracci´ on (h´ umero) o flexi´on (radio y c´ ubito). La estructura interna de los huesos largos est´a estrechamente relacionada con la carga que soportan, mientras que en los huesos planos, como el cr´aneo, con una misi´on protectora m´as que estructural, la relaci´on entre carga y estructura interna no es tan clara. La mand´ıbula no tiene la forma de un hueso largo aunque tiene una estructura similar. Se puede decir que es un hueso largo con directriz curva. El cuerpo mandibular consta b´asicamente de una capa de hueso cortical cubierta por el periostio y una cavidad central ´ por donde discurren vasos, nervios y m´edula ´osea. Angulo y rama mandibular no guardan relaci´on alguna con met´afisis y ep´ıfisis y tienen m´as bien la apariencia de un hueso plano, que vuelve a engrosarse en el c´ondilo para aumentar la superficie articular, como en los huesos largos. La raz´on por la que el cuerpo de la mand´ıbula tiene una estructura tubular se encuentra en las cargas que soporta durante su actividad normal, la masticaci´on, que son principalmente de flexi´on-torsi´on.

3.1.4.

Remodelaci´ on ´ osea

Los huesos no son estructuras est´aticas. Est´an cambiando continuamente incluso en personas adultas. El hueso est´a en continua evoluci´on, reparando el da˜ no que la actividad diaria pueda producir en ´el por fatiga. Tambi´en se adapta a los cambios que dicha actividad diaria pueda experimentar. Para ello se retira el hueso antiguo y se forma hueso nuevo, con una actividad coordinada de osteoclastos y osteoblastos. Frost denomin´o ”remodelling” [22] a este proceso, que se ha traducido como remodelaci´on ´osea interna (ROI). Las principales diferencias entre remodelaci´on ´osea interna y externa son las siguientes: a) La ROE requiere la acci´on de osteoblastos y osteoclastos pero de forma independiente, mientras que en la ROI esa actividad es secuencial y coordinada. b) La ROE produce cambios de forma y/o de tama˜ no en el hueso, mientras que la ROI normalmente no afecta ni a la forma ni al tama˜ no. c) La velocidad de la ROE decrece con la edad a la vez que los huesos van madurando. La ROI ocurre durante toda la vida aunque tambi´en se ve frenada una vez acabado el crecimiento.

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d) La ROE es un proceso continuo y prolongado mientras que la ROI ocurre de manera epis´odica, con un principio y un final claro en cada punto de remodelaci´on. Remodelaci´ on ´ osea interna Este fen´omeno es el que se ha implementado en este proyecto y por ello se estudia con algo m´as de profundidad. Seg´ un Currey [15], el hueso es una estructura ´optima desde el punto de vista resistente, porque consigue la m´axima rigidez con el m´ınimo peso. Ese es uno de los objetivos de la ROI: adaptar la estructura ´osea para conseguir dicha optimalidad. En la ROI intervienen osteoclastos y osteoblastos, actuando de forma coordinada y secuencial, en una asociaci´on de c´elulas denominada BMU (Basic Multicellular Unit) [23], que incluye unos 10 osteoclastos y varios cientos de osteoblastos cuando la BMU alcanza el per´ıodo de madurez [61]. Estas BMUs act´ uan siempre sobre la superficie de la matriz ´osea.

3.1.5.

Propiedades mec´ anicas del hueso

Como ya hemos comentado, las propiedades mec´anicas del hueso dependen de qu´e hueso se trate. Esto se debe a que la microestructura ´osea depende de las cargas a las que est´a sometido el hueso durante su desarrollo. Cada hueso parece tener mejores propiedades frente a las cargas que normalmente soporta, lo que est´a de acuerdo con lo anteriormente dicho sobre la optimalidad de la estructura ´osea gracias a la remodelaci´on.

3.2.

Tejido cartilaginoso

Los cart´ılagos y los ligamentos son componentes esenciales de los huesos. Estos, conservan unidos entre s´ı a los huesos, del mismo modo que los tendones que insertan los musculos a los huesos. Las c´elulas son los componentes m´as importantes del tejido conjuntivo laxo; elaboran y mantienen las fibras que componen la matriz extracelular. En contraste, las fibras son los componentes m´as importantes de los tendones y los ligamentos. La matriz extracelular est´a formada por un sistema de fibrillas proteicas insolubles y complejos solubles formados por pol´ımeros de carbohidratos unidos a mol´eculas de prote´ınas que captan agua. Las fibras insolubles est´an formadas por dos tipos de prote´ınas estructurales: col´ageno y

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elastina, mientras que los pol´ımeros solubles consisten en largas cadenas de carbohidratos unidos a prote´ınas. Las fibras de col´ageno resisten las fuerzas de tracci´on mientras que la elastina, cuando existe, proporciona una medida de la capacidad de recuperaci´on (elasticidad). Los pol´ımeros solubles hidratados del material interfibrilar (proteoglicanos e hialuronano) suelen formar un gel r´ıgido que resiste las fuerzas de compresi´on. Los tejidos especializados en la resistencia a la tracci´on (tendones) son ricos en fibras, mientras que los que absorben el´asticamente las fuerzas de compresi´on (cart´ılago) son ricos en proteoglicanos. El cart´ılago es una forma especializada de tejido conjuntivo constituida por elementos celulares llamados condrocitos distribuidos de forma dispersa en una matriz extracelular dura y de tipo gel. Este tejido no est´a atravesado por vasos ni nervios, y sus c´elulas, que se alojan en peque˜ nas cavidades o lagunas, se nutren mediante difusi´on a trav´es de la fase acuosa de la matriz y a partir de los capilares de tejidos que rodean al cart´ılago. La matriz extracelular (MEC) est´a compuesta por glucosaminoglicanos y proteoglicanos, ´ıntimamente asociados con las fibras de col´ageno y el´asticas embebidas en la matriz [65]. El agua es el componente m´as abundante del cart´ılago normal, llegando al 65-80 % del peso h´ umedo del tejido. Durante las fases precoces de la artrosis, el contenido de agua puede aumentar a m´as del 90 % antes de su desintegraci´on total [57]. El contenido de agua no est´a distribuido de forma homog´enea en el cart´ılago, disminuye su concentraci´on desde aproximadamente un 80 % en la superficie a un 65 % en la zona profunda. La mayor parte del agua puede desplazarse en el tejido o fluir al exterior del tejido aplicando un gradiente de presi´on o comprimiendo la matriz s´olida. La resistencia friccional contra este flujo por los poros moleculares de la MEC es muy elevada y, por lo tanto, la permeabilidad de los tejidos muy baja. Esta resistencia friccional y la presurizaci´on del agua dentro de la MEC son los dos mecanismos b´asicos por medio de los cuales el cart´ılago es capaz de soportar cargas muy altas. El flujo de agua a trav´es del tejido y de la superficie articular favorece tambi´en el transporte de nutrientes, y proporciona una fuente de lubricaci´on para la articulaci´on. Son tres los tipos de cart´ılago seg´ un las fibras que se encuentran en la matriz, figura 3.2. El cart´ılago hialino, formado por fibras de col´ageno tipo II en su matriz, es el m´as abundante en el cuerpo humano y desempe˜ na muchas funciones diferentes. Se encuentra en los extremos articulares de los huesos largos, nariz, laringe, tr´aquea, bronquios y extremos ventrales de las costillas. El cart´ılago el´astico, contiene col´ageno tipo II y fibras el´asticas abundantes diseminadas por toda la matriz, por lo que es m´as flexible. Este se halla en la oreja, paredes

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Figura 3.2: Clasificaci´on de los cart´ılagos. Tomada de Gartner y Hiatt [28]. de conducto auditivo, trompa auditiva, epiglotis y en el cart´ılago cuneiforme de la laringe. El fibrocart´ılago posee fibras de col´ageno densas y gruesas de tipo I en su matriz, lo que le permite soportar fuerzas de tracci´on intensas. Se localiza en discos intervertebrales, discos articulares, s´ınfisis del pubis y en la inserci´on de algunos tendones.

3.2.1.

Propiedades mec´ anicas del cart´ılago

Las propiedades biomec´anicas del cart´ılago se comprenden mejor cuando se considera el tejido como un material bif´asico formado por una fase s´olida y una fase l´ıquida. La capacidad de carga de cada fase est´a determinada por el equilibrio de las fuerzas friccionales de arrastre con las fuerzas el´asticas en cada punto dentro del tejido. Por ejemplo, el flujo de l´ıquido a trav´es de una matriz s´olida altamente permeable originar´ıa poca fuerza friccional de arrastre de presurizaci´on del l´ıquido. Una carga compresiva que act´ ue sobre dicho material estar´ıa apoyada predominantemente por la tensi´on desarrollada dentro de la matriz s´olida. Por el contrario, el flujo de l´ıquido a trav´es de una matriz s´olida blanda con muy poca permeabilidad originar´ıa altas fuerzas friccionales de arrastre y requerir´ıa presiones hidrodin´amicas altas

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para mantener un flujo significativo. En este caso, la presi´on del l´ıquido es un componente significativo del soporte total de la carga, minimizando as´ı la carga que act´ ua sobre la matriz s´olida, tal es el caso del cart´ılago normal [20]. La permeabilidad en el cart´ılago disminuye en forma no lineal con la compresi´on [38]. Este efecto de permeabilidad dependiente de la deformaci´on sirve para regular la respuesta del cart´ılago a la compresi´on, evitando una exudaci´on r´apida y excesiva de l´ıquido del tejido con la carga compresiva y favoreciendo la presurizaci´on del l´ıquido intersticial para el soporte de carga [49].