Struktur und Funktion des Knochens

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1 1 Struktur und Funktion des Knochens Dieter Felsenberg, Charité Universitätsmedizin Berlin, Freie Universität & Humboldt-Universität Berlin, Campus Benjamin Franklin, Zentrum Muskel- & Knochenforschung 1. Zusammensetzung des Knochengewebes Der Knochen besteht aus einem organischen (30%) und einem anorganischen Anteil (70%). Die organische Knochensubstanz wird zu 95% durch das Kollagen Typ I repräsentiert und zu 5% durch nichtkollagene Proteine. Kollagen wird nach dem Wolff schen Gesetz entlang biomechanischer Kraftlinien abgelagert und wird zeitlebens strukturell seiner Funktion angepasst. Das Osteoid (nicht mineralisiertes Kollagen) bildet das Kristallisationszentrum für den Knochen. Das Knochenkollagen besteht vorwiegend aus Kollagen Typ I, welches zu den Fibrillen formenden Kollagenen Klasse I (wie auch Kollagen Typ II, III, V und XI) gehört. Diese sind Produkte von insgesamt 8 verschiedenen Genen. Alle sind etwa gleich groß und bestehen aus einer nicht unterbrochenen Trippel-Helix von drei α- Ketten jede besteht aus ca Aminosäuren. Das Kollagen Typ I besteht aus einem Heterotrimer zweier pro-α1(i)- und einer pro-α2(i)-polypeptidkette. Diese Peptidketten sind strukturell ähnlich, aber genetisch sehr unterschiedlich. Das Kollagen Typ I kann eine sehr enge Spirale bilden, da jede dritte Aminosäure Glycin darstellt, die kleinste aller Aminosäuren, welches keine sperrigen Seitenketten aufweist. Das Kollagen Typ I ist charakterisiert durch die sich wiederholenden Tripletts GLY-X-Y, wobei auf das Glycin an der Stelle des X häufig Prolin folgt und Y häufig durch Hydroxyprolin eingenommen wird. Die einzelnen Stufen der Kollagensynthese sind äußerst kompliziert. Daher beschränken wir uns nur auf die wichtigsten Schritte. Nach dem Eintreten der Prä-Pro-α-ketten in die Zisternen des endoplasmatischen Retikulums erfolgt eine Hydroxylierung bestimmter Prolin- und Lysin-Reste. Dieser enzymatische Prozess benötigt Vitamin C, Fe 2+, O 2 und 2- Oxogluterat. Bei der anschließenden Glykolisierung erfolgt eine enzymatische Übertragung von Galaktose auf die Hydroxylysin-Reste vermittelt durch Galaktosyltransferase es entstehen Galaktosyl-Hydroxy-Lysyl-Reste. Später werden zwei pro-α1(i)-ketten und eine pro-α2(i)-kette über OH-Gruppenbindungen zur Trippel-Helix verknüpft. Dieses Prokollagen wird durch den Golgi-Apparat geschleust und seiner weiteren Bearbeitung zugeführt. Durch Pinozytose wird das

2 2 Prokollagen in den Extrazellulärraum transportiert, in dem durch Prokollagenpeptidasen-C und -N die terminalen Propeptide abgespalten werden. Daraufhin aggregieren die Kollagenmoleküle spontan zu Fibrillen, so dass die Enden um ¼ der Länge gegeneinander versetzt sind. Die intermolekulare Vernetzung der Ketten über Lysin- und Hydroxylysinresten erfolgt mittels Lysinoxidase und Kupfer unter Ausbildung von Crosslinks. Sobald die Kollagenmoleküle fertig gestellt sind und die Makromoleküle sich organisiert haben, kann die Mineralisation beginnen. Fest an das Kollagen Typ I und an das Hydroxylapatit gebunden ist das Osteonectin, welches das Kristallwachstum initiiert oder unterstützt. Es wird ausschließlich im Knochen und den Zähnen gefunden, nicht aber in den Sehnen. Bei erblichen Störungen der Kollagensynthese treten Krankheiten auf wie das Ehlers-Danlos-Syndrom, das Marfan-Syndrom oder die Osteogenesis imperfecta. Zu den erworbenen Kollagenstoffwechselstörungen gehören der Skorbut, die Keloidbildung, die Atherosklerose, die Lungenfibrose oder die Zirrhose. Die wichtigsten nichtkollagenen Proteine sind Osteokalzin, Osteonectin, Knochenproteoglykan, Sialoprotein, morphogenetisches Protein und Proteolipid. Sie sind, wie oben bereits dargestellt, für den Metabolismus des Knochengewebes und der Mineralisation der Matrix von großer Bedeutung. Die anorganische Substanz besteht zu 95% aus Knochen-Hydroxylapatit, welches auf Grund der hohen Konzentration an Karbonat keine reine Kristallform annimmt und damit leichter löslich und schneller für den Stoffwechsel verfügbar ist als das reine kristalline Hydroxylapatit. Die übrigen 5% werden aus Mg, Na, K, F und Cl Salzen gebildet. Unabhängig vom Entstehungsmechanismus (desmal oder enchondral) und seiner Organisationsform (Kompakta oder Spongiosa) weist der reife Lamellenknochen im gesamten Skelett die gleiche chemische Zusammensetzung und Materialeigenschaft auf. Zu den knochenspezifischen Zellen gehören die Osteoblasten, die Osteoklasten und die Osteocyten. Als echte Knochenzellen können allenfalls die Osteocyten bezeichnet werden, wobei die Osteoblasten und die Osteoklasten eher als Bauarbeiter und Stoffwechselträger funktionieren. Die Osteoblasten die Knochenbildner sind kleine einkernige Zellen, die das Osteoid bilden und die Mineralisation steuern. Sie stellen eine heterogene Zellfamilie dar, die von einer Stromazelllinie abstammen, aus denen sich auch Adipozyten, Retikulumzellen, Fibroblasten und Chondrozyten differenzieren [Owen 1985]. Zu

3 3 dieser Familie gehören die reifen Osteoblasten, die das Protein der Knochenmatrix synthetisieren, die Osteocyten, die in der Matrix begraben liegen und über ein Kanalsystem untereinander kommunizieren und die Lining-Zellen, die die Knochenoberfläche bedecken. Reife Osteoblasten sind kuboidale Zellen mit einem exzentrischen Kern und einem gut entwickelten endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Apparat. Die Osteoblasten synthetisieren das Protein der Knochenmatrix (Typ I Kollagen) sowie weitere Knochenproteine wie Osteokalzin, Osteonectin, Osteopontin und Sialoprotein. Sie sezernieren Wachstumsfaktoren wie TGFβ, BMP (Bone morphogenetic protein), PdGF (Platelet-derived growth factor) und IGF (Insulin-like growth factor), die in der Knochenmatrix gespeichert werden [Hauschka et al 1986]. Bei der Synthese setzen sie große Mengen an alkalischer Phosphatase (AP) frei, ein membrangebundenes Ektoenzym, das die Grundsubstanz auf die Mineralisation vorbereitet. Die Osteoblasten mineralisieren neu gebildete Knochenmatrix mittels APangereicherter Matrix-Vesikel, die vom Zytoplasma der Osteoblasten generiert werden. Mit zunehmendem Knochenanbau werden die Osteoblasten in den mineralisierten Knochen eingebaut und ca. 20% der Zellen wandeln sich um in die Osteocyten. Obwohl nur 1/5 der Osteoblasten in Osteocyten umgewandelt werden enthält der Knochen 10 Mal mehr Osteocyten als Osteoblasten. Die Osteocyten stellen ebenfalls sehr kleine Zellen dar, die in Lakunen eingebettet sind und durch zahlreiche Plasmaschläuche untereinander und mit den Zellen auf der Knochenoberfläche verbunden sind. Über dieses Netzwerk von Kanälen erfolgt der Transport von Stoffwechselprodukten und die interzelluläre Kommunikation. Die Bedeutung der TGFβ- und anderer Wachstumsfaktoren-Produktion durch die Osteocyten ist noch weitgehend ungeklärt. Verformungen des Knochens, die bei jeder Muskelkontraktion vorkommen, führen zur Streckungen oder Kompressionen der Plasmaschläuche und dies wiederum zur Veränderungen des Flusses der intrakanalikulären Flüssigkeit. Es wird angenommen, dass diese Flussveränderung unter anderem ein wichtiges Steuerungssignal für den Knochenumbau darstellt. Möglicherweise wird über diesen Mechanismus TGFβ sezerniert und an die Zellen auf der Knochenoberfläche abgegeben. Der Osteocyt ist somit nicht als toter Osteoblast anzusehen, sondern als eine wichtige Steuerungszelle des Knochens, deren Funktion in der Vergangenheit sicher unterschätzt wurde.

4 4 Die Osteoklasten sind spezifische und hoch spezialisierte Zellen aus der Monozyten- Makrophagen-Linie. Sie finden sich auf der endostalen Knochenoberfläche ebenso wie im Haver schen System und gelegentlich sogar auf der subperiostalen Oberfläche. Üblicherweise werden sie beim gesunden Knochen nicht angetroffen, wohl aber in Gebieten starker Knochenresorption wie in den Metaphysen der wachsenden Knochen oder auch in der Nachbarschaft von metastatischen Tumorzellen. Die Osteoklasten sind verhältnismäßig große, mehrkernige Zellen, die bei pathologischen Veränderungen des Knochens bis zu 100 Zellkerne und mehr (z.b. beim M. Paget) aufweisen können. Bei hämatologischen Tumorleiden ist die Kernzahl aber eher reduziert. Bei normaler Remodellingtätigkeit beim Gesunden finden wir allerdings üblicherweise Zellen mit unter 10 Kernen an. Die Mehrkernigkeit deutet auf die hohe Stoffwechselaktivität dieser Zelle hin. Die Osteoklasten sind reich an pleomorphen Mitochondrien und lysosomalen Enzymen, darunter auch die saure Phosphatase und besitzen an ihrer stoffwechselaktiven Unterseite eine spezialisierte Zellmembran, den Bürstensaum, der der Zelle eine große Kontaktfläche zur Knochenoberfläche verschafft. Der Osteoklast ist für die Knochenresorption verantwortlich und produziert während seiner resorptiven Aktivität die Howship schen Resorptionslakunen. Der Bürstensaum ist von einer klaren Zone umgeben, die frei von Organellen erscheint, aber tatsächlich Aktin-Filamente enthält, die die Zelle während des Resorptionsvorganges an der Knochenoberfläche verankert [Baron et al, 1983]. Das Verständnis zum molekularen Mechanismus der Knochenresorption ist in den letzten 15 Jahren deutlich gewachsen. Im Prinzip resorbieren die Osteoklasten den Knochen durch Bildung proteolytische Enzyme und Wasserstoffionen im Raum zwischen Knochenoberfläche und Bürstensaum. H + -Ionen werden in der Zelle durch das Enzym Carboanhydrase Typ II generiert und mittels einer Ionenpumpe über den Bürstensaum aus der Zelle transportiert [Blair et al 1989]. Die lysosomalen Enzyme (Metalloproteinase-1, Kathepsin K), die ebenfalls aus der Zelle transportiert werden finden dann das ideale Milieu für ihre proteolytische Aktivität. Insbesondere das Kathepsin K ist ein wichtiges Zielenzym für die Hemmung der proteolytischen Wirkung von Osteoklasten [Drake et al 1996, Bossard et al 1996]. Der Osteoklast ist eine mobile Zelle. Nach Bildung einer Resorptionslakune bewegt er sich über die Knochenoberfläche, um an einer anderen Stelle wiederum aktiv zu

5 5 werden. Während seiner Wanderung ist der Osteoklasten nicht resorptionsaktiv. Erst beim nächsten Stopp beginnt die Resorptionsaktivität von neuem. Der ruhende Osteoklast liegt in einem Bett von elliptischen, spindelförmigen Zellen, den Lining-Zellen. Die Lining-Zellen gehören zur Osteoblastenreihe und sind ruhende Osteoblasten. Wird der Knochen einem resorptionsaktivierendem Agens ausgesetzt, weichen zunächst diese Lining-Zellen auseinander und der Osteoklast nistet sich in diesem Gebiet ein, der Bürstensaum wird ausgebildet und die Resorption beginnt. Osteoklastenstimulierende Stoffe sind Zytokine wie Interleukin 1 und 6 (IL-1,IL-6), Tumornekrosefaktor α und β (TNFα, β), Parathormon (PTH), Transforming Growth Factor α (TGFα) und 1,25-dihydroxyvitamin D 3. Dabei muss beachtet werden, dass z.b. die Wirkung des letztgenannten Stoffs nicht osteoklastenspezifisch ist, indem die Fusion der Prä-Osteoklasten unterstützt wird, sondern auch die Fusion von Makrophagen zu Polykaryons [Roodman et al, 1985]. Die Zytokine werden vorwiegend über die Osteoblastenwirkung auf Monozyten und Stromazellen freigesetzt. Diese Zytokine sind für die Reifung der Osteoklasten aus den Vorläuferzellen verantwortlich. Inhibitoren der Osteoklastenaktivität sind unter anderem Calcitonin, Gamma-Interferon und TGFβ. Nach Abschluss der Resorptionsphase des Remodelling Prozesses unterliegt der Osteoklast einer morphologischen Apoptose. Die morphologischen Charakteristika der osteoklastären Apoptose sind das Zusammenlaufen des Kernchromatins, eine Dunkelfärbung des Zytoplasmas, der Verlust des Bürstensaums, das Ablösen von der mineralisierten Knochenmatrix und das Einstellen des Resorptionsvorganges. Die Apoptose wird eingeleitet durch resorptionshemmende Stoffe wie Östrogen, Bisphosphonate oder durch TGFβ [Hughes et al 1996]. Remodelling: Der Vorgang des Remodellings ist eines der Schlüssel-Phänomene in der Biologie der Knochenzellen. Das Wissen um den Kontrollmechanismus des Remodellingprozesses erklären nicht nur die lokalen Einflußparameter der Osteoblasten- und Osteoklastenfunktion, sondern auch wesentliches zur Pathophysiologie der Osteoporose. Der Knochen ist ständig einem Erneuerungsprozess unterworfen er wird durch die Aktivität und das Zusammenspiel der Osteoklasten und Osteoblasten auf der Spongiosaoberfläche und in den Haver schen Kanälen fortwährend auf- und abgebaut. Durch die ständigen Verformungen des Knochens treten Mikrofrakturen

6 6 auf, die immer wieder repariert werden müssen. Ebenso muss bei Änderung der Statik ein Umbau erfolgen, da sich nach dem Wolff schen Gesetz der Knochen an seine Funktion anpasst. Das Zusammenspiel zwischen Knochenaufbau und Knochenabbau wird gesteuert in der Bone Remodeling Unit (BRU) [Frost 1964]. Der gesamte Prozess des Ab- und Aufbaus dauert insgesamt 3-4 Monate, wobei der Abbau nur wenige Tage (< 2 Wochen) dauert, der Aufbau des Osteoids aber deutlich länger. 10 Tage nach kompletter Erstellung des Kollagengerüstes (nichtmineralisiert = Osteoid) beginnt der Mineralisierungsvorgang, der die längste Zeit beansprucht. Die einzelnen BRUs arbeiten örtlich und chronologisch weitgehend unabhängig voneinander. Diese Beobachtung lässt den Schluss zu, dass die Aktivierung der einzelnen BRUs durch vorwiegend lokale Reize ausgelöst wird. Der neu gebildete Knochen wird Bone Structural Unit (BSU) genannt [Frost 1964]. Zu Beginn steht die Aktivierung der Osteoklasten, deren genauer Mechanismus noch weitgehend unklar ist. Bekannt ist jedoch, dass die erste Phase der Resorption durch Interleukin 1 initiiert wird [Boyce et al 1989]. Nach der Resorption erfolgt die Phase der Reparatur, in der wahrscheinlich über Chemotaxie Osteoblastenvorläuferzellen angelockt werden und den Defekt wieder ausfüllen. Die Phase der Defektfüllung dauert ungefähr 3 Monate. 2. Struktur des Knochens Der erwachsene Knochen setzt sich histologisch aus zwei grundlegenden Knochenformen zusammen, die Kompakta (Kortikalis, 85% des gesamten Skeletts) und die Spongiosa (15%). Das Verhältnis Kortikalis- zu Spongiosaanteil variiert in den einzelnen Knochen zum Teil ganz erheblich. In der BWS ist der Spongiosaanteil 75%, in der LWS 66%, in der Radiusdia- und Metaphyse 5%, in der Radiusepiphyse 25%, im Trochanter 50% und im Schenkelhals 25%. Mit zunehmendem Alter nimmt die Knochenmasse ab. Dieser Abbau beginnt etwa mit dem 40. Lebensjahr. Bis zum 80. Lebensjahr ist ca. die Hälfte des gesamten Knochens abgebaut. Der stärkste Abbau erfolgt bei der Frau in den ersten Jahren nach der Menopause (letzte Regelblutung). In dieser Zeit wird etwa 35% des Knochens abgebaut. Dieser Vorgang ist unter dem Aspekt als physiologisch zu betrachten, als dass die jungen Mädchen unmittelbar nach der Menarche (erste Regelblutung) im Verhältnis zu ihrer Muskulatur mehr Knochen aufbauen (etwa 25%) als die Jungen.

7 7 Dieser Überschuss an Knochen muss als Reservoir für die Frau angesehen werden, damit während der Schwangerschaft und der Stillzeit, in der die Frau große Mengen an Kalzium dem Kind zur Verfügung stellen muss, keine knöchernen Defizite und Schäden (Osteoporose und Frakturen) entstehen. Diese Veränderung der Knochenempfindlichkeit gegenüber Verformungen wird höchstwahrscheinlich durch die beginnende Sexualhormonproduktion der Ovarien in der Pubertät eingeleitet und in der Postmenopause wieder zurückgestellt. Das mehr Knochen postmenopausal abgebaut wird, als ursprünglich pubertal zugelegt wurde liegt wohl daran, dass mit zunehmendem Alter auch die Muskelkraft nachlässt und die Verformungen der Knochen nicht mehr in dem gleichen Ausmaße erfolgen wie in den jugendlichen Jahren. Auf seiner Gelenkfläche ist der Knochen mit Hyalinknorpel überzogen, der der Reibung und der Relativbewegung besser standhält als der Knochen selbst. Der Knorpelüberzug setzt sich in die Gelenkhöhle fort und bildet dort die Membrana synovialis. Die Knochenaußenfläche wird vom Periost, der derben Knochenhaut überzogen. An der Innenfläche wird der Schaft des Röhrenknochens von Endost überzogen. Hier sitzen osteogene Zellen, die zum Beispiel bei der Frakturheilung eine wichtige Rolle spielen. Die strukturelle Grundeinheit der Kompakta (Kortikalis) ist das Osteon, bzw. das Haver sche System, ein ca. 0,25 x mm großes zylindrisches Gebilde. Es besteht aus dünnen Knochenlamellen (Haver schen Lamellen) und einem zentralen Kanal (Haver scher Kanal). In diesem Kanal liegen Blutgefäße und Nerven. Die seitlichen Verzweigungen der Haver schen Kanäle, die Volkmann schen Kanäle, verbinden die einzelnen Osteone untereinander. Zwischen den Lamellen liegen die Osteocyten eingebettet. Mit zunehmendem Breitenwachstum bzw. Strukturumbau entsprechend veränderter Kraftlinien, kommt es zum Knochenumbau (Remodelling). Der Knochenumbau erfolgt durch die oben beschriebenen knochenspezifischen Zellen an der peri- und endostalen Oberfläche ebenso entlang der Haver schen Kanäle. An der periostalen Fläche erfolgt das Breitenwachstum des Knochens, während endostal vorwiegend resorptive Vorgänge ablaufen, aber auch Knochenneubildung (durch Einfluss des Parathormons). Die Spongiosa finden wir vorwiegend in den Wirbelkörpern und an den Enden (Epiphyse) der Röhrenknochen. Sie stellt ein kompliziertes Netzwerk von Trabekeln

8 8 dar, die selbst aus Lamellenknochen bestehen. Der spongiöse Knochen macht ca. 20% des gesamten Knochenvolumens aus. Infolge der großen Flächenausdehnung der Spongiosa ist das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen allerdings 10mal so groß wie bei der Kompakta. In der Spongiosa ist der Knochenstoffwechsel ca. 8 Mal größer als in der Kompakta. Der Knochen wird in seiner Struktur im Wesentlichen durch die Muskulatur gesteuert. Wird Muskulatur abgebaut (Immobilisation, Schwerelosigkeit, Lähmung etc.) wird weniger Kraft in den Knochen eingeleitet und der Knochen erhält das Signal, dass Masse abgebaut werden kann und die Struktur entsprechend der veränderten Kraftlinien umgebaut werden muss. Wird durch ein spezifisches Muskeltraining die Muskelleistung erhöht, die konsekutiv zu stärkerer Verformung des Knochens führt, wird auch der Knochen die vorhandenen Strukturen stärken und Masse aufbauen. Dieser Zusammenhang wird bei der Therapie von Knochenerkrankungen leider immer noch zu wenig berücksichtigt. 3. Funktion des Knochens Dem Knochen kommt vorwiegend statische Funktion zu im Sinne eines Gelenkrahmens. Im Rahmen seiner Aufgabe als Calcium- und Phosphatdepot erfüllt der Knochen eine wichtige Funktion zur Kalziumhomöostase. Hier sind aber noch viele Fragen offen, insbesondere in der Schwangerschaft und in der Stillzeit. 99% des Kalziums und 80% des Phospats sind im Knochen gespeichert. Weiterhin stellt der Knochen einen wichtigen Speicher für essentielle Ionen dar wie Magnesium, Kalium und Carbonat. Der Knochen schützt auch vor der Entwicklung einer systemischen Azidose und unterstützt die Niere und den Respirationstrakt das Säure-Base-Gleichgewicht einzuhalten. Während der Knochenresorption wird Phosphat und Carbonat freigesetzt, welche ebenfalls der Pufferung dienen und der Entwicklung einer systemischen Azidose entgegenwirken. Zudem stellt der Knochen einen effektiven Schutz dar für verschiedene Organe wie das Gehirn oder die Lunge. 4. Veränderungen des Knochens bei der Osteoporose Bei der Osteoporose liegt eine verminderte Knochenmasse vor, die zu einer Veränderung der Knochenfestigkeit geführt hat. Die Einbuße der Festigkeit ist aber nicht allein auf den Masseverlust zurückzuführen, sondern auf die damit verbundene

9 9 Änderung der trabekulären Struktur oder der verbleibenden Dicke der Kortikalis in den Röhrenknochen oder im Schenkelhals. Der Knochenmasseverlust von ca. 2-3%/Jahr tritt vorwiegend postmenopausal auf im Zuge der verminderten Produktion an Östrogen und Gestagen in den Ovarien. Wesentlich für die Festigkeit des Knochens ist bei der Osteoporose nicht die Masse allein, sondern die Verteilung der Masse. Durch den Masseverlust kommt es im trabekulären Knochen vorwiegend zum Abbau der horizontal verlaufenden Trabekel. Mit Verlust dieser horizontalen Unterstützungen reduziert sich die so genannte Knicklast ganz erheblich, viel stärker, als dies durch den Knochenmasseverlust ausgedrückt wird. Der normale trabekuläre Knochen kann 30-40% an Masse verlieren, ehe es zu zunehmenden Unterbrechungen der Horizontalstrukturen kommt. Sind diese Strukturen aber erst einmal ausgedünnt, reicht ein geringer Masseverlust aus, um die Struktur zu zerstören die Festigkeit sinkt dann erheblich ab. Eine einmal unterbrochene Struktur kann mit den auf dem Markt befindlichen antiresorptiv wirkenden Medikamenten nicht mehr aufgebaut werden, es kann aber erfolgreich ein weiterer Strukturverlust verhindert werden. Die typische osteoporotische Fraktur ist die Sinterungsfraktur, dass heißt, die Trabekel knicken langsam ein, verdichten sich und werden weiter abgebaut. Im Röntgenbild entstehen die typischen Konkavitäts- oder Bikonkavitätsfrakturen. Die langsame Entwicklung der Deckplatteneinbrüche erklärt auch, warum nur 50% der Wirbelkörperfrakturen von den Patienten bemerkt werden. Erst mit der Zunahme weiterer Frakturen stellen sich dann z.t. ganz erhebliche Beschwerden ein.

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