Knochenbau und Knochenphysiologie

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1 Lehrstuhl für Physiologie TUM Weihenstephan SS 2010 Knochenbau und Knochenphysiologie Dr. Heike Kliem Lehrstuhl für Physiologie TUM Weihenstephan

2 Funktionen des Knochens Teil des Bewegungsapparates ( aufrechte Haltung, Mobilität ) mechanischer Schutz ( z. B. Gehirn, Lunge, Herz ) Überträger von Schallwellen: Gehörknöchelchen Speicher für Calcium Blutzellbildung: rotes Knochenmark

3 In Knochengewebe finden ständig Aufbau- und Abbauvorgänge statt! Vit. D Hormon

4 Der Aufbau des Knochens Knochen H 2 O 10 % anorganische Substanz 65 % organische Substanz 25 % Hydroxylapatit Ca 5 (PO 4 ) 3 OH : Calciumphosphat mit wechselnden Mengen Na, Mg Calciumcarbonat Magnesiumcarbonat Kollagenfasern 95 % Interzellulärsubstanz 5 %

5 Der Aufbau des Knochens außen: kompakte Schicht (Substantia compacta) innen: Bälkchenwerk (Substantia spongiosa) bildet den Markraum

6 Arten von Knochen Röhrenknochen (an den Extremitäten) Mittelstück Endstücke (Epiphyse), von Spongiosa erfüllt platte und breite Knochen (Schulterblatt, Rippen, Kopfknochen) zwei kompakte Knochentafeln geringe Mengen an Spongiosa kurze Knochen (Wirbelsäule, Fußwurzeln) Gestalt unregelmäßig, würfelförmig, zylindrisch, rundlich viel Spongiosa, von dünnem Knochenmantel umgeben Konfiguration ändert sich durch einwirkende Zug-, Druck-, Scherkräfte Verstärkung der Knochenwand vor allem im Mittelteil

7 Schema eines Röhrenknochens Spongiosa Compacta proximaler Gelenkknorpel proximale Epiphyse prox. Epiphysenfugenknorpel Cavum medullare (Markhöhle) Periost Spongiosa distaler Epiphysenfugenknorpel distale Epiphyse distaler Gelenkknorpel

8 Embryonalentwicklung Während der Embryonalentwicklung werden drei Keimblätter angelegt: 1. Ektoderm Haut, Nervensystem, Gastrointestinal Trakt, Sinnesepithelien (Ohr, Auge, Nase), u.a. 2. Mesoderm - mittleres Keimblatt Bindegewebe, Knorpel, Knochen, Muskulatur, Blutgefässe, Blutzellen u.a. 3. Entoderm Schilddrüse, Thymus, Leber, Pankreas, Atmungsorgane, u.a.

9 Knochenneubildung und Knochenabbau

10 Aufbau von Knochenzellen Osteoklast Golgi-Apparat Zellkern rauhes endoplasmatisches Reticulum Mitochondrien Ektoplasma Lysosom fingerförmige Zellausläufer Knochensubstanz Osteozytenfortsätze Osteozyt Zellkern Zytoplasma des Osteozyten

11 Arten des Knochengewebes Geflecht- oder Faserknochen verknöchertes Bindegewebe wenig anorganische Substanz, Matrix ohne erkennbare Ordnung Zwischenstufe bei chondraler (indirekter) Ossifikation während der Embryonalentwicklung angelegt nach der Geburt durch Lamellenknochen ersetzt in einigen Geweben bleibt er erhalten (knöchernes Labyrinth (Ohr) und Teile des Gehörganges) Lamellenknochen nach statischen Gesichtspunkten parallel und zentrisch geschichtet Osteon (Havers-System) als strukturelle Grundlage metabolisch aktives Kalzium-Depot

12 Mittelstück (Diaphyse) eines Röhrenknochens

13 Querschnitt durch ein Osteon Kittlinie (Kittfläche: Grenze des Osteons zu Nachbarosteonen und Schaltlamellen) Osteozytenfortsätze in Knochenkanälchen (Canaliculi ossei Havers-Kanal mit Blutgefäßen Osteozyten Speziallamellen Schaltlamellen µm Durchmesser mit 5-20 konzentrischen Knochenlamellen und einem zentralen Kanal

14 Querschnitt durch die Substantia compacta eines Röhrenknochens Schaltlamelle Volkmann-Kanal Havers-Gefäß Knochenkanälchen Kern eines Osteozyten Havers-Gefäß Knochenkanälchen Osteozyt Havers-Gefäß

15 Formen der Ossifikation Desmale oder direkte Ossifikation Vorläuferzellen Osteoblasten Mineralisation Osteozyten Auflösung durch Osteoklasten Bei flachen Knochen (Schlüsselbein, Schädelknochen) 1 prall gefüllte Kapillargefässe 2 Mesenchymale Zellen 3 4 Aggregate von Mesenchymzellen Osteoblasten 5 Osteoid (nicht mineralisiert) 6 desmaler Knochen (mineralisiert) 7 neuer Osteoidsaum

16 Formen der Ossifikation Enchondrale oder indirekte Ossifikation über Knorpel Chondroblasten wandeln sich in Osteoblasten um Chondroklasten lösen Knorpel auf bei Extremitätenknochen, Becken, Wirbelsäule

17 1. Knorpelmodell 2. Perichondraler Knochenmanschette 3. mineralisierte Knorpelmatrix 4. Sekundäres Ossifikationszentrum in Epiphyse 5. epiphysale Wachstumsfuge 6. knorpelige Proliferationszone 7. primäre Markhöhle 8. Blutgefässe 9. vordringende Blutgefässe 10. epiphyseale Blutgefässe 11. epiphyseale enchondrale Ossifikation 12. Epiphysenlinie 13. Anastomosen zw. Blutgefässen 14. Gelenkknorpel

18 Enchondrale Ossifikation

19 Störung der Ossifikation Chondrodystrophie Störung der enchondralen Ossifikation Verkürzung der langen Röhrenknochen Desmale Ossifikation ist ungestört wird autosomal-dominant vererbt

20 Heilungsvorgänge bei einer Knochenfraktur

21 Heilungsvorgänge bei einer Knochenfraktur Tag Hämatomkallus perifrakturelles Hämatom mit Gerinnungsvorgängen, "fibrinöse Verspannung" der Fragmente. Fraktur mobil Tag Wundleimkallus gelatinöse Masse mit Abbaustoffen (Autolysine); Einwanderung von Fibroblasten und Kapillaren in die Gerinnsel, Umwandlung des Hämatoms in unreifes Bindegewebe (Granulationsgewebe). Fraktur noch mobil; verschmälerter Bruchspalt durch verstärkten Muskeltonus ( Frakturkompression") Tag Granulationskallus Zelldifferenzierung mit Proliferation von Fibro-, Osteo- u. Chondroblasten sowie Osteoid, Chondroidmatrix. Fraktur "zieht an"

22 Heilungsvorgänge bei einer Knochenfraktur Tag provisorischer Kallus Osteoklastentätigkeit, Ersatz nekrotischen Knochens an den Fragmentstümpfen durch Resorption und Neubildung. Bildung einer Knochenmanschette zur Stabilisierung, Umwandlung von Kallus und Osteoid in verkalkte Knochentrabekel (enchondrale Ossifikation); Fraktur "federt", u. U. bewegungsstabil; Schwinden der Schmerzen Tag endgültiger Kallus Modellierung (v. a. durch Volumenabnahme) u. Konsolidierung der neu gebildeten Knochenmassen, Ersatz des Fasermarks durch Fettmark, Wiederherstellung der Markhöhle. Fraktur "fest" und belastungsstabil; röntg.: abgeschlossene Rekalzination ("knöcherne Heilung")

23 Knochenmark Blutbildungsorgan nur räumliche Beziehung zum Knochen entsteht aus eingewanderten Myeloblasten und Hämozytoblasten aus der Kambiumschicht des Periosts (Beinhaut) während des Wachstums Vermehrung der Blutzellen entsprechend dem Körperwachstum rotes Knochenmark füllt alle zur Verfügung stehenden Markräume bei ausgewachsenen Individuen nur Erhaltung der Zahl der Blutzellen rotes Knochenmark an den Endstücken der Röhrenknochen teilweise in Fettmark (ca. 50 %) umgewandelt, das vorwiegend Fettzellen enthält.

24 Entwicklung der Blutzellen

25 Reifung von Lymphozyten ( d. h. Erwerb antigenspezifischer Rezeptoren ) B-Zell-Reifung Vögel: Bursa fabricii Mensch und Maus: Knochenmark Rind: Peyersche Platten des Ileum Kaninchen: Blinddarm Reifung der T-Zellen Thymus

26 Calcium Homöostase Knochen dienen als Calciumspeicher Einbau durch Osteoblasten Freisetzung durch Osteoklasten Folgende Hormone regulieren diesen Stoffwechsel: Calcitonin (C-Zellen der Schilddrüse) Calcitriol (aus Vit. D 3 in der Niere) Parathormon (Nebenschilddrüse)

27 Bildung des D-Hormons UV-Licht 7-Dehydrocholesterin Cholekalziferol (Vitamin D 3 ) in der Nahrung Prävitamin D Cholekalziferol in der Haut Leber 25-OH-Cholekalziferol Niere 24, 25-(OH) 2 -Cholekalziferol (unwirksame Verbindung) 1, 25-(OH) 2 -Cholekalziferol = Calzitriol (wirksames D-Hormon)

28 Wesentliche Anpassungsmechanismen zur Aufrechterhaltung der Ca-Homöostase Hypocalcämie Hypercalcämie Nebenschilddrüse Niere Nebenschilddrüse Niere PTH Calcitriol PTH Calcitriol Schilddrüse Calcitonin Niere Ca- Exkretion Dünndarm Ca- Resorption Knochen Niere Ca-Mobilisation Ca- Exkretion Dünndarm Ca- Resorption Knochen Ca-Mobilisation Normocalcämie Normocalcämie

29 Störungen der Calcium Homöostase Hypocalcämische Gebärparese Rachitis, Osteomalazie Osteoporose

30 Hypocalcämische Gebärparese mit Festliegen einhergehende Regulationsstörung der Calciumhomöostase (kein Calciummangel!) der Kuh immer um den Geburtszeitpunkt auch bei anderen Spezies (u. a. Sau, Hund, Frau); teilweise mit Krämpfen als Leitsymptom

31 Hypocalcämische Gebärparese Mit Einsetzen der Laktation vervielfacht sich innerhalb weniger Tage der Calciumbedarf. ( Pickard et al., 1977 ) Ca-Bedarf a. p.: 5 8 g / Tag Ca in Kolostrum: bei 15 L Kolostrum: 2 g / L 30 g / Tag

32 Hypocalcämische Gebärparese Auch bei gesunden Kühen kommt es peripartal zu einer physiologischen Hypocalcämie. ( Tveit et al., 1991 ) Grundproblem ist die mit zunehmendem alimentären Angebot abnehmende Resorptionsrate von Calcium. ( Martz et al., 1999 )

33 Hypocalcämische Gebärparese Prophylaxe vor Auftreten der Gebärparese: einige Wochen vor der Geburt den Calciumgehalt im Futter senken vermehrte Bildung von Calcitriol aus Vit. D 3 gesteigerte Ca- Freisetzung aus dem Knochen Gesteigerte Ca- Resorption im Darm Einmalige Vit-D 3 Gabe kurz vor der Geburt

34 Wesentliche Anpassungsmechanismen zur Aufrechterhaltung der Ca-Homöostase Hypocalcämie Nebenschilddrüse PTH Niere Calcitriol Niere Ca- Exkretion Dünndarm Ca- Resorption Knochen Ca-Mobilisation Normocalcämie

35 Rachitis von Rachi- (= Rhachi) ( ) = Rückgrat englische Krankheit wichtigste Systemerkrankung des Knochens im Säuglingsund Kleinkindalter hervorgerufen durch Vitamin-D-Mangel

36 Rachitis Rachitische Kinder mit X- u- O-Beinen

37 Rachitis Rachitis-gefährdete Londoner Kinder (1938, mit ihren Müttern) bei der vorsorglichen Bestrahlung mit Höhensonnen. Der Spiegel, 51/1986

38 Osteomalazie Vitamin-D-Mangel im Erwachsenenalter vor 100 Jahren häufig, heute selten Kennzeichen: lange Beine, gestauchter Rumpf Deformationen des Beckens u. a. Probleme bei Geburten

39 Osteomalazie

40 Osteoporose mit Frakturen einhergehender Verlust bzw. eine Verminderung von Knochenmasse-, struktur und -funktion bedingt durch Östrogenmangel aber evt. auch bei Männern verringerte Aktivität der Osteoblasten und reduzierte Hemmung der Aktivität der Osteoklasten Knochen wird zunehmend porös ( Riede/Schäfer: Allgemeine und spezielle Pathologie, S )

41 Wechseljahre Menopause Die grafische Darstellung zeigt, in welchem Lebensabschnitt der Frau die Menopause normalerweise eintritt

42 Verhältnis von Östrogen zu Progesteron zwischen dem 45. und 55. Lebensjahr der Frau ( Raff M, Wechseljahre, Orac, 1994 )

43 Durch Östrogenmangel ist Osteoklastenaktivität erhöht vermehrter Abbau der Knochensubstanz ( Raff M, Wechseljahre, Orac, 1994 )

44 Progrediente Wirbelsäulenveränderungen bei Osteoporose 6-8 cm 9 cm Normales Skelett Knochensubstanzverlust und Kompressionsfrakturen der Brustwirbel Im Senium sitzen die Rippen schließlich dem Beckenkamm auf. Der nach unten auf die Baucheingeweide wirkende Druck wölbt die Bauchdecke vor

45 Progrediente Wirbelsäulenveränderungen bei Osteoporose

46 Veränderungen der Knochenmasse im Verlauf des Lebens Wachstum Entwicklung Atrophie Knochenmasse (arbiträre Einheiten) Mann Frau Lebensjahre Pubertät Epiphysenschluß Menopause

47 Knochenbrüche bei Frauen aufgrund von Osteoporose Alter (Jahre)

48 Calciumbedarf von Frauen ( Raff M, Wechseljahre, Orac, 1994 ) Alter mg Kalzium/d bis 6 Monate 36 6 Monate bis 1 Jahr bis 10 Jahre bis 18 Jahre 1200 Erwachsene vor dem Klimakterium 1000* nach dem Klimakterium ohne Östrogentherapie 1500* mit Östrogentherapie 1000* * Empfehlung der Osteoporosekonferenz der amerikanischen Gesundheitsdienste