Knochengewebe. Ursula Rathgeb Albertstrasse Zürich. urathgeb@gmx.ch. Mai 2004

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1 Albertstrasse Zürich urathgeb@gmx.ch Mai 2004 Inhaltsverzeichnis: 1. Funktion S Bestandteile des Knochens S Histologische Knochenstruktur S Osteone, Schaltlamellen, Generallamellen S Periost S Knochenzelltypen S Knochenbildung S Epiphyse als Zentrum des Längenwachstums S. 4

2 1. Funktion Knochen ist ein auf die Stütz- und Skelettfunktion spezialisiertes Bindegewebe. Es ist hochspezialisiert. Es ist an sämtlichen Bewegungen des Körpers beteiligt und schützt zudem wichtige Organe. Ausserdem hat Knochen eine metabolische Funktion. Es dient u.a. als Calciumspeicher (wichtiges Ion bei der Muskelkontraktion zum Beispiel). Ausserdem werden im Knochen Magnesium-, Phosphor -, Natrium- und andere Ionen gespeichert. Knochen besitzt sehr hohe Zug- und Druckfestigkeit und eine geringe Elastizität. Es ist ein dynamisches Material, das heisst, es hat einen hohen Stoffumsatz, ist gut durchblutet und wird ständig umgebaut. Der Knochenumsatz beträgt ca. 6-8% pro Jahr. Knochenbrüche heilen gut. Bei geringem Gebrauch des Bewegungsapparates bildet sich der Knochen zurück (Atrophie). Bis zum 20. Lebensjahr wachsen die Knochen, ab dem 30. Lebensjahr bilden sich die Knochen langsam zurück(spongiosadichte nimmt ab). Wenn der Verlust pro Jahr grösser als 1% ist, ist die Spätfolge eine Osteoporose. 2. Bestandteile des Knochens Die Zusammensetzung des Knochens besteht aus zwei Phasen, einer festen, mineralischen Phase und einer organischen Matrix, welche zu 90-95% aus Kollagen Typ 1 besteht. Dieses Material ist ideal, um mechanischen Belastungen standzuhalten. Die Knochenmatrix besteht aus: - 35% aus organischem Material (Kollagenfibrillen v.a. Typ 1, Knochenproteinen und Proteoglykanen) - 65% aus Knochenmineral (Calcium-Hydroxylapatit, ein Calcium-Phosphat-Komplex mit einem geringen Anteil sonstiger Mineralien) Da die Knochenmatrix verkalkt ist, verleiht sie dem Knochen hohe Zug- und Druckfestigkeit. Die besondere Zusammensetzung der Matrix aus Kollagenfibrillen und Knochenmineralien erlaubt auch eine erhebliche Torsions- und Biegbeanspruchung. 1

3 Kompakter Knochen erscheint makroskopisch als solide, feste Masse und ist in der Peripherie der einzelnen Knochen zu finden. Spongiöser Knochen besteht aus Knochenbälkchen (Trabekel) im Innern des Knochens. Zwischen den Trabekeln befindet sich Blut bildendes Gewebe oder Fettgewebe. Die Ausrichtung der Trabekel ist parallel zur grössten Druckbeanspruchung oder Biegbeanspruchung (proximales Femur, siehe Bild). Hiermit wird grosse mechanische Robustheit mit geringem Gewicht kombiniert. (aus Atlas der Anatomie des Menschen, Sobotta, 20. Auflage, S. 275) 3. Histologische Knochenstruktur In der Spongiosa und Kompakta ist die gleiche histologische Struktur zu finden, der Lamellenknochen. 3.1 Osteone, Schaltlamellen, Generallamellen Baueinheiten des reifen Knochens sind Knochenlamellen, die vor allem in der Kompakta feine Röhrensysteme (Osteone) bilden. Osteone sind unregelmässig begrenzte Baueinheiten, die in Längsrichtung des Knochens verlaufen und aus konzentrisch angeordneten Speziallamellen bestehen. Diese sind aus parallelen Spiralen von Kollagen Typ 1-Fibrillen aufgebaut. In benachbarten Lamellen verlaufen die Spiralen gegenläufig. Zwischen den Lamellen liegen die Osteozyten (siehe unten). In der Mitte der Osteone verläuft der Osteonkanal (Havers-Kanal) mit Blutgefässen. Zwischen den Osteonkanälen verlaufen die querverbindenden Volkmann-Kanäle. Ständiger Umbau der Osteone hinterlässt Osteon-Teilstücke, sog. Schaltlamellen, die den Raum zwischen den Osteonen wie mit Schotter auffüllen. An der äusseren und inneren Oberfläche der Kompakta können oberflächenparallele Grundlamellen auftreten. Kittlinien begrenzen Osteone und Schaltlamellen. Die Trabekel der Spongiosa bestehen auch aus Lamellen, die hier aber meist keine Osteone, sondern unregelmässig gestaltete Lamellen bilden. Ihre Reduzierung im Alter ist das Merkmal der Osteoporose. (aus Mensch, Körper, Krankheit, Arne Schäffler u. Sabine Schmid, 2. Auflage, S.50) 2

4 3.2 Periost Aussen werden Knochen vom Periost umgeben, einem speziellen Bindegewebe, welches in der Lage ist, neues Knochengewebe zu bilden. Es ist daher bei Knochenbrüchen besonders wichtig. Das ausgereifte Periost ist im Gegensatz zum Knorpelgewebe sehr blut- und lymphgefässreich und enthält viele Nervenfasern. Daher ist es auch sehr schmerzempfindlich. Die Binnenräume des Knochens sind mit Endost ausgekleidet, das ebenfalls eine osteogene Gewebsschicht ist. Das Endost kleidet auch die Havers-Kanäle aus. 3.3 Knochenzelltypen Osteoblasten sind die knochenmatrixbildenden Zellen wachsender und ausgereifter Knochen. Die von den Osteoblasten abgeschiedene Matrix wird Osteoid genannt und enthält kollagene Fibrillen (v.a.typ 1), Proteoglykane und andere Proteine (Wachstums-Faktoren unter anderem). Osteozyten sind morphologisch veränderte Osteoblasten, die im Osteoid eingemauert wurden. Sie stehen durch ihre zahlreichen Fortsätze mit benachbarten Osteozyten durch Nexus in Verbindung. Dies ermöglicht einen Stoffaustausch. Osteoklasten sind sehr grosse, sog. Fresszellen mit mehreren Kernen. Sie sind am lebenslangen Umbau des Knochens beteiligt. Sie saugen sich an der Knochenoberfläche an und produzieren durch H+-Abgabe ein saures Milieu, wodurch sie sich in den Knochen hineinfressen können. Osteoblasten kubisch, reich an bilden Osteoid(kollagene Fibrillen, RER Proteglykane und andere Proteine) Osteozyten Zahlreiche Stoffaustausch mit Osteoblasten und Osteoklasten Fortsätze Riesenzellen, mehrere Kerne benachbarten Osteozyten knochenabbauende Fresszellen, bilden saures Milieu 4. Knochenbildung (Ossifikation) Man unterscheidet die direkte oder desmale Verknöcherung und die indirekte oder chondrale Verknöcherung. Die desmale Ossifikation entsteht aus mesenchymalem Bindegewebe, wodurch Geflechtknochen(Faserknochen) entsteht, bei der chondralen Ossifikation wird hyaliner Knorpel durch Knochen ersetzt, wodurch der Lamellenknochen entsteht. Der Geflechtknochen kommt beim Menschen hauptsächlich während der Entwicklung und nach Knochenbrüchen vor. Er wird dann auch zu Lamellenknochen umgewandelt. Lamellenknochen hat gegenüber dem Geflechtknochen eine höhere Stabilität. 3

5 5. Epiphysenfuge als Zentrum des Längenwachstums An der Grenze zwischen Epiphyse und Diaphyse befindet sich der Epiphysenfugenknorpel, der für das Längenwachstum notwendig ist. Die Vorgänge der Knochenbildung finden in verschiedenen Zonen statt(siehe Bild). An die Zone des hyalinen Knorpels, die von der Knochenbildung nicht beteiligt ist (1), schliesst sich die Zone der Knorpelzellsäulen (2) an, die Wachstumszone. Hier kommt es zu einer Vermehrung der Knorpelzellen. Die nächste Schicht ist die Zone des grossblasigen Knorpels (Hypertrophiezone) (3), in der bereits Verkalkungen auftreten. Daran schliesst sich die Zone des Knorpelabbaus (4) an. Diese ist im Bereich der Metaphyse. In diesem Bereich werden die hypertrophen Zellen von Makrophagen aufgefressen. Osteoklasten sind in dieser Zone schon am Umbau des Knochens beteiligt und Osteoblasten lagern sich auf den entkalkten Intrazellulärsubstanz an, so dass erste Knochenbälkchen entstehen. Nach Abschluss des Knochenwachstums bleibt bei der Epiphysenfuge eine feine Linie sichtbar, die als Epiphysenfugennarbe bezeichnet wird. (aus Taschenatlas der Anatomie-Bewegungsapparat, W. Kahle, H. Leonhardt u. W. Platzer, 6. Auflage, S. 17) Für weiterführendes Studium siehe 4