Emopoiesi: formazione delle cellule del sangue e ruolo del midollo osseo

Le cellule circolanti nel sangue

Le cellule circolanti nel sangue con un'emivita limitata vengono prodotte continuamente dall'organismo e sono:

• Globuli rossi = hanno una vita relativamente lunga (120 giorni) per essere delle cellule anucleate (non in grado di far avvenire trascrizione genica) e sono molto abbondanti.
• Globuli bianchi = sono in quantitativo minore rispetto ai globuli rossi e vivono molto meno nel sangue (circa 2 giorni) in quanto o muoiono o migrano in periferia.

Midollo osseo

Il tessuto che produce globuli bianchi e rossi nell'adulto, detto midollo osseo, si trova tipicamente nelle ossa lunghe e in alcune ossa piatte.

Le caratteristiche tipiche del midollo osseo sono:

• Cellule rotonde
• Sinusoidi

Le cellule presentano una forma arrotondata in quanto il tessuto è solido ma le cellule non sono aderenti le une alle altre e quindi sono relativamente libere di muoversi.

I sinusoidi (S) sono degli spazi vascolari che presentano una parete sottile, tipica dei capillari, e discontinua per agevolare il passaggio delle cellule mature dal midollo osseo al flusso sanguigno. Questi vasi vengono chiamati sinusoidi per la loro forma sinusoidale che ha la funzione di rallentare il flusso e facilitare ulteriormente il passaggio delle cellule al sangue.

Le cellule che costituiscono questo tessuto sono molto eterogene anche dal punto di vista morfologico in quanto sono presenti in diverse fasi di maturazione.

I megacariociti (M) (identificativi del midollo osseo) sono cellule polinucleate che tendono a trovarsi in prossimità dei sinusoidi in modo che le loro protrusioni possano frammentarsi e dare origine alle piastrine (frammenti cellulari che possono aggregarsi e facilitare la coagulazione del sangue).

C A S M C E E S C S A La produzione delle diverse cellule richiede energia e per questo possiamo identificare delle cellule adipose (A) che hanno anche una funzione di sostegno al midollo osseo dato che sono presenti poche fibre collagene.Istologia#17 lezione - Prof. Naldini - Emopoiesi 1 Pag. 2 a 17

Architettura del tessuto e aggregati cellulari

L'architettura del tessuto sembra caotica ma possiamo trovare degli aggregati di cellule simili che provengono da un unico progenitore e che si stanno differenziando verso un unico destino. I destini possono essere:

• Mieloidi = cellule che diventeranno granulociti e monociti
• Eritroidi = cellule che diventeranno globuli rossi
• Linfoidi = cellule che diventeranno linfociti

Le diverse colonie si mischiano all'interno del tessuto che tendono a confondersi tra di loro.

Sono presenti parecchi macrofagi (fagociti professionisti) nel tessuto, prevalentemente dove vengono prodotti gli eritrociti. Questo è dovuto al fatto che gli eritrociti durante la loro maturazione perdono buona parte delle strutture interne, tra cui il nucleo, che vengono fagocitate dai macrofagi.

Osservazione del midollo osseo al microscopio

Osservando parte del midollo osseo con il microscopio a scansione riusciamo a distinguere meglio le varie strutture:

Mature red blood cell Proerythroblast Reticulocyte Parete discontinua del sinusoide Proplatelet shedding Endothe Dining Sinusoidal lumen Sinusoidal lumen Eosinophil Neutrophil Endothelial cell Orthochromatic erythroblasts Megakaryocyte Precursore di un globulo rosso, identificabile grazie all'assenza di organelli

È ben visibile il fatto che le cellule vicine alla parete (no matrice che le separa dalle cellule epiteliali della parete) del sinusoide sono quelle che si trovano negli ultimi stadi della maturazione e che quindi a breve saranno pronte per essere immesse nel circolo sanguigno.

Preparazione di vetrini e analisi del sangue

Dal punto di vista clinico vengono difficilmente creati vetrini con, ad esempio, ematossilina/eosina in quanto per crearlo dovremmo tagliare l'osso. Normalmente si aspira il midollo, detto sangue midollare, dato che le cellule sono abbastanza libere di muoversi. Con questo sangue midollare viene fatto uno striscio che porta alla formazione di un film sottile che viene immediatamente colorato.

Se si prende uno striscio di sangue periferico notiamo un'elevata quantità di eritrociti ed una bassa quantità di globuli bianchi, quindi c'è una maggiore componente anucleata. Nel midollo osseo, invece, è presente in quantità maggiore la componente nucleata rispetto a quella anucleata in quanto il tessuto è in continua proliferazione e una volta ottenute le cellule mature, tra cui quelle anucleate, queste vengono rilasciate all'interno del circolo sanguigno.

M2 -M MIstologia#17 lezione - Prof. Naldini - Emopoiesi 1 Pag. 3 a 17

Significato clinico delle cellule immature

Se lo striscio di sangue presenta numerose cellule non mature è un segno patologico, tipicamente di una leucemia, in quanto significa che le cellule nel midollo osseo stanno proliferando a dismisura e che devono essere immesse nel circolo sanguigno per carenza di spazio.

Caratteristiche delle cellule in base allo stato differenziativo

Le cellule in base al loro stato differenziativo presentano diverse caratteristiche e perciò presentano nomi diversi:

• Eritroblasto basofilo = cellula che sta proliferando per questo ha la terminazione blasto. Essa però ha già qualche segno del destino eritroide. Viene definito basofilo in quanto il citoplasma si colora con sostanze basiche: nel citoplasma si trovano ancora RNA, ribosomi e domina ancora la fase di sintesi proteica.
• Eritroblasto policromatofilo = il nucleolo non è più identificabile ma sono comunque presenti degli agglomerati di cromatina ben visibili. Il citoplasma presenta dei gruppi di poliribosomi occupati nella sintesi dell'emoglobina. In questo stadio la cellula ha sperso le sue capacità replicative.
• Eritroblasto ortocromatico = presentano un nucleo estremamente denso e hanno perso completamente la capacità replicativa.
• Reticolociti = nei preparati risultano identiche agli eritrociti e rimangono all'interno delle ossa per 1 o 2 giorni prima di essere rilasciati all'interno del sangue. Dopo 1 giorno in circolo i reticolociti maturi diventano eritrociti.
• Mieloblasto = presentano un nucleo rotondo con cromatina non condensata e nucleoli ben visibili. Con la progressione della maturazione il nucleo diventa frastagliato e successivamente segmentato. Un'altra caratteristica è che sono privi di granuli citoplasmatici.
• Promielocita = presenta un nucleo grande e rotondo con cromatina non condensata che inizia a diventare polilobato. Nel nucleo sono distinguibili 1 o più nucleoli. Il citoplasma è basico a causa dell'alata presenza del reticolo endoplasmatico ruvido. Inoltre, nel citoplasma iniziano a formarsi i granuli. Da esso potranno generarsi: Basophilic cytoplasm Nucleolus absent Hemoglobin Polyribosomes ALLalaahuse ahcent Hemoglobin (pink staining predominates) Gradual reduction in cell diameter and increasing nuclear condensation Eccentric Residual polyribosomes Cytoplasmic granules are absent Nucleoli are present Nuciooli and primary granules are present Neutrofili Eosinofili Basofili
• Mielociti = presentano un nucleo ovale o rotondo privo di nucleoli. Il citoplasma è basofilo in quanto presenta granuli primari. Questi sono gli ultimi della catena a poter effettuare la mitosi. Golg region Both primary and specific granules are seen Nucleoli are not presentPag. 4 a 17

Leucemia e maturazione cellulare

Nella leucemia le cellule proliferano ma ad un certo punto si fermano e vengono rilasciate nel sangue le cellule che non maturano più verso lo stato finale. In base allo stato in cui sono le cellule circolanti la leucemia prende un nome diverso.

Cellule staminali ematopoietiche

Le prime osservazioni sulla capacità rigenerativa del midollo osseo risalgono agli anni della Seconda guerra mondiale. L'uso delle bombe nucleari ha esposto delle persone a radiazioni ionizzanti, che in alcuni casi non erano in quantità sufficienti a causarne la morte ma hanno portato alla morte delle cellule staminali. Questi individui morivano nei giorni successivi a causa di infezioni gravi (mancanza di globuli bianchi) o di emorragie (mancanza di piastrine e globuli rossi).

Il midollo osseo di questi individui risultava svuotato (esaurimento midollare), in quanto le cellule proliferanti subivano danni al DNA che le portavano a morte. Anche la mucosa intestinale subiva gli stessi danni.

Questo stesso concetto viene usato nella cura dei tumori con le radiazioni ionizzanti e chemioterapia che portano ad un numero di danni al DNA elevato che causa la morte della cellula tumorale.

Esperimenti sulle cellule staminali

Due scienziati canadesi hanno pensato di estrarre da un topo sano le cellule midollari e di iniettarle in un topo precedentemente irradiato. Con l'infusione è stato possibile salvare il topo irradiato grazie alla rigenerazione, attraverso l'infusione delle cellule staminali, del midollo osseo.

Con questo esperimento si rendono conto che il numero non influisce sulla capacità rigenerativa in quanto la maggior parte delle cellule del midollo osseo non sono staminali e non hanno nessun ruolo nella rigenerazione di quest'ultimo. Le cellule progenitrici, infatti, non rigenerano il midollo osseo perché hanno una limitata capacità replicativa al cui termine muoiono.

Essi, a seguito di questo esperimento, osservano che oltre che nel midollo osseo, nei casi di grande deficit, compaiono dei micro-aggregati di cellule staminali ematopoietiche nella milza in grado di effettuare eritropoiesi. Questi aggregati derivano da un'unica cellula iniziatrice che successivamente si espande. Questa colonia presenta diversi tipi cellulari, perciò, ipotizzarono che fosse multipotente.

Per dimostrare che la cellula progenitrice dell'aggregato presente sulla milza fosse la stessa hanno irradiato con una dose non letale ma che causasse delle variazioni cromosomiche il topo donatore. Hanno così potuto constatare che le cellule dell'aggregato sulla milza presentavano la stessa mutazione.

Per dimostrare che la colonia sulla milza presentasse delle cellule staminali e non solo cellule progenitrici hanno iniettato queste cellule in un altro topo irradiato. Come risultato dell'esperimento hanno visto che il topo ha potuto ricreare il tessuto del midollo osseo. Ciò significa che la cellula fondatrice dell'aggregato sulla milza non solo era in grado di formare una progenie ma anche di automantenersi (definizione di cellula staminale).

Caratteristiche di una cellula staminale

Hanno quindi definito le caratteristiche di una cellula staminale:

• Automantenersi
• Clonogenicità = dare origine a una vasta progenie cellulare
• Multipotenza