Rigenerare organi

Lucas Massella è nato con la spina bifida, un difetto congenito per cui  il canale spinale della colonna vertebrale non si chiude correttamente in fase fetale.
All’età di dieci anni, nel 2001, era gravemente malato. Non poteva correre o giocare all’aperto con i suoi amici. Poteva a malapena andare a scuola. Nel caso di Lucas, il difetto  alla colonna vertebrale ha portato alla paralisi della vescica. Quando la vescica non funziona correttamente, l’urina può refluire verso i reni e danneggiarli e se i reni non funzionano le sostanze di rifiuto si accumulano e portando ad un danno renale che può essere letale. Nonostante 16 interventi chirurgici, i reni di Luca erano in grave pericolo. Stava perdendo peso e non era in grado di avere una vita normale. Le alternative erano poche: trapianto di rene o dialisi per tutta la vita. La famiglia di Lucas decide, quindi, di tentare un trapianto sperimentale, mai eseguito prima. Alcune cellule di Lucas vengono prelevate e messe in coltura e due mesi dopo una stampante 3D “stampa” una nuova vescica da trapiantare. L’intervento riesce perfettamente, salva i reni e riporta Lucas in salute tanto che diventerà il capitano della squadra di wrestling del suo liceo.

Il medico  che ha eseguito questo rivoluzionario intervento è il dott. Anthony Atala, direttore del Wake Forest Institute per la Medicina rigenerativa (WFIRM), a Winston-Salem, N.C.

 

Che cos’è la medicina rigenerativa?

La medicina rigenerativa è una branca della medicina che ha lo scopo di sostituire e rigenerare le cellule di tessuti o organi di pazienti che hanno subito una lesione o che hanno avuto una malattia che ha danneggiato in modo permanente i loro tessuti.  I ricercatori stanno scoprendo come coltivare alcuni di questi tessuti  a partire dalle cellule dei pazienti stessi, riducendo così la necessità di organi di donatori e l’uso a lungo termine di farmaci immunosoppressori. Il Wake Forest Institute per la medicina rigenerativa sta studiando tecniche per la crescita di tessuti sostitutivi e organi per più di 30 parti del corpo, tra cui pelle, vescica, fegato, reni e orecchie. La stampante 3D utilizzata per creare organi, come la vescica di Lucas, utilizza, come “inchiostro”, una soluzione di cellule in sospensione in un gel a base di acqua (idrogel). I tessuti e gli organi, prodotti a partire da uno stampo in materiale sintetico biodegradabile, sono composti da un reticolo di sottili canali attraverso cui acqua, ossigeno e sostanze nutritive possono raggiungere le cellule trattenute nel gel. Man mano che le cellule colonizzano la “protesi” biodegradabile, questa si dissolverà fino a scomparire completamente.

La storia di Lucas Massella e del Dott. Atala sono un Engage perfetto per le mie lezioni di istologia. Dopo aver visto i video discutiamo un po’:

  • Che cos’è l’istologia?
  • Da cosa sono composti gli organi?
  • Quali tipi di tessuto conoscete?
  • In che modo conoscere l’istologia può aiutare lo sviluppo della medicina rigenerativa?
  • Quali tipi di malattie e condizioni di salute possono trarre beneficio da questa tecnologia?
  • Quando potremo beneficiare di questa tecnologia?

L’argomento appassiona e cattura l’interesse dei ragazzi, per cui approfondisco la questione  ancora un po’  mostrando anche altre opzioni.

Ad esempio, invece di ricostruire un organo da zero è possibile partire da un organo decellularizzato. Per costruire un nuovo cuore, ad esempio, per prima cosa, grazie a particolari detergenti, si devono rimuovere tutte le cellule da un organo donatore (in questo caso di maiale) ottenendo così una sorta di impalcatura proteica che viene “seminata” con cellule che cresceranno grazie a fattori di crescita e a stimolazione meccanica fino a ricreare un nuovo organo completo. Il cuore di maiale prodotto con questa tecnica, però, è in grado di generare il battito cardiaco ma la forza generata dai tessuti è insufficiente per pompare sangue mentre la conduzione elettrica è ancora molto lenta (Le Scienze 19/08/2013).

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Ma ci sono altri esempi di maggiore successo. Nel 2010, a Londra, il chirurgo toracico dell’ospedale di Careggi Paolo Macchiarini, insieme a un equipe di medici inglesi, ha trapiantato con successo in un bambino di 10 anni una trachea umana che è stata decellularizzata e ricoperta con cellule staminali e respiratorie del paziente.

Se (beati voi!) disponete di un laboratorio ben attrezzato potreste mostrare il processo facendo decellularizzare un frammento di tessuto ai vostri ragazzi. Servono un tampone fosfato salino (PBS) e una soluzione di Sodio dodecil solfato (SDS)  al 10%. La decellularizzazione di organi interi richiede molti giorni per cui è più pratico utilizzare materiali più sottili come ad esempio una vena (si potrebbe chiedere ad un macellaio di fiducia). I tessuti vengono quindi lavati con la soluzione di SDS che si lascerà agire per circa tre giorni. Prima e dopo la decellularizzazione, gli studenti osserveranno il tessuto al microscopio.

Io non dispongo (ancora!) di queste sostanze ma ho letto che il sodio dodecil solfato (detto anche laurilsolfato di sodio o sodio laurilsolfato), è un tensioattivo utilizzato in molti prodotti come dentifrici, shampoo, schiuma da barba e bolle di sapone grazie al suo effetto schiumogeno per cui, in mancanza d’altro, varrebbe la pena di fare un tentativo anche con questi. Che ne dite? Avete suggerimenti?

A questo punto siamo pronti ad esplorare i tessuti. Solitamente non mi accontento di spiegare semplicemente la struttura e la funzione dei diversi tipi di tessuti. Estrapolate da un contesto concreto agli occhi dei ragazzi queste informazioni sono solo una lunga lista senza senso né utilità.  Quindi, dopo una introduzione teorica, i miei ragazzi imparano a studiarne le caratteristiche attraverso l’osservazione di preparati istologici al microscopio seguita da un’attività cooperativa di “riconoscimento” dei tessuti da immagini plastificate senza didascalia.

Osservare, disegnare e cercare di riconoscere il tessuto a partire dalle caratteristiche osservate non solo affina la loro capacità di compiere osservazioni ma porta una una più profonda comprensione anche delle strutture studiate. A casa, poi, rinforzo l’esercizio segnalando alcuni siti che offrono una vasta collezione di preparati.

In fase di interrogazione ripropongo sempre una delle immagini dei tessuto osservati in classe e chiedo loro di spiegarmi il processo che utilizzano per cercare di identificarlo. Può sembrare un tantino eccessivo, lo so, ma vi assicuro che i ragazzi riescono sempre a cavarsela, anzi si divertono perché tutti riconoscono sempre il “vetrino” proposto. E voi? Che cosa fate quando spiegate un po’ di istologia?

Atlanti di istologia virtuale:

Per ulteriori idee e approfondire la medicina rigenerativa: 

 

 

E la giraffa…va in scena

Fate un po’ di istologia con i vostri ragazzi?

La settimana scorsa, in quarta, ho finito gli argomenti di scienze della Terra previsti  dalla mia programmazione (terremoti e vulcani) e così ho cominciato a riguardare/riorganizzare i materiali di anatomia umana per le prossime lezioni. Essendo nata biologa (ma geologa d’adozione!), amo moltissimo questa parte del percorso didattico che inizierò con una riflessione sulla relazione tra le strutture e le funzioni dei tessuti animali.

Come bene sapete, è fondamentale che i ragazzi comprendano che gli adattamenti strutturali che esploreranno  nelle lezioni di anatomia sono stati modellati dalla selezione naturale e, poiché mi piace “animare” le lezioni attraverso forme diverse di  narrazione unirò parole e immagini per parlare di una delle evidenze più note a questo proposito: la lunghezza del nervo laringeo ricorrente della giraffa.

La narrazione partirà, quindi, dall’osservazione di una immagine che mostra il decorso e la lunghezza del nervo laringeo ricorrente in una giraffa, stimolata da una domanda: come potete osservare, anche se l’encefalo delle giraffe non è molto lontano dalla gola, i nervi della laringe percorrono molta strada per raggiungerla. Come mai?

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In effetti, i nervi che attraversano la laringe delle giraffe sono molto lunghi: partono dall’encefalo, si ripiegano a ”U” attorno all’aorta e raggiungono i muscoli della gola che permettono l’emissione dei suoni, il respiro e la deglutizione.

Per trovare una risposta a questa domanda leggeremo alcuni brani tratti dal libro di Richard DawkinsIl più grande spettacolo della Terra – perché Darwin aveva ragione“.

Nel corso dell’evoluzione dei mammiferi […] il collo si allungò (i pesci non hanno collo) e le branchie scomparvero; alcune  si trasformarono in cose utili come la tiroide, la paratiroide e vari altri componenti della laringe. Queste cose utili, tra cui le parti della laringe, ricevettero il proprio rifornimento di sangue e le connessioni nervose dai discendenti evolutivi dei vasi sanguigni e dei nervi che un tempo irroravano le branchie in sequenza ordinata. […]

Nell’uomo, la via presa dal nervo laringeo ricorrente compie una deviazione di una decina di centimetri. Ma in una giraffa è davvero paradossale, perché, in un adulto di grandi dimensioni, raggiunge  i quattro metri e mezzo!

Nel suo libro, Dawkins racconta che il giorno dopo il Darwin Day del 2009 (bicentenario della nascita di Darwin) ha passato l’intera giornata con un’équipe di anatomisti comparati e anatomopatologi veterinari del Royal Veterinary College, vicino Londra, i quali hanno sezionato una giraffa morta da poco allo zoo.

Il teatro anatomico era un vero teatro con una enorme parete di vetro che divideva il <<palcoscenico>> dalla platea gremita di studenti di veterinaria.

La giraffa era stesa su un grande tavolo con una zampa tenuta sospesa da un gancio e una carrucola e il lungo collo era illuminato dai fari di scena. Tutti gli “attori” sul palco indossavano una tuta arancione e scarpe bianche.

La deviazione del nervo laringeo ricorrente della giraffa era così lunga che diversi anatomopatologi hanno dovuto lavorare contemporaneamente per isolare tratti distinti del nervo (la laringe vicino alla testa, la ricorrenza vicino al cuore e tutte le stazioni intermedie).

Con pazienza, l’intero percorso del nervo laringeo è stato così individuato. Un’impresa simile sembra sia stata compiuta solo da Richard Owen, creazionista convinto, nel 1837, che però non riuscì a trarre le ovvie conclusioni da quanto osservato.

… tutta la storia della deviazione dimostra in maniera mirabile come le creature viventi siano lungi dall’essere ben progettate. E, per un evoluzionista, è importante chiedersi perché la selezione naturale non faccia quello che farebbe un ingegnere, ossia tornare al tavolo da disegno per organizzare le cose in maniera più razionale.[…]

Il caso del nervo laringeo si presta a una risposta in termini di <<costo marginale>>, come lo chiamano gli economisti. Quando il collo della giraffa si allungò lentamente nel corso del tempo evolutivo, il costo della deviazione, in termini di economia come in termini di <<balbuzie>> (della giraffa), aumentò gradualmente. […] Il costo marginale di ciascun millimetro di aumento era esiguo. Quando il collo della giraffa cominciò ad avvicinarsi all’attuale, impressionante lunghezza, il costo totale della deviazione si stava forse approssimando al punto in cui un individuo mutante sarebbe – in via ipotetica – sopravvissuto meglio se le fibre laringee discendenti si fossero separate dal vago e, con un piccolo salto, avessero colmato la breve distanza che le divideva dalla laringe. […]

Molto probabilmente la mutazione necessaria non sarebbe comunque mai avvenuta. Anche se fosse avvenuta, avrebbe potuto benissimo comportare svantaggi, com’è inevitabile in qualsiasi grande perturbamento di un processo complesso e delicato. […]

Anche se, nel caso la si fosse potuta realizzare, l’idea di un <<ritorno al tavolo da disegno>> sarebbe stata migliore, l’alternativa era un aumento molto piccolo rispetto alla deviazione esistente, con un costo marginale altrettanto piccolo. Più piccolo, ho l’impressione, del costo del <<grande sconvolgimento>> necessario a produrre la soluzione più elegante.

Parole e immagini, dicevo. Infatti, in rete, ho scovato questo piccolo gioiello:

Stupendo, no?

Inizia così il nostro viaggio verso lo studio dell’anatomia e della fisiologia umana. Prossima lezione: un po’ d’istologia. A proposito, non mi avete ancora risposto! Voi fate un po’ di istologia?

Il potenziale d’azione dei muscoli

Nuova puntata sul sistema muscolare. Ricordate? Il mio percorso per le classi quarte del liceo scientifico prevede un’attività cooperativa per esplorare l’anatomia di un sarcomero e fare anche un accenno alla fisiologia della contrazione che poi spiego in classe in modo più tradizionale. Quest’anno voglio spingermi un po’ più in là e questa settimana proporrò ai ragazzi anche un bel laboratorio virtuale sulla stimolazione muscolare.

Si tratta del Virtual Lab Muscle stimulation della Glencoe.

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Il laboratorio virtuale permette di svolgere un’investigazione per rispondere alla seguente domanda:

In che modo il valore soglia dello stimolo di un muscolo scheletrico viene influenzato dall’aumento del carico?

In questa investigazione i ragazzi esploreranno, quindi, la relazione tra carico e valore soglia dello stimolo di un muscolo. Determineranno il valore soglia dello stimolo per quattro diversi muscoli di rana (muscolo dell’arto anteriore o upper forelimb; muscolo dell’arto posteriore o lower forelimb; muscolo gastrocnemio del polpaccio o calf; muscolo sartorio dell’interno della coscia o thigh) con carichi variabili che vanno da 0 g a 80g.

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Un po’ di informazioni prima di cominciare

Cliccando sul pulsante Information i ragazzi troveranno informazioni utili allo svolgimento dell’investigazione.

Esistono tre tipi di tessuto muscolare: cardiaco, liscio e scheletrico.

I muscoli cardiaco e liscio sono detti involontari, perché le loro contrazioni non possono essere controllate in modo cosciente. Il muscolo cardiaco si trova solo nel cuore e si contrae circa 70 volte al minuto per pompare il sangue in tutto il sistema circolatorio del corpo. I muscoli lisci circondano molti organi interni, come la trachea, l’intestino e la vescica. I muscoli lisci si contraggono e si rilassano lentamente, esercitando, e rilasciando, una pressione sugli organi che circondano.

I muscoli scheletrici sono i muscoli utilizzati per il movimento. Sono chiamati muscoli volontari, perché le loro contrazioni sono controllate in modo cosciente. I muscoli scheletrici sono attaccati alle ossa da bande di tessuto connettivo chiamate tendini e lavorano in coppie antagoniste per muovere le ossa dello scheletro.

Il tessuto muscolare scheletrico è costituito da singole cellule muscolari cilindriche, dette fibre. Le singole fibre muscolari mostrano una risposta allo stimolo nervoso di tipo “tutto o nulla”, ossia la contrazione è avviata solo da uno stimolo superiore a un valore minimo chiamato valore soglia.

Se ad un muscolo scheletrico viene applicato un singolo stimolo elettrico rapido, il muscolo risponderà contraendosi e rilassandosi rapidamente. Questo tipo di contrazione rapida è chiamato scossa muscolare o muscle twitch.

La stimolazione elettrica minima (misurata in volt) necessaria per far contrarre un muscolo è nota come soglia di stimolazione muscolare  o threshold stimulation.

Questo valore varia nei diversi tipi di muscoli scheletrici e per uno stesso muscolo varia al variare del carico.

A differenza della singola fibra, l’intero muscolo non mostra una risposta di tipo “tutto o nulla” anche se esiste un valore soglia minimo necessario per avviare la sua contrazione. Ogni muscolo, infatti è formato da diverse unità motorie che rispondono allo stimolo in modo indipendente.

La forza della contrazione è determinata dal numero di singole fibre muscolari che rispondono allo stimolo e può, quindi, essere aumentata aumentando lo stimolo, ossia coinvolgendo più fibre muscolari. Quindi, l’intero muscolo si contrae quando un numero sufficiente di fibre muscolari si contrae in una sola volta.

Man mano che  il carico su un muscolo aumenta, questo ad un certo punto non sarà più in grado di contrarsi, indipendentemente da quanta stimolazione elettrica riceve. Questo è noto come punto di sovraccarico muscolare o point of muscle overload.

Molto di quanto sappiamo su come lavorano i muscoli scheletrici  è stato scoperto in laboratorio. L’esperimento classico modellizzato in questa investigazione prevede l’isolamento e la stimolazione di alcuni muscoli di rana per osservarne le risposte. Il muscolo isolato è attaccato ad un supporto ad anello collegato ad un oscilloscopio. Un elettrodo in grado di stimolare il muscolo è fissato al supporto e ha la punta poggiata sul tessuto muscolare. L’oscilloscopio è utilizzato sia per generare stimoli di diverse tensioni che per registrare la risposta del muscolo ad uno stimolo (contrazione), che viene indicata da un picco sulla traccia dell’oscilloscopio.

Per variare la quantità di carico sul muscolo vengono applicati piccoli pesi da laboratorio alla base del muscolo a cui è stato applicato un gancio. Per determinare la soglia della stimolazione del muscolo sotto un carico specifico,  vengono applicati stimoli sempre più forti tramite l’elettrodo di stimolazione fino a che  viene registrata una contrazione sulla traccia dell’oscilloscopio.

Procedura

  1. Una volta lette le informazioni introduttive i ragazzi devono seguire la procedura indicata. Come detto in precedenza si tratta di una modellizzazione per cui nella parte dedicata alla spiegazione del procedimento da seguire viene ricordato che se lo stesso esperimento venisse realizzato in laboratorio si dovrebbero tener presenti altri fattori che nel modello non vengono considerati, come la fatica muscolare (muscle fatigue), che modifica le singole contrazioni muscolari rallentando sia la fase di contrazione che quella di rilasciamento, e i tempi di recupero (recovery time).
  2. L’attività prevede l’uso di un oscilloscopio per esaminare l’effetto della variazione del carico (peso) sull’azione del muscolo scheletrico di una rana. Per cominciare si deve cliccare sul menu a tendina del pulsante “Muscle” e selezionare il tipo di muscolo che si vuole testare per primo. Assicurarsi che l’oscilloscopio sia settato su “0 V”(dove V sta per Volt) e cliccare sul bottone “Apply Stimulus”.  Durante la fase di applicazione dello stimolo si deve prestare molta attenzione al tracciato (trace readout) sullo schermo alla ricerca di un picco nella linea dritta che viene prodotta. Se non si osserva alcun picco, si deve aumentare lo stimolo di 0.5 volt (il voltaggio più alto successivo) usando la freccina rivolta verso l’alto sull’oscilloscopio  e poi si clicca nuovamente su “Apply Stimulus”.  Questa procedura deve essere ripetuta finché non si registra la produzione di un picco nel tracciato dell’oscilloscopio. Quindi, si clicca su “Data Table”  e si annota nella tabella il voltaggio che ha prodotto il picco nella casella “0 g”. Questo valore è la soglia di stimolazione muscolare  o threshold stimulation. NB:  se non si dovesse osservare alcun picco, assicurarsi di cliccare su “Apply Stimulus” almeno tre volte perché  il muscolo riceva lo stimolo in modo appropriato. aply stimulus.jpeg
  3. A questo punto si devono ripetere i passaggi precedenti utilizzando i diversi pesi. Per fare ciò, si trascina sul gancio attaccato al muscolo della rana  il peso da 5g e poi si procede nello stesso modo in cui si è testata la soglia di stimolazione muscolare al punto 2. Una volta individuato il voltaggio a cui si genera il picco, si ripete la procedura utilizzando anche gli altri quattro pesi (10-20-40-80 grammi) inserendo ogni volta i valori ottenuti nella tabella dei dati (Data Table).
  4. Quando si sono testati tutti pesi  per il tipo di muscolo selezionato, si ripete la procedura anche per gli altri tre tipi di muscolo rimanenti. Ricordarsi che, in caso di bisogno, si può sempre ricominciare cliccando sul pulsante “Reset”.
  5. Nel caso in cui non si generi alcun picco nemmeno con un voltaggio di 10 V, nella tabella si deve scrivere nessuno (none). Ciò significa che il peso applicato è troppo elevato perché il muscolo riesca a sollevarlo anche se gli viene fornito uno stimolo elettrico molto grande. Questo è il punto di sovraccarico muscolare o point of muscle overload.
  6. Una volta terminati tutti i test su ciascuno dei quattro muscoli, si clicca sul pulsante Journal e si risponde alle quattro domande proposte:
  • Sulla base dei dati sperimentali che avete raccolto, quale conclusioni potete trarre sulla relazione che c’è tra il peso applicato ad un muscolo e la sua soglia di stimolazione muscolare?
  • Perché la soglia di stimolazione muscolare dovrebbe modificarsi al variare del peso?
  • Quali muscoli sono stati in grado di contrarsi sotto il peso maggiore? Questo cosa vi suggerisce a proposito del ruolo che questi muscoli hanno nel movimento di una rana?
  • Descrivete un esperimento che potreste realizzare per determinare quali muscoli delle zampe di una rana  sono importanti per saltare lunghe distanze.
  • Infine, si clicca sul pulsante Submit, si inseriscono il nome e la mail dello studente, la nostra mail e si inviano le risposte alla nostra casella di posta elettronica.

Provatela anche voi e fatemi sapere com’è andata! 🙂

 

 

 

Andare al cuore del problema

Ricordate la “lezione fatta col cuore”? Per carattere non sono mai soddisfatta al cento per cento di ciò che faccio e quando riprendo in mano le “idee” dell’anno precedente la voglia di cambiare qualcosa è sempre troppo forte. In fondo tutto è perfettibile no?

Devo ammetterlo… non ho fatto solo qualche “piccola” modifica qua e là, ma ho inserito questa attività in un impianto del tutto nuovo e, lo confesso, ci ho lavorato davvero molto. Il mio più grande difetto (o forse uno tra i tanti…) è che lavoro a cose nuove con il treno già in corsa, tipo ci lavoro oggi ma devo farlo tra tre giorni!!!

A volte ci riesco senza troppi sforzi, altre volte, come in questo caso rimango letteralmente travolta dal mio stesso entusiasmo, mi insulto un po’ da sola per essermi cacciata in un nuovo guaio, ma poi non mollo perché so che come sempre ne varrà la pena. Okay, basta chiacchiere e veniamo al sodo.

Quest’anno sto cercando di trattare l’anatomia e la fisiologia in un modo più concreto e significativo. Vi ho già parlato altre volte del National Center For Case Study Teaching in Science (NCCSTS), vero? Qui potete trovare una miriade di interessanti casi di studio che potete usare tal quali (traducendoli in italiano o usandoli direttamente in inglese con i ragazzi più grandi) o semplificarli un po’. La cosa importante è con questo tipo di attività gli studenti possono esplorare fenomeni biologici, e non, attraverso casi di studio reali, che li incuriosiscono e coinvolgono anche a livello emozionale.

Curiosando tra le mille possibilità offerte ho trovato un caso non troppo difficile sull’apparato cardiocircolatorio e mi sono lanciata nell’impresa che voglio raccontarvi oggi.

Il caso di studio da cui sono partita, modificandolo un po’, è “The Heart of the Problem: From Heart Attack to Kidney Failure” di Kristine A. Garner e Brandy C. Ree del Department of Biological Sciences University of Arkansas – Fort Smith.

La didattica non trasmissima richiede molto più tempo del normale per cui ho adottato una metodologia flipped. Ho, quindi, realizzato un video introduttivo sulla fisiologia del cuore che i ragazzi hanno “studiato” il giorno prima dell’attività, accompagnandolo con la lettura autonoma di alcune pagine del libro di testo che trattavano gli stessi argomenti del video.

Il giorno dopo, in classe, ho iniziato distribuendo una scheda in cui viene descritto il seguente scenario

Parte I: emergenza

La Sig.ra Rossi entra in casa dalla porta d’ingresso dopo aver fatto la spesa e trova il marito riverso sul pavimento che respira a fatica e si stringe il petto. La moglie chiama subito il 118 e in pochi minuti il signor Rossi viene ricoverato in ospedale con dolori al petto e dispnea (sensazione di mancanza d’aria). Al momento del ricovero, i segni vitali del signor Rossi sono i seguenti:

Valori del Sig. Rossi Valori normali
Pressione sanguigna sistolica

(mm Hg)

90 120
Pressione sanguigna diastolica (mm Hg) 52 80
Temperatura corporea 37 36,5-37,2
Frequenza cardiaca

(battiti per minuto)

120, irregolare 60-80
Frequenza respiratoria

(respiri per minuto)

33, dispnoico (sensazione di mancanza d’aria) Da 12 a 20
Saturazione di ossigeno 89% 95-100%

Chiedo quindi ai ragazzi di lavorare in gruppo (2-4 studenti) per analizzare i dati a loro disposizione e cercare di capire quali valori sono nella norma e quali invece no. Chiedo anche di ipotizzare quali altri dati o esami potrebbero essere utili per capire cosa può essere successo ai signor Rossi. Discutiamo le risposte e passiamo alla seconda parte.

 

La signora Rossi è preoccupata perché il marito, che ha 72 anni, ha già una storia di problemi cardiaci. In ospedale, il paziente viene visitato e vengono eseguiti elettrocardiogramma ed ecocardiogramma. Quando finalmente il medico va a parlare con la signora Rossi, le notizie non sono buone: il marito ha avuto un attacco di cuore che gli ha causato una insufficienza valvolare. In pratica, un muscolo papillare che controlla una valvola del suo cuore è stato gravemente danneggiato e non funziona più.

In gruppo, i ragazzi, sulla base di quanto studiato autonomamente attraverso il video e il libro di testo, discutono e si confrontano rispondendo a queste domande:

1. Qual è lo scopo della circolazione sanguigna?

2. Descrivete il percorso del sangue attraverso il cuore dal suo ingresso nell’atrio destro del cuore all’aorta, specificando anche il suo passaggio attraverso tutte le camere e le valvole cardiache.

3. Qual è la funzione delle valvole del cuore?

4. Qual è la funzione dei muscoli papillari?

5. Quale valvola viene compromessa da un danno al muscolo papillare del ventricolo sinistro?

Gli ultimi dieci minuti discutiamo le risposte date dai vari gruppi e noto con piacere che per loro, fin qui, è tutto molto chiaro.

La lezione seguente, andiamo in laboratorio. Sei cuori di maiale ci aspettano per la dissezione. Dopo i primi momenti di “paura” la curiosità vince e i ragazzi lavorano entusiasti. Fotografano e filmano tutto perché la relazione dovrà essere in formato multimediale.

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A casa, gli studenti devono guardare un secondo video sulla fisiologia del cuore che servirà per affrontare le attività previste il giorno seguente.

La mattina dopo, in classe, proseguiamo con la lettura dello scenario.

Parte III – Coinvolgimento cardiovascolare

Il signor Rossi versa in gravi condizioni. Il suo muscolo papillare posteromediale è stato danneggiato dall’infarto miocardico e non è più in grado di mantenere chiusa la valvola. L’infarto gli ha, quindi, causato il prolasso della valvola mitrale. A causa della diminuzione della gittata cardiaca, il paziente lotta per la vita. Il mantenimento della gittata cardiaca è, infatti, necessario perché ci sia un adeguato flusso di sangue attraverso il corpo. Il medico parla con la moglie del signor Rossi e le spiega che suo marito ha avuto un infarto nella parte sinistra del cuore e che la sua pressione sanguigna sta lentamente ma costantemente diminuendo.

A questo punto i ragazzi, sempre lavorando in gruppo, devono affrontare i seguenti quesiti:

1. Cosa succede al flusso sanguigno a causa del prolasso della valvola mitralica?

2. Il prolasso della valvola mitralica aumenta, diminuisce o non modifica la gittata sistolica (la quantità di sangue che esce dal ventricolo ad ogni contrazione ventricolare)?

3. In che modo il prolasso mitralico diminuisce la gittata cardiaca (la quantità di sangue che esce dal cuore in un minuto)?

4. Spiega in che modo la gittata cardiaca determina la pressione del sangue.

5. Perché il cuore del Sig. Rossi batte più velocemente del normale?

Come il giorno precedente discutiamo insieme le risposte date alle domande.

Prima di affrontare la quarta parte dello scenario con un ppt spiego in classe i seguenti argomenti: struttura e funzione dei vasi sanguigni, fattori da cui dipende la pressione sanguigna, rischi legati all’ipertensione, controllo della distribuzione del sangue da parte del tessuto muscolare liscio, filtrazione e riassorbimento a livello dei capillari.  Siamo così pronti per proseguire con lo scenario.

Parte IV – Coinvolgimento polmonare

Il signor Rossi continua a peggiorare respirando sempre più a fatica. Il medico gli ausculta il torace e sente che il respiro è rapido e produce rantoli crepitanti. La grave insufficienza mitralica causata dall’infarto comporta un rigurgito di sangue dal ventricolo sinistro all’atrio e questo sta causando anche problemi respiratori. Ancora una volta, in gruppo, i ragazzi discutono e rispondono alle seguenti domande:

1. La parte sinistra del cuore da quale parte del corpo riceve sangue?

2. Se la valvola bicuspide (mitrale) non si chiude bene, la circolazione polmonare aumenta, diminuisce o rimane uguale?

3. La pressione del sangue a livello polmonare aumenta o diminuisce a seguito dell’insufficienza cardiaca sinistra? Perché?

4. Il cambiamento della pressione a livello polmonare causato dall’insufficienza cardiaca sinistra aumenta o diminuisce la filtrazione nei polmoni? Perché?

5. Perché il cambiamento della pressione sanguigna a livello polmonare ha prodotto i rantoli crepitanti?

6. Perché il signor Rossi respira più velocemente?

Discutiamo le risposte e terminiamo l’attività con l’ultima parte dello scenario.

Parte V- coinvolgimento renale e risoluzione

Il signor Rossi è in edema polmonare e viene subito iniziato il trattamento farmacologico per ridurlo. Il paziente però continua inesorabilmente a peggiorare. Controllando la sacca del catetere vescicale, il medico nota infatti che nonostante la somministrazione di diuretico per il trattamento dell’edema polmonare il paziente non ha quasi urinato. Chiama, quindi, la moglie e le dice che le condizioni del marito sono gravissime poiché è insorta anche un’ insufficienza renale. La moglie è disperata e il medico le spiega che anche i reni per funzionare dipendono dalla pressione sanguigna e che l’infarto ha causato anche l’insufficienza renale. Il paziente viene, quindi, inviato immediatamente in cardiochirurgia per un intervento di sostituzione valvolare. La signora Rossi angosciata aspetta per ore in sala d’attesa finché vede uscire il chirurgo dalla sala operatoria con il sorriso sulle labbra. “Suo marito è in terapia intensiva, l’intervento è riuscito. Presto starà bene!”. La signora sollevata scoppia in singhiozzi e abbraccia il medico.

Prima di chiudere chiedo ai ragazzi come pensano che cambieranno le funzioni vitali e le funzioni respiratorie e renali del signor Rossi dopo l’intervento di sostituzione valvolare.

Che ne pensate? I ragazzi, come sempre in questi casi, sono stati bravissimi.

Voi come trattate questo argomento? Avete altre idee per trattare l’anatomia e la fisiologia in modo non trasmissivo? Se vi va raccontatelo nei commenti!

Alla prossima ☺

Esplorare la contrazione muscolare

Terza e ultima “puntata” sul sistema scheletrico e muscolare.  Ancora una volta ho approfittato del metodo Pogil per esplorare l’anatomia di un sarcomero e fare anche un accenno alla fisiologia della contrazione che poi ho spiegato in classe in modo più tradizionale. Come vi ho già detto altre volte credo che questo sistema sia davvero efficace, soprattutto quando l’esplorazione diretta in laboratorio è difficile o, come in questo caso, impossibile. Questo metodo, infatti, costringe gli studenti a “vedere” cose che la semplice osservazione di una figura, anche se accompagnata dalla spiegazione dell’insegnante, non riesce a mostrare.

L’attività in questione è tradotta e adattata dal libro “Fifteen POGIL Activities for Introductory Anatomy and Physiology Courses” Di Murray Jensen, Anne Loyle e Allison Mattheis, che ho acquistato tempo fa direttamente dal sito del POGIL. Come per tutte le attività inquiry-based i ragazzi hanno lavorato utilizzando solo le loro preconoscenze e il ragionamento. Non hanno ricevuto alcuna spiegazione precedente nè potevano utilizzare il libro di testo o internet. L’attività è stata fatta in classe per garantire queste condizioni.

ANATOMIA DI UN SARCOMERO

Al microscopio, un muscolo scheletrico appare formato da migliaia di fibre muscolari disposte parallelamente tra loro. Una singola fibra muscolare è una cellula allungata, dotata di molti nuclei. Ciascuna fibra muscolare contiene al suo interno un fascio di miofibrille (myofibrils) formate da varie unità funzionali chiamate sarcomeri (sarcomere), costituiti da proteine contrattili, tra cui actina e miosina. Ciascun sarcomero è lungo approssimativamente 2m.

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I ragazzi hanno analizzato questa immagine e risposto ad alcune domande:

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  1. Nel disegno, indica lo spesso filamento orizzontale con il nome “filamento spesso”.
  2. Indica il filamento orizzontale più sottile con il nome “filamento sottile”.
  3. Quanti sarcomeri sono rappresentati in questo modello?
  4. Basandoti sulle tue osservazioni sulla posizione dei filamenti spessi e sottili, descrivi ciascuno dei seguenti:
  • banda A
  • banda I
  • zona H
  • linea Z
  • Linea M
  1. Descrivi in che cosa differiscono la zona H e la banda A.
  1. Secondo te, quanti sarcomeri ci sono in una cellula muscolare del tuo quadricipite?
  1. In un muscolo dell’occhio pensi che ce ne siano di più o di meno?

 

CONFRONTO TRA SARCOMERI RILASSATI E CONTRATTI

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  1. Nelle Figure 1 e 2, indica le bande A, le bande I e le zone H. Misura e annota in tabella la lunghezza (in mm) di queste strutture e lo spessore dei filamenti spessi e dei filamenti sottili:

1

  1. In gruppo discutete i dati inseriti nella tabella della domanda 8 e descrivete cosa accade ai filamenti spessi e sottili quando il muscolo si contrae.
  2. In gruppo, osservate le Figure 1 e 2 del Modello 2. Secondo voi perchè c’è un limite nella quantità di accorciamento che può verificarsi in un sarcomero durante la contrazione muscolare?

 

SEZIONE TRASVERSALE DI UN SARCOMERO

I disegni della figura sono sezioni trasversali di un sarcomero che mostrano i filamenti in posizioni diverse al suo interno.

1.png

Figura A                                       Figura B                                      Figura C

  1. Indica i filamenti spessi e sottili nelle Figure A, B e C.

 

  1. Nel diagramma sottoriportato ci sono tre sarcomeri.

1a. Nel primo sarcomero sulla sinistra, identifica la posizione della sezione trasversale della Figura A del Modello 3, disegna una linea verticale e indicala con una A.

b. Nel sarcomero centrale, identifica la posizione della sezione trasversale indicata dalla Figura B del Modello 3, disegna una linea verticale e indicala con una B.

c. Nel terzo sarcomero, a destra, identifica la posizione della sezione trasversale indicata dalla Figura C del Modello 3, disegna una linea verticale e indicala con una C.

  1. Quale delle figure (A, B o C) rappresenta una sezione trasversale della zona H?
  1. Quale delle figure (A, B o C) rappresenta una sezione trasversale della banda I?
  1. Quale delle figure (A, B o C) rappresenta una sezione trasversale della banda A?
  1. Nella figura sottoriportata, ombreggia con la matita l’area della banda A e identifica la posizione della banda I.

1

  1. Quando si osserva al microscopio un muscolo scheletrico, si possono vedere facilmente le striature chiare e scure della fibra muscolare. Sulla base delle ombreggiature nella figura soprariportata e in quella sotto, ipotizza da cosa sono formate le bande scure e chiare nella fibra muscolare osservata al microscopio.

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  1. Nella figura sopra indica la banda A, la banda I, la linea Z e un sarcomero.
  2.  Per spiegare la fisiologia della contrazione muscolare viene utilizzata la teoria dello scorrimento dei filamenti. Sulla base di quanto avete imparato in questa attività scrivete una descrizione di ciò che afferma la teoria dello scorrimento dei filamenti relativamente ai filamenti spessi e sottili.
  1. Secondo voi, come fanno i muscoli ad aumentare dimensioni?

 

A CASA

Ho dato da guardare il video di Jeffrey Siegel “What makes muscles grow? sul canale TED-ED e in classe, la lezione successiva, abbiamo messo a confronto le risposte date in classe alla domanda n.20 con quanto avevano appreso nel video.

Quindi, ho approfondito la spiegazione della fisiologia della contrazione muscolare. Nell’attività originale non è presente la versione per il docente con le risposte alla domande per cui se siete interessati a riproporre questa attività con le vostre classi scrivetemi e vi invierò la scheda. 🙂

LINK UTILI per animazioni e video:

L’omeostasi del calcio (EXPLORE/EXPLAIN)

Le attività sul sistema scheletrico continuano con una attività di EXPLORE/EXPLAIN adattata dal metodo POGIL. In un post precedente vi ho già raccontato che lavoro spesso con questo metodo, soprattutto quando l’esplorazione diretta per forza di cose non è possibile.

L’attività parte con uno scenario.

Paola è una studentessa universitaria che nel tempo libero gioca nel ruolo schiacciatrice nella squadra di pallavolo della sua università. Durante una partita, Paola cade e si fa male. Prova a rialzarsi ma il dolore è troppo forte e non riesce a reggersi in piedi per cui viene trasportata al pronto soccorso dove le viene riscontrata una frattura all’anca. Poiché Paola è giovane, il medico è preoccupato perché teme che questa frattura non sia dovuta alla caduta ma ad altre cause nascoste. Ordina, quindi, altri esami tra cui la densitometria ossea (MOC) e alcuni esami del sangue.

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1. Risultati degli esami

La MOC serve a misurare la densità minerale ossea, ossia la quantità di calcio e altri minerali (fosforo, fluoro, magnesio) che conferiscono all’osso durezza, rigidità e resistenza. La densità minerale ossea (BMD) viene misurata con la tecnica DXA (Dual X-ray Absorptiometry), usando cioè un tipo speciale di raggi-X a doppia energia (dual-energy X-ray). I risultati di una persona vengono analizzati per produrre quello che viene chiamato un T-score, un indice statistico che permette di valutare di quanto il valore in esame si differenzia da quello del campione di riferimento costituito da soggetti sani dello stesso sesso ed etnia, di età pari a 25-30 anni, esaminati, quindi, nel momento in cui si raggiunge il picco di massa ossea. In termini più precisi, il T-score è la differenza, espressa in numero di “deviazioni standard”, fra il valore individuale osservato e il valore medio della popolazione sana di riferimento. Valori di T-score compresi fra +1 e -1 indicano una mineralizzazione ossea nella norma. Secondo i criteri dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (originariamente riferiti alle donne in menopausa, ma oggi utilizzati per gli adulti di ambo i sessi), si parla di osteopenia quando il valore del T-score è inferiore a -1, e di osteoporosi quando il T-score è inferiore a -2.5. Valori negativi di T-score indicano, quindi, che la densità ossea di un determinato individuo si posiziona al di sotto la media. Al ridursi del T-score il rischio di fratture viene ad aumentare.

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 Il test sulla densità minerale ossea di Paola ha dato un T-score di -3,6.

1

Domande:

1. In gruppo, analizzate i T-scores. Sulla base di quanto avete letto, un valore negativo di T-score può essere considerato normale? Perché o perché no?

2. Il test sulla densità minerale ossea di Paola ha dato un T-score di -3,6. Per il medico cosa indica questo valore?

3. Analizzate i valori degli esami del sangue di Paola e indicate quali sono:

  1. valori normali:
  2. sopra i valori normali:
  3. sotto i valori normali:

4. Secondo voi quale può essere la relazione tra i livelli di ormone paratiroideo e il livello di calcio nel sangue?

2. Istologia del tessuto osseo

Il medico diagnostica a Paola l’osteoporosi

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5. Descrivete almeno due differenze tra la foto dell’osso spugnoso tipico (a sinistra nella foto) e le ossa di Paola (a destra nella foto).

6. Sulla base delle informazioni che avete raccolto finora scrivete una vostra definizione condivisa di osteoporosi.

7. Sulla base delle informazioni a vostra disposizione, secondo voi quale delle seguenti spiegazioni è la più corretta? Perché?

  1. La caduta di Paola ha provocato la frattura dell’anca.
  2. L’anca di Paola si è rotta e questo ha determinato la caduta.

3. La regolazione dei livelli di ormoni e calcio

Gli esami di Paola indicano una condizione chiamata iperparatiroidismo, che significa che le sue paratiroidi stanno producendo un eccesso di ormone paratiroideo (PTH). Il medico ha spiegato a Paola in che modo questa condizione è collegata alla frattura dell’anca e all’osteoporosi.

“Il calcio è necessario per svolgere molte funzioni importanti per il nostro organismo. È necessario per indurire le ossa che, a loro volta, costituiscono un magazzino di riserva del calcio per la trasmissione dei segnali nervosi, per il corretto funzionamento delle cellule muscolari e per la funzionalità cardiaca. L’ormone principale utilizzato per la regolazione dei livelli di calcio che circola nel nostro sangue è l’ormone paratiroideo, chiamato anche PTH. Nel collo, aderenti alla superficie posteriore della ghiandola tiroide, c’è un piccolo gruppo di ghiandole endocrine, chiamate paratiroidi. Le paratiroidi sono quattro, due superiori, situate dietro alla tiroide, e due inferiori. Le ghiandole paratiroidi rilevano i livelli di calcio nel sangue (la calcemia) e regolano la velocità di secrezione del PTH da parte delle cellule secretrici, dette cellule principali. Il PTH a sua volta aumenta il numero e l’attività degli osteoclasti, un tipo di cellula dell’osso che si occupa del riassorbimento osseo (processo normale dello sviluppo, della crescita, del mantenimento e della riparazione dell’osso), che degradano la matrice ossea extracellulare rilasciando calcio nel sangue.”

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8. In quali condizioni viene rilasciato l’ormone paratiroideo?

9. Utilizzando la descrizione del medico, completate la seguente tabella. 

1

10. Create un diagramma a feedback negativo che spieghi ciò che il dottore ha detto sul calcio nel sangue e nelle ossa, sapendo che:

– il recettore o sensore è la struttura del corpo che rileva i cambiamenti che avvengono in una condizione controllata e manda l’informazione, detta input, a un centro di controllo in forma di impulsi nervosi o segnali chimici;

– il centro di controllo, per esempio il cervello, è quello che stabilisce l’ambito di valori entro i quali dovrebbe essere mantenuta la condizione controllata, valuta l’input e invia comandi in uscita, detti output, in forma di impulsi nervosi o segnali chimici;

– l’effettore è la struttura del corpo che riceve l’output dal centro di controllo e produce una risposta; quasi tutti gli organi e i tessuti del corpo possono comportarsi da effettori;

– la risposta è quella che fa cambiare la condizione controllata.

11. I test ematici di Paola indicano una condizione chiamata iperparatiroidismo. Spiegate in che modo questa condizione contribuisce all’osteoporosi.

12. Senza usare altre fonti di informazione, create un elenco di fattori, escluso il paratiroidismo, che potrebbero portare a osteoporosi. Stabilite quali fattori sono sotto il controllo di una persona e quali no.

13. Ora rivedete le risposte inserite nella tabella consultando siti internet affidabili. Indicate i siti consultati. Evidenziate i fattori della vostra lista confermati dalla consultazione web e aggiungete eventuali altri fattori trovati.

14. Sempre affidandovi a siti internet affidabili spiegate perché solitamente l’osteoporosi colpisce prevalentemente persone di mezza età ed anziane e per lo più donne.

15. Il medico ha richiesto anche la valutazione della calcitonina nel sangue. Documentatevi e spiegate cos’è la calcitonina, dove viene prodotta e qual è il suo ruolo.

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Che ne dite? Volete provare questa attività con i vostri studenti? Scrivetemi e vi invierò le schede! 

Per saperne di più sul metodo POGIL:

EXPLORE: cosa accade quando viene applicata una forza improvvisa su un osso indebolito progressivamente?

Le attività sul sistema scheletrico proseguono con la fase di Explore. Come vi ho già raccontato altre volte, questa fase fornisce agli studenti la possibilità di familiarizzare con il modello oggetto di studio attraverso esperienze, spesso concrete, in cui possono utilizzare le loro preconoscenze per generare nuove idee, esplorare domande e progettare e/o condurre investigazioni.

L’investigazione di oggi è un adattamento  della attività “Bag of bones” della NASA.

Gli obiettivi di questa investigazione sono il saper identificare gli effetti della diminuzione della massa ossea e farsi un’idea del perché avere ossa in buona salute è importante sia nello spazio che sulla Terra.

Per l’investigazione servono: cereali tipo Palline Coco Pops, circa 128 grammi per gruppo (una confezione da 375 grammi è sufficiente per 3 gruppi);  5 bustine di plastica piccole tipo Ziplock per gruppo; pennarelli per etichettare le buste; un libro pesante per gruppo (es. dizionario).

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Per svolgere l’attività servono 60 minuti.

Prima di cominciare

State per investigare gli effetti della perdita di massa ossea attraverso un modello costruito con palline di cereali inserite all’interno di buste di plastica trasparente. Nel modello che costruirete la bustina di plastica trasparente rappresenta l’osso e le palline di cereali al suo interno rappresentano il calcio e le cellule che rendono l’osso resistente e robusto. Per simulare la perdita di massa ossea rimuoverete alcuni cereali dalle buste di plastica e vedrete cosa succede quando su questi modelli di ossa viene applicata una forza improvvisa.

Dividere la classe in gruppi di 4-5 ragazzi e distribuire cereali, bustine di plastica e scheda di lavoro. Far osservare le palline di cereali e far notare che alcune hanno dei buchi naturali, delle irregolarità, per cui è importante esaminarli bene prima di testarne la resistenza in modo da avere un punto di riferimento quando dovranno valutare gli effetti della forza che verrà esercitata. 

Al lavoro!

  • Usando il pennarello etichettate le bustine con i numeri 1-5.
  • La Busta 1 rappresenta un osso in salute sulla Terra. 
  • Riempite la Busta 1 con i cereali in modo che sia molto piena e che resti pochissima aria all’interno ma assicurandosi che possa chiudersi bene. Contate quante palline di cereali avete inserito nella busta, annotate il numero nella Tabella 1 e consideratelo come “valore normale di densità ossea”. Chiudete bene la bustina in modo che non si apra.
  • Per rappresentare un osso che ha perso massa come conseguenza di un volo spaziale o dell’invecchiamento, preparerete altre 4 “ossa” riempiendo altrettante buste con un numero  di palline inferiore rispetto a quello della Busta 1 secondo il seguente schema:

Busta 1: 0% di perdita ossea (osso normale)

Busta 2: 10% di perdita ossea (rimane il 90% della massa originale)

Busta 3: 20% di perdita ossea (rimane l’80% della massa originale)

Busta 4: 35% di perdita ossea (rimane il 65% della massa originale)

Busta 5: perdita ossea del 50% (rimane il 50% della massa originale)

  • Per calcolare la quantità di cereali da inserire nella Busta 2 dovrete calcolare il 90% del numero iniziale di palline calcolandolo in questo modo:

numero di palline nella busta 1 x 0.9 = quantità di cereali nella Busta 2

  • Riempite la Busta 2 con questa quantità. Questa busta rappresenterà un osso con una perdita di massa del 10%. Registrate la quantità di palline calcolata nella Tabella 1.

Tabella 1

  • Usando lo stesso sistema calcolate l’80%, il 65% e il 50% della densità normale dell’osso e riempite le Buste 34, e 5 con queste quantità di palline. Registrate le quantità calcolate nella Tabella 1.
  • Nel costruire ciascun osso assicuratevi di far uscire quanta più aria possibile dalla busta e di sigillarla bene. In caso contrario l’aria agirà da ammortizzatore e il test non funzionerà come dovrebbe.
  • Ora siete pronti per testare gli effetti di una forza improvvisa esercitata su un “osso normale” e su “ossa indebolite”.
  • Prima di cominciare riflettete

Cosa pensate possa accadere ad un osso, che in questo caso è rappresentato dal sacchetto con i cereali, quando viene applicata una forza improvvisa?

Secondo voi, il risultato cambierebbe se l’osso si indebolisse progressivamente?

  • Scrivete le vostre previsioni.
  • Ponete la Busta 1 su una superficie dura. Sollevate il libro pesante più in alto possibile e lasciatelo cadere sulla busta. Ricordate di usare la stessa quantità di forza anche sugli altri sacchetti. Il libro pesante rappresenta una forza che agisce improvvisamente come accade durante un salto o una caduta.  Capovolgete la busta e ripetete la procedura stando attenti a sollevare il libro alla stessa altezza di prima in modo che la forza dell’impatto rimanga costante.
  • Mantenendo sempre costante l’altezza, ripetete la procedura anche con le buste 2, 3, 4 e 5. 

Cosa è accaduto alle ossa?

  • Aprite le buste, contate il numero di palline di cereali rimaste intere in ciascuna e annotatelo nella Tabella 2. Ricordate che le palline di cereali che hanno sopra della polvere di cereali o hanno solo piccole rotture dovrebbero essere contate come integre.

 

  • Determinare la percentuale di massa ossea indebolita per ciascuna busta e annotate i dati in Tabella 2. Per calcolare questa percentuale sottraete a 100 la percentuale calcolata di osso integro:

100 – % di osso integro = % di osso indebolito

Tabella 2

  • Costruite un grafico con i dati ottenuti nell’investigazione che mostri la relazione tra la densità ossea e l’entità dei danni.

Analizzare i risultati

  1. Sulla base delle evidenze che avete raccolto, cosa accade quando la densità ossea (quantità di cereali) diminuisce?
  2. Ora immaginate che le vostre buste siano un osso reale. Se un osso vero fosse costruito come il modello usato cosa accadrebbe se una forza improvvisa (come ad esempio quella dovuta a un salto o una caduta) fosse applicata all’osso?
  3. I dati raccolti supportano la vostra previsione iniziale? Perché o perché no?
  4. Secondo voi cosa si potrebbe fare per prevenire la perdita di massa ossea? 

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La prossima volta vi racconterò come ho realizzato la fase di EXPLAIN e di ELABORATE utilizzando il metodo Pogil. Continua a leggere

ENGAGE: Perché gli astronauti in orbita devono allenarsi tutti i giorni?

Nuovo “esperimento” IBSE. La prossima settimana inizio il sistema scheletrico e muscolare in quarta. L’anatomia e la fisiologia non sono facili da affrontare con un approccio di inquiry diretto, almeno non a scuola, ma si può comunque sviluppare alcune delle abilità proprie dell’inquiry anche lavorando, ad esempio, sui modelli. Girando girando in rete sono riuscita a farmi venire qualche idea. Il mio percorso inizia, naturalmente, dalla fase di engage.

Il sistema muscolare-scheletrico permette al corpo umano di muoversi e di esercitare forze nell’ambiente. Mentre sulla Terra questo sistema deve sostenere il peso del corpo e le ossa sono sempre sotto carico a causa della forza di gravità, in assenza di peso tutto questo non succede. Quando gli astronauti sono in orbita il peso che il corpo deve sostenere è quasi uguale a zero, il sistema muscolo-scheletrico non viene quindi caricato e qualunque azione è poco faticosa. La conseguenza della permanenza in condizioni di microgravità (la totale assenza di gravità o gravità zero è una situazione solo teorica) è quindi la perdita di tessuto osseo e muscolare.

Struttura e funzione dell’osso

Il tessuto osseo è un tessuto dinamico che reagisce alla malattia e alle lesioni e si autoripara. L’osso ha sia una componente organica che inorganica. La componente organica è composta principalmente da collagene e di fibre elastiche. L’idrossiapatite è la componente inorganica ed è un minerale ricco di calcio che indurisce e rafforza il collagene. Insieme, le due componenti dell’osso creano una struttura scheletrica robusta ma flessibile.

Il corpo distrugge continuamente l’osso vecchio e lo sostituisce con tessuto nuovo. L’osso è formato da tre tipi di cellule: osteoblasti, osteociti e osteoclasti. Gli osteoblasti sono le cellule che depongono nuova matrice minerale sulla superficie dell’osso. Gli osteociti hanno un ruolo di mantenimento mentre gli osteoclasti, cellule con più nuclei, distruggono il tessuto osseo vecchio e sono in parte responsabili anche del rilascio del calcio nel sangue. In un individuo sano, sulla Terra, l’osso si forma alla stessa velocità con cui viene demolito, così non c’è mai una perdita complessiva di massa ossea. Questo processo si modifica mentre una persona invecchia o si trova in condizioni di microgravità per un periodo di tempo prolungato.

L’osso, ad eccezione delle zone dove collegate a legamenti, tendini o cartilagine, delle superfici articolari e dei fori nutritizi, è rivestito da una membrana di tessuto connettivo chiamata periostio. Le ossa lunghe, come ad esempio l’omero o il femore, sono costituite da una porzione centrale chiamata diafisi e due estremità ingrossate dette epifisi.

La parte più esterna dell’osso è costituita da osso compatto, chiamato così perché di consistenza densa. Nella diafisi l’osso compatto circonda una cavità attraversata da midollo osseo giallo, un tessuto costituito principalmente da grasso trasportato dal sangue e immagazzinato all’interno dell’osso.

La parte interna delle due epifisi, invece, è costituita da osso spugnoso, chiamato così perché di consistenza porosa, simile a quella di una spugna.

Le cavità dell’osso spugnoso contengono il midollo osseo rosso, un tessuto specializzato nella produzione delle cellule del sangue. Nei punti di contatto con altre ossa, le epifisi sono protette da cuscinetti di cartilagine.

L’osso è attraversato da vasi sanguigni (arterie e vene) che trasportano sostanze nutritive, ossigeno e ormoni regolatori e allo stesso tempo rimuovono i rifiuti.

I nervi corrono parallelamente ai vasi sanguigni e contribuiscono a regolare gli scambi di sostanze tra osso e sangue.

Sulla Terra, le ossa svolgono quattro funzioni principali:
– supporto meccanico:
 lo scheletro supporta i tessuti molli e il peso del corpo. Molte ossa possono anche agire da leve per i muscoli permettendo il movimento;

riserva di nutrienti essenziali: le ossa immagazzinano la maggior parte del calcio che ricevono dalla dieta. Il calcio è accumulato sotto forma di idrossiapatite. Il corpo mantiene costante la concentrazione del calcio assorbendolo dall’osso e rilasciandolo nel sangue. Questo livello costante di calcio nel sangue permette un appropriato funzionamento nervoso, muscolare ed endocrino, come anche altre attività cellulari (per esempio la coagulazione del sangue). Dal sangue, il calcio viene portato ai diversi organi e sistemi del corpo. Quando il corpo assorbe troppo calcio dalle ossa, lo scheletro può diventare sottile e debole. L’osso è anche una buona fonte di fosfato, idrogeno, potassio e magnesio. Come il calcio questi minerali vengono usati da vari sistemi del corpo per molti scopi;

produzione di sangue: oltre ai minerali essenziali, l’osso è anche il sito di immagazzinamento del midollo. Il midollo è importante per la formazione e lo sviluppo di globuli rossi, globuli bianchi e piastrine;

protezione: lo scheletro custodisce e protegge il cervello, la colonna vertebrale e i nervi. Molte ossa, specialmente le costole, proteggono gli organi interni.

Perdita ossea

Il rimodellamento della struttura ossea e/o la perdita di tessuto osseo durante un volo spaziale si verifica al ritmo dell’1-2% al mese e dopo sei mesi nello spazio i sintomi dell’osteoporosi degli astronauti sono simili a quelli riscontrati nelle donne anziane sulla Terra. Nel tempo, infatti, il calcio che normalmente è accumulato nelle ossa, viene mobilizzato e rilasciato nel sangue. La quantità di calcio trovato nel sangue degli astronauti durante le missioni spaziali è molto maggiore di quella sulla Terra e riflette la diminuzione della densità ossea. Questa diminuzione di densità, nota come osteoporosi da mancanza d’uso (simile a quella osservabile sulla Terra in caso di prolungata immobilità) indebolisce le ossa e le rende meno in grado di sostenere il peso del corpo e il movimento una volta tornati a Terra. In condizioni di microgravità le ossa portanti, come colonna vertebrale, bacino e arti inferiori, sono quelle maggiormente colpite e dopo una missione di sei mesi è stata riportata una perdita di massa ossea fino al 20%. Gli astronauti che ritornano da una missione nello spazio di lunga durata sono, quindi, a rischio di fratture e di conseguenza sono sottoposti ad attenzioni e cure specifiche. Gli astronauti ripristinano la maggior parte della loro massa ossea nei mesi seguenti il rientro dallo spazio, anche se non recuperano del tutto.

Il meccanismo esatto che causa la perdita di calcio in microgravità è ancora sconosciuto. Molti scienziati ritengono che la microgravità determini un aumento della velocità di distruzione del tessuto osseo rispetto a quella con cui l’osso viene invece deposto. Tuttavia, ancora non è noto cosa inneschi questo cambiamento di velocità. La ricerca sta lavorando su più fronti (livelli ormonali, dieta, esercizio fisico) per determinare la causa esatta dell’osteoporosi durante i voli spaziali e poterla così controllare o prevenire. L’osteoporosi degli astronauti, infatti, rappresenta uno dei maggiori ostacoli al progresso dei programmi spaziali, poiché sarebbe molto pericoloso esporli a permanenze molto lunghe in microgravità. Per andare e tornare da Marte, per esempio, attualmente ci vorrebbero circa sedici mesi e questo è un tempo sufficiente per causare gravi danni all’apparato osteo-articolare degli astronauti.

Perdita muscolare

L’atrofia muscolare deriva dalla mancanza di attività impegnative dal punto di vista fisico (camminare, salire le scale, sollevare oggetti…) e dalla mancanza di carico dei muscoli posturali. Nelle missioni brevi è stata osservata una perdita muscolare del 10-20 % e, se non vengono prese contromisure, questo potrebbe arrivare fino al 50% nelle missioni di lunga durata. Ciò potrebbe compromettere l’abilità degli astronauti di svolgere specifiche attività che richiedono sforzo fisico durante la missione (per esempio le attività extraveicolari) e dopo l’atterraggio (per esempio l’uscita in condizioni di emergenza). Tutto ciò porta anche fastidi: gli astronauti si sono lamentati spesso di dolore alla parte bassa della schiena, che sembra essere conseguenza dell’atrofia dei muscoli posturali.

Ricerca e sviluppo

La ricerca non si focalizza solo sulla comprensione del fenomeno e sullo studio delle modificazioni nella struttura ossea (EDOS), ma anche su soluzioni preventive e sulle procedure riabilitative. Gli astronauti, infatti, passano molto tempo esercitandosi per mantenere la salute di ossa e muscoli.  Vengono continuamente sviluppati nuovi metodi e sono stati realizzati specifici dispositivi per l’allenamento (FWED-PEMS) e il monitoraggio (MARES). Tutto ciò può avere un ritorno molto positivo sulle misure di prevenzione e trattamento di indicazioni simili sulla Terra.

Per fissare le idee:

Fonti consultate:

Una lezione fatta col cuore

Sarà capitato anche a voi di vedere gli occhi dei vostri studenti brillare per l’entusiasmo. Oggi è stato uno di quei giorni. Nelle ultime lezioni, in quarta, abbiamo fatto l’apparato cardiocircolatorio.

I ragazzi di questa classe sono particolarmente coinvolti e appassionati per cui abbiamo deciso di fare un’esplorazione diretta del cuore di maiale con l’obiettivo di riconoscere le parti anatomiche del cuore e i vasi ad esso collegati e cercare di ricostruire il percorso del sangue attraverso il cuore.

Grazie ad un’alunna (preziosa!!) ne abbiamo recuperati 5 e così tutti hanno potuto osservare bene e “toccare con mano”.

Il giorno prima ho preparato delle tavole anatomiche con immagini plastificate del cuore utili per l’osservazione esterna e in sezione in modo che i ragazzi avessero dei riferimenti durante l’osservazione. Come è facile immaginare, infatti, un conto è studiare l’anatomia del cuore su un’immagine del libro d testo e un altro è cercare di identificare dal vivo le varie strutture… non così automatico, ma nemmeno impossibile.

Cuore

Il pericardio parietale era già stato rimosso per cui non è stato possibile osservarlo. I ragazzi hanno, quindi, iniziato cercando innanzitutto di identificare quale fosse la parte ventrale e quale quella dorsale.

Osservare la superficie ventrale del cuore identificando le arterie

Per identificare quale sia la parte ventrale, si possono cercare due caratteristiche chiave: il grande tronco dell’arteria polmonare che parte dalla parte superiore del ventricolo destro e i lembi delle auricole che ricoprono la parte superiore degli atri. Inoltre, la parte anteriore del cuore è più curva, mentre il lato posteriore è molto più piatto.

Appoggiando, quindi, il cuore sul vassoio in modo da poter osservare la superficie ventrale la prima strutture facilmente identificabile è il solco interventricolare che passa sotto l’auricola destra. In questa posizione, le strutture che si trovano sull’animale a sinistra sono a destra e viceversa.

I ventricoli appaiono ruotati, per cui il ventricolo sinistro si trova dietro il ventricolo destro.

I ragazzi hanno quindi identificato l’atrio destro e l’atrio sinistro.

Le auricole sono due appendici rosate, localizzate anterosuperiormente, che corrispondono alla regione atriale.

Le arterie sono facilmente identificabili: una volta identificato il tronco polmonare, che raccoglie sangue deossigenato dal ventricolo destro portandolo ai polmoni, l’aorta si trova subito dietro.

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L’aorta trasporta sangue ossigenato proveniente dal ventricolo sinistro e si si dirama subito per dare origine al tronco brachio-cefalico, o arteria anonima, (che trasporta sangue all’arto superiore sinistro e alla testa) e all’arco aortico (che trasporta sangue all’arto superiore sinistro, alla testa e a tutto il resto del corpo).

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Dopo aver girato a sinistra dell’aorta per 4-5 cm il tronco polmonare si suddivide nei suoi due rami terminali: l’arteria polmonare destra e l’arteria polmonare sinistra.

Ho chiesto ai ragazzi di inserire un dito all’interno del tronco polmonare per vedere che si arriva nel ventricolo destro.

Inizialmente mi hanno guardata un po’ “disgustati”, per cui ho detto che avrebbero potuto utilizzare anche una bacchetta di vetro se non se la sentivano, ma poi l’amore per la scienza ha prevalso e nessuno si è sottratto alla prova.

Ripetendo l’esplorazione con l’aorta hanno visto che si arrivava nel ventricolo sinistro.

Ho detto loro di schiacciare il ventricolo sinistro per notare, al tatto, che il suo spessore è maggiore rispetto a quello del ventricolo destro.

Grazie al solco dell’arteria coronaria (anteriore discendente) si può vedere il confine tra i due ventricoli.

Osservare la superficie dorsale identificando le vene.

Siamo quindi passati all’osservazione della superficie dorsale del cuore.

Le due vene principali che entrano nel cuore si trovano nella parte posteriore.

Le condizioni dei cuori, purtroppo, non hanno permesso di osservare bene la vena cava superiore (sul lato destro del cuore in alto) e il foro delle vene polmonari (sul lato sinistro), vasi che portano il sangue ossigenato dai polmoni al cuore.

Inserendo, però, le dita in ciò che restava della vena cava superiore hanno verificato che si arriva nell’atrio destro, ma non hanno potuto identificare il collegamento con la vena cava inferiore.

Effettuare le incisioni

Una volta individuati i vasi abbiamo aperto il cuore per visualizzarne le camere interne.

La prima incisione è stata fatta lateralmente lungo il ventricolo destro (senza arrivare all’apice del cuore) che può essere identificato schiacciando il cuore, in quanto il miocardio della parte destra è molto meno rigido di quello del ventricolo sinistro. Questo taglio ha permesso di vedere la valvola tricuspide, che consente al sangue di scorrere dall’atrio destro al ventricolo destro, le corde tendinee della valvola (sembrano paracaduti) e i muscoli papillary a cui sono ancorate, il tratto ventricolare destro e la valvola polmonare. È stato possibile osservare anche lo spessore della parete muscolare del ventricolo destro.

La seconda incisione è stata effettuata nel ventricolo sinistro sempre lateralmente (senza arrivare all’apice del cuore). I ragazzi hanno eseguito un’incisione longitudinale che si estendeva dal basso verso l’alto del ventricolo sinistro per poi continuare fino all’atrio in modo da poter vedere l’intera parte sinistra del cuore. Anche in questo caso hanno potuto osservare lo spessore della parte muscolare dell’atrio sinistro (più spessa del destro).

cuoreSono state, quindi, individuate le cavità e le rispettive valvole.

Un’altra osservazione interessante e di effetto è stata fatta tagliando il ventricolo sinistro fin dentro all’aorta. È stato, infatti, possibile osservare la struttura interna dell’aorta e la presenza di tre tasche (valvole semilunari) che impediscono il reflusso del sangue quando il ventricolo è rilassato. Nelle due tasche laterali è stato possibile vedere anche le aperture che si collegano alle arterie coronaria destra e sinistra. In questo caso, il foro era troppo piccolo per l’esplorazione con le dita, ma inserendo una bacchetta di vetro in queste aperture hanno potuto verificare che questa ricompariva nel solco coronarico.

Invece del solito report scritto, ho chiesto ai ragazzi di fotografare e filmare quanto più potevano e poi creare delle tavole anatomiche fotografiche in cui inserire “etichette” in corrispondenza delle varie strutture identificate.

Sono stati 50 minuti di lavoro intenso e ricco di soddisfazioni. A volte basta davvero poco per una lezione che resterà impressa nella memoria davvero a lungo, non credete?

Se non l’avete mai fatto potete documentarvi con questo magnifico video: