L'esplosione di cellule che formano la cartilagine è associata alla mineralizzazione durante le prime fasi della formazione ossea, e i nanoframmenti delle membrane cellulari possono fungere da siti di nucleazione per il fosfato di calcio amorfo, come riportato in due studi appena pubblicati su Biologia Integrativa e Scienza e ingegneria dei biomateriali ASC .

La cartilagine ha una funzione di impalcatura molto importante per lo sviluppo delle ossa; durante l'ossificazione endocondrale, i condrociti, le cellule che formano la cartilagine, secernono proteine ​​della matrice e fattori di mineralizzazione che ottimizzano l'ambiente per la mineralizzazione. I meccanismi di formazione dell'osso non sono completamente chiariti, e la manipolazione della mineralizzazione è ancora impegnativa. Ottenere il controllo su questo processo è importante in quanto porterebbe a migliori tecniche di bioingegneria per la sintesi e la ricostruzione del tessuto cartilagineo, e per il controllo della formazione ossea.

Per comprendere meglio le fasi iniziali della formazione dei minerali, Il professor Takuya Matsumoto e l'assistente professore Emilio Satoshi Hara della Graduate School of Medicine dell'Università di Okayama, L'odontoiatria e le scienze farmaceutiche hanno studiato la formazione ossea nell'epifisi del femore (cioè, l'estremità arrotondata dell'osso) nei topi durante l'ossificazione secondaria nei primi giorni postnatali.

In un primo studio, i ricercatori hanno osservato che i condrociti scoppiano vicino all'area mineralizzata, che suggeriscono potrebbe essere un meccanismo di creazione dello spazio per l'espansione dei minerali. Lo spazio creato dopo lo scoppio della cella infatti corrisponde bene a quello poi occupato dai minerali alla fine del processo, come dimostrato dalle immagini time-lapse del processo di formazione ossea iniziale. Per dimostrare il legame tra l'esplosione e la formazione e l'espansione dei minerali, Il professor Matsumoto e colleghi hanno utilizzato stimoli esterni per indurre lo scoppio e manipolare la formazione del tessuto osseo. In particolare, due fattori esterni sono stati collegati all'innesco dello scoppio:la pressione meccanica e osmotica. Infatti, coltura ex-vivo dell'epifisi femorale in condizione ipotonica o sotto pressione meccanica con formazione di minerali potenziata, e le indagini in vivo sul ruolo della pressione meccanica hanno mostrato che una pressione ridotta sulle articolazioni determina una formazione ossea soppressa nell'epifisi del femore.

Nella ricerca presentata nel secondo paper, gli scienziati hanno utilizzato una varietà di tecniche per osservare i cambiamenti dinamici nel materiale organico e inorganico nella cartilagine in un modo specifico per tempo e stadio, confermando che le prime fasi della mineralizzazione si basano sull'attività dei condrociti. Un'attenta analisi dei nanoframmenti osservati in prossimità dell'area mineralizzata ha rivelato che si trattava di nanoframmenti di membrana di condrociti, e potrebbero essere i siti di nucleazione del fosfato di calcio amorfo, che poi si trasformava in cristalli di apatite. I fosfolipidi nei frammenti potrebbero fornire il fosfato necessario per questo processo. I ricercatori hanno anche sintetizzato nanoframmenti di cellule artificiali, e hanno dimostrato che promuovono la formazione di minerali in vitro.

Il controllo dello scoppio dei condrociti mediante stimoli esterni potrebbe portare a nuovi approcci alla cartilagine e all'ingegneria del tessuto osseo. Inoltre, perché i nanoframmenti della membrana cellulare forniscono siti di nucleazione per la formazione di minerali, questi potrebbero essere usati per manipolare la biomineralizzazione, come commentano gli autori:"la manipolazione del burst di condrociti con stimoli meccanochimici esterni potrebbe essere un approccio aggiuntivo per l'ingegneria della cartilagine e del tessuto osseo, " e "in futuro, materiali a base di frammenti di membrana cellulare possono anche essere sviluppati e applicati nell'ingegneria e nella rigenerazione del tessuto osseo".

Esistono due tipi di centri di ossificazione, primario e secondario. Il centro di ossificazione primario compare durante lo sviluppo prenatale, mentre il centro di ossificazione secondario compare durante gli anni postnatali e adolescenziali. Nelle ossa lunghe, il centro di ossificazione primario si verifica nella parte centrale dell'osso, il centro di ossificazione secondario alle estremità.

Due processi portano alla formazione del tessuto osseo:nell'ossificazione intramembranosa, l'osso viene deposto direttamente nel tessuto connettivo primitivo. Nell'ossificazione endocondrale, quello studiato nella ricerca qui discussa, la cartilagine funge da precursore, ed è progressivamente degradato e sostituito dall'osso.

Poiché questa ricerca rivela due modi per indurre l'esplosione dei condrociti (che a loro volta controllano la formazione ossea facendo spazio al tessuto mineralizzato), utilizzando la pressione meccanica e osmotica, apre la strada a nuovi metodi per ingegnerizzare il tessuto osseo. La scoperta del ruolo dei frammenti di membrana come centri di nucleazione per la formazione ossea fornisce una nuova strada per lo sviluppo di biomateriali per l'ingegneria e la rigenerazione del tessuto osseo. Entrambi i risultati aprono nuove opportunità per la bioingegneria del tessuto osseo.