Istologia - tessuti

Istologia

Che cos'è un tessuto?

Un tessuto è un insieme di cellule differenziate con caratteristiche biochimiche simili e specializzate per svolgere funzioni specifiche.

Livelli di organizzazione

• Organismo
• Apparato
• Organo
• Tessuto
• Cellula
• Organello
• Molecola
• Atomo

La materia vivente

La cellula è l'unità morfologica e fisiologica fondamentale degli organismi viventi vegetali ed animali, dei quali possiede tutte le proprietà: riproduzione, nutrimento, respirazione, accrescimento, capacità di sintesi, reattività agli stimoli, movimento. Le cellule degli organismi pluricellulari sono infatti capaci di vita autonoma anche una volta separate dall'organismo al quale appartengono. La sostanza vivente esiste a diversi livelli di organizzazione: le forme più semplici sono rappresentate dai virus, a queste seguono le cellule dei procarioti rappresentate dai batteri e da molte alghe; le forme più complesse sono le cellule tipiche degli eucarioti ai quali appartengono i protozoi ed i protofiti, veri e propri organismi unicellulari complessi e gli organismi pluricellulari, incluso l'uomo.

Le unità di misura di lunghezza usate in biologia sono il micrometro che equivale a 0,001mm. Un'altra unità di misura è l'angstrom che misura di lunghezza che veniva fino a poco tempo fa, usata in biologia, corrisponde a 0,1nm. Le unità di misura di peso usate sono il milligrammo, il microgrammo, il nanogrammo e il picogrammo. Altra unità di misura relativa alle molecole è la massa (o peso) molecolare è il Dalton (Da). 1Da è equivalente alla massa di idrogeno (H).

Il potere risolutivo è definito come la distanza minima alla quale due oggetti possono essere distinti. L'occhio umano non può distinguere due punti separati da meno di 100 micrometri. Impiegando il microscopio ottico il potere risolutivo sale a 0,2 micrometri e impiegando il microscopio elettronico a 0,4nm. C'è una differenza tra ingrandimento e potere risolutivo. L'ingrandimento non determina un aumento di risoluzione delle immagini (più ingrandisco, più l'immagine è sfocata). Il potere risolutivo dello strumento di osservazione determina il livello di dettaglio contenuto nell'immagine. Il limite di risoluzione nei microscopi è direttamente proporzionale alla lunghezza d'onda della fonte di energia utilizzata.

Le cellule

I batteri o procarioti rappresentano il livello più elementare di organizzazione cellulare. Dai batteri si passa agli eucarioti, che sono caratterizzati da una complessa struttura interna e dalla suddivisione del protoplasma in due compartimenti distinti separati dall'involucro nucleare: una porzione centrale denominata nucleo ed una parte periferica definita citoplasma che avvolge il nucleo ed è limitata dalla membrana plasmatica, che circoscrive in superficie la cellula. Gli eucarioti possono essere organismi unicellulari oppure organismi pluricellulari. Questi ultimi sono formati dall'associazione di molte cellule tra loro. Le varie cellule che compongono un organismo pluricellulare si specializzano per svolgere funzioni specifiche, cioè assumono determinate proprietà morfologiche e biochimiche che le rendono atte a svolgere le molteplici funzioni dell'organismo. Questa specializzazione morfologica e funzionale delle cellule prende il nome di differenziamento. Cellule con caratteri morfologici e funzionali simili si associano tra loro a costituire i tessuti.

Forme e dimensioni delle cellule

La forma varia nei diversi tipi cellulari. Alcune cellule, come ad esempio i leucociti e i macrofagi, presentano continui mutamenti di forma in rapporto alla loro attività funzionale. I diversi tessuti hanno ciascuno un'architettura caratteristica, finalizzata a svolgere in maniera ottimale le specifiche funzioni alle quali le cellule che li costituiscono sono delicate. La maggior parte delle cellule, quando siano sospese in un liquido assumono forma sferica o ovoidale per effetto della tensione superficiale. Le cellule dei vari tessuti solidi hanno spesso forma molto diversa da quella sferica, per effetto di diversi fattori tra i quali soprattutto la pressione reciproca esercitata dalle cellule contigue. Si possono avere così cellule piatte (o squamose), cubiche, cilindriche (o colonnari), poliedriche, fusiformi (forma allungata, con parte più grossa al centro). Una delle cellule più grandi è l'organismo unicellulare Amoeba proteus che ha una lunghezza di circa 1mm. Negli organismi pluricellulari la grandissima maggioranza delle cellule ha però mediamente dimensioni comprese tra 20 e 30 micrometri e quindi sono visibili solo al microscopio. Al di sopra si trovano le cellule uovo con un diametro di circa 150 micrometri, e al di sotto gli spermatozoi in cui la porzione più voluminosa è la testa con un diametro di 4-5 micrometri. Il volume delle cellule è approssimativamente costante per ciascun tipo cellulare nell'ambito della stessa specie o di specie affini ed è indipendente dalle dimensioni dell'organismo; la diversa dimensione degli organismi è dovuta al numero e non al volume delle cellule. L'aumento del numero di molecole di DNA presente nel nucleo (poliploidia e politenia) può determinare un aumento del volume cellulare.

Organizzazione generale della cellula

Le cellule degli organismi pluricellulari presentano un piano organizzativo comune. Il nucleo è situato di solito centralmente. È generalmente unico, tuttavia alcuni tipi cellulari sono polinucleati. Le dimensioni del nucleo sono variabili. Il nucleo è delimitato da un involucro membranoso, l'involucro nucleare, che lo separa e contiene una sostanza particolare molto colorabile detta cromatina ed uno o più organelli sferici denominati nucleoli che si differenziano dalla cromatina per alcune proprietà tintoriali e per la composizione chimica. La cromatina (eucromatina poco colorata; eterocromatina molto colorata) rappresenta lo strato interfasico dei cromosomi. I cromosomi sono visibili come singoli bastoncelli soltanto durante la divisione cellulare. Essi sono costanti per numero, forma e dimensioni in ciascuna specie. Contengono DNA. La cellula è circoscritta in superficie dalla membrana plasmatica che regola gli scambi con l'ambiente esterno. La membrana plasmatica che avvolge le cellule non si vede al microscopio, ma si vede tutta la parte del glicocalice che può essere più o meno abbondante e spesso e volentieri ha funzione nel determinare il ruolo delle cellule. Il glicocalice è essenziale nelle interazioni cellula-cellula o cellula-ambiente. Il citoplasma appare nella cellula vivente abbondante, scarso, con granuli, senza granuli, vacuolato (ovvero che contiene vacuoli, solitamente lipidi che non si colorano). Il citoplasma che al microscopio ottico appare omogeneo, mostra invece, al microscopio elettronico, la presenza di altri organuli di dimensioni submicroscopiche di grande importanza nelle funzioni cellulari: il reticolo endoplasmico, il complesso o apparato di Golgi, i ribosomi, i lisosomi, i microtubuli.

I corpi inclusi nel citoplasma possono essere classificati in tre categorie:

• Gli organuli che sono comuni a quasi tutte le cellule essendo deputati a svolgere le funzioni fondamentali della vita: il RE, i ribosomi, il complesso di Golgi, i mitocondri, i lisosomi, i centrioli, il fuso mitotico, i microtubuli
• Le strutture specifiche di alcuni tipi cellulari specializzate a svolgere funzioni particolari come le miofibrille sulle fibre muscolari striate che hanno funzione contrattile, le neurofibrille nelle cellule nervose
• Le inclusioni che sono depositi di sostanze di varia natura (proteine, grassi, carboidrati, cristalli vari, granuli di secreto) che non fanno parte integrante della sostanza vivente, ma costituiscono materiale nutritivo di riserva o di protezione o sostanze destinate ad essere secrete all'esterno della cellula

Lo strato periferico del citoplasma è spesso più denso della porzione più interna ed è privo di organuli. Alcune cellule sono dotate di particolari capacità di movimento in virtù delle quali possono spostarsi attivamente nell'ambiente. I principali tipi di movimento cellulare sono il movimento ameboide, il movimento ciliare e il movimento flagellare. Le strutture cellulari descritte hanno dimensioni molto diverse e quindi possono essere individuate soltanto attraverso l'impiego del tipo di microscopio adeguato. Alcune di esse come i mitocondri, i cromosomi, i nucleoli, i centrioli, possono essere distinte al microscopio ottico; molte altre, come i ribosomi, la membrana plasmatica, il RE, i miofilamenti delle miofibrille, i microtubuli e le vescicole sinaptiche nelle cellule nervose, possono essere risolte soltanto al microscopio elettronico. Alcune strutture cellulari di dimensioni microscopiche come i mitocondri, i nucleoli, i cromosomi delle cellule in mitosi, sono chiaramente individuabili con il microscopio ottico a contrasto di fase nella cellula vivente; altre invece, come la cromatina nucleare sono ben riconoscibili soltanto dopo procedimenti particolari che aumentano notevolmente il contrasto delle varie strutture cellulari per assorbimento differenziale della luce. Nell'economia della cellula, il citoplasma è la sede di tutte le funzioni connesse con la vita cellulare, mentre il nucleo, con i cromosomi, oltre a garantire la riproduzione, assolve il compito fondamentale di dirigere e controllare le attività citoplasmatiche, sulla base delle informazioni genetiche iscritte nel DNA dei cromosomi, ma anche di messaggi derivati dal citoplasma e dall'ambiente esterno.

La composizione chimica delle cellule

Dal punto di vista chimico, in aggiunta ad un'alta percentuale di acqua, l'analisi del citoplasma rivela la presenza di sostanze inorganiche ed organiche e di una quantità innumerevole di macromolecole complesse, dei loro costituenti e di prodotti di degradazione che nell'insieme formano il cosiddetto pool solubile. I componenti chimici della cellula possono essere classificati in componenti inorganici (acqua e ioni minerali) e componenti organici (proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi ed i costituenti o precursori ed i prodotti di degradazione di questi composti). Una cellula animale o vegetale è composta per il 75-85% di lipidi, per l'1-1,5% di acqua, per il 10-20% di proteine, per il 2-3% di acidi nucleici, per l'1% di carboidrati, per l'1-1,5% di materiale inorganico. Le proprietà strutturali e funzionali della cellula sono determinate dalle cosiddette macromolecole. Le macromolecole sono composti chimici di notevoli dimensioni formate dall'unione in numero variabile di unità molecolari relativamente semplici legate tra loro mediante legami covalenti. Le unità costitutive delle macromolecole sono chiamate monomeri e le macromolecole sono dette polimeri. Il processo di unione dei monomeri a formare il polimero è denominato polimerizzazione. Nella costituzione dei tessuti entra in gioco anche la cosiddetta sostanza intercellulare o matrice extracellulare che comprende, con notevoli variazioni da tessuto a tessuto, le stesse categorie di molecole da cui è formata la cellula, ad eccezione degli acidi nucleici che sono esclusivamente intracellulari. Proteine, lipidi, zuccheri e acidi nucleici, in un ambiente acquoso e in condizioni idonee, si aggregano a formare strutture sopramolecolari capaci di svolgere quelle funzioni molto complesse che sono alla base delle attività proprie della vita delle singole cellule e degli organismi pluricellulari.

Come si studiano cellule e tessuti

Le cellule e i tessuti possono essere studiati a diversi livelli: morfologico, biochimico e funzionale. L'analisi morfologica o strutturale si prefigge di conoscere la forma, le dimensioni, la distribuzione, i rapporti e in generale, l'organizzazione strutturale della cellula, delle sue parti e dei costituenti extracellulari. Essa si avvale dei microscopi. L'analisi biochimica e funzionale ha invece lo scopo di studiare la natura chimica e le modalità di funzionamento dei costituenti delle cellule e dei tessuti.

Lo studio morfologico dei tessuti

I metodi di osservazione morfologica o microscopica delle cellule e dei tessuti possono essere innanzitutto classificati in due ordini generali: i metodi per l'osservazione diretta di cellule e tessuti viventi ed i metodi per l'osservazione di preparati fissati e colorati. I primi danno un'immagine reale e dinamica delle cellule e dovrebbero essere in linea teorica preferiti ai secondi. Tuttavia, i metodi per l'osservazione di cellule e tessuti viventi presentano molte limitazioni, prima fra tutte il fatto che quando le cellule o frammenti di tessuto sono isolati dall'organismo di cui fanno parte non sopravvivono che per tempi brevi, eccetto quando sono coltivati in vitro, e frequentemente sono troppo spessi per permettere una buona visualizzazione al microscopio. La maggior parte della citologia e dell'istologia finalizzata alla diagnostica è quindi per necessità basata sull'esame di cellule e di tessuti che sono stati uccisi e conservati per mezzo della fissazione o del congelamento.

Il microscopio ottico

L'esame di materiale biologico al microscopio ottico è condizionato dai seguenti parametri: potere di risoluzione, ingrandimento e contrasto. Il potere di risoluzione di un microscopio è definito come la distanza minima alla quale due punti risultano distinti. Il potere di risoluzione dipende dalla lunghezza d'onda della luce e dall'apertura numerica della lente obiettivo del microscopio ed è definito dalla seguente formula 0,61λ/AN dove λ è la lunghezza d'onda della luce impiegata e AN l'apertura numerica. L'apertura numerica è definita da n senα, dove n è l'indice di rifrazione del mezzo e senα è il seno del semiangolo di apertura; quest'ultimo termine indica il massimo angolo utile al sistema per ricevere ed emettere luce.

L'ingrandimento è il rapporto tra la dimensione dell'immagine vista al microscopio e la dimensione reale dell'oggetto. Il potere di risoluzione massimo di un microscopio ottico di elevata apertura numerica è di 0,25 micrometri. Per la definizione, questo limite di risoluzione indica che due punti per poter essere distinti debbano trovarsi ad una distanza tra loro superiore a 0,25 micrometri. Il microscopio ottico è basato sul principio che un fascio di luce attraversa la struttura da studiare e l'immagine così ottenuta, passando per una serie di lenti, giunge ingrandita all'occhio dell'osservatore. Per ottenere questo risultato occorre che il materiale da studiare sia attraversabile dalla luce e non vi siano sovrapposizioni tra più cellule. Per evitare che l'immagine per trasparenza sia disturbata dalla sovrapposizione di più strati di cellule occorre effettuare delle fettine (sezioni) dei tessuti da osservare che presentino uno spessore (5-10 micrometri), tale da non superare le dimensioni di una singola cellula.

Il contrasto degli oggetti biologici osservati al microscopio dipende dalle differenze di assorbimento della luce (opacità). La maggioranza dei composti cellulari è essenzialmente trasparente nella regione dello spettro del visibile. Lo scarso assorbimento di luce nella cellula dipende in larga misura dal suo alto contenuto in acqua. Questa difficoltà può essere superata impiegando i coloranti istologici. Sono stati introdotti metodi e strumenti capaci di aumentare il potere di risoluzione del microscopio ottico e di compensare la trasparenza delle cellule non colorate mediante un aumento del contrasto. Tra i metodi per aumentare il contrasto, i più importanti sono la microscopia in contrasto di fase e la microscopia ad interferenza. Queste due tecniche sono basate sul fatto che, sebbene le strutture biologiche siano in gran parte trasparenti alla luce visibile, esse presentano piccole differenze nell'indice di rifrazione che determinano piccoli cambiamenti di fase nelle radiazioni trasmesse attraverso di esse. Nel microscopio a contrasto di fase, queste piccole differenze di fase possono essere amplificate e trasformate in cambiamenti di ampiezza (intensità). Le aree di un oggetto che hanno un indice di rifrazione leggermente diverso dall'ambiente circostante possono essere così facilmente distinte. La microscopia in contrasto di fase viene impiegata correntemente per l'osservazione di cellule e tessuti viventi. Il microscopio ad interferenza è fondato su principi simili a quelli del microscopio a contrasto di fase, ma presenta il vantaggio di fornire dati quantitativi sulla massa secca delle varie strutture cellulari, che è correlata con il loro indice di rifrazione.

Microscopia in campo oscuro

Un altro metodo per aumentare il contrasto nelle cellule viventi è la microscopia in campo oscuro. Questo metodo consiste nell'impiego di un ordinario microscopio ottico nel quale il comune condensatore a luce trasmessa è sostituito da un condensatore che illumina l'oggetto obliquamente. Con questo condensatore, le varie strutture cellulari appaiono brillanti, mentre il fondo rimane oscuro.

Microscopia a luce polarizzata

La microscopia a luce polarizzata viene impiegata per l'analisi di certe strutture cellulari cristalline o fibrose che presentano un elevato grado di orientamento molecolare. Gli oggetti con queste caratteristiche non trasmettono la luce con la stessa velocità in tutte le direzioni. Quando tali oggetti sono colpiti da un raggio di luce polarizzata in un piano, il raggio viene scisso in due raggi polarizzati in due piani perpendicolari tra loro (detti raggio ordinario e raggio straordinario) che si propagano con velocità diverse.