Histologie. Bearbeitet von Renate Lüllmann-Rauch. überarbeitet Taschenbuch. 648 S. Paperback ISBN Format (B x L): 12,5 x 19 cm

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1 Histologie Bearbeitet von Renate Lüllmann-Rauch überarbeitet Taschenbuch. 64 S. Paperback ISBN Format (B x L): 12,5 x 19 cm Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als Millionen Produkte.

2 142 Binde- und Stçtzgewebe.4 Knochen Knochengewebe besteht aus verschiedenen Zelltypen (s.u.) und mineralisierter Extrazellulårmatrix (EZM), deren Hauptkomponenten Kollagenfibrillen und Hydroxylapatit-Kristalle sind. Chemische Zusammensetzung von Knochengewebe (in Gewicht-%): 45% Mineralien, 30% organisches Material, 25% Wasser. Hydroxylapatit besteht vorwiegend aus Calcium-, Phosphat- und Hydroxyl-Ionen. Aufgrund seiner besonderen EZM ist der Knochen biegefest (sowohl druck- als auch zugfest). Die Kollagenfibrillen sind im unreifen Knochengewebe geflechtartig verwoben (Geflechtknochen), im reifen Knochengewebe dagegen in histologisch erkennbaren Schichten (Lamellen) angeordnet (Lamellenknochen). Knochengewebe tritt in zwei makroskopisch unterschiedlichen Formen auf, als spongiæser (aus Knochenbålkchen = Trabekeln bestehender) und kompakter Knochen. Histologisch handelt es sich in beiden Fållen um Lamellenknochen. In den Spongiosa-Bålkchen sind die Lamellen flåchig geschichtet, in der Kompakta zu zahlreichen konzentrischen Lamellensystemen angeordnet (Osteone, Havers-Systeme). Die Zellen des Knochengewebes sind Osteoblasten (Knochenbildner), Osteozyten (ehemalige Osteoblasten, die eingemauert wurden) sowie Osteoklasten ( Knochenzerstærer ). Knochengewebe befindet sich zeitlebens im Umbau, dafçr sind Osteoklasten und Osteoblasten verantwortlich. Alle inneren Knochenoberflåchen sind von Endost bedeckt; dieses besteht aus Osteoblasten-Vorstufen, Osteoblasten und -klasten. Außen ist der Knochen (mit Ausnahme der Gelenkflåchen) von Periost (Knochenhaut) çberzogen. Die Entstehung der Knochen wåhrend der Ontogenese kann von zwei unterschiedlichen Vorlåufergeweben ihren Ausgang nehmen: (a) Differenzierung von Mesenchym zu Knochengewebe (desmale Osteogenese); (b) Umbau eines aus Knorpel bestehenden Modells zu Knochen (chondrale Osteogenese). Im Folgenden werden zunåchst das Bauprinzip von Geflecht- und Lamellenknochen, die Zellen des Knochens sowie die Mechanismen des Knochenumbaus beschrieben. Die Knochenentwicklung, insbesondere die chondrale Osteogenese, ist ein kompliziertes Kapitel, das zum Schluss besprochen wird. Methodische Vorbemerkungen. Knochengewebe wird çblicherweise vor der Einbettung entkalkt (Extraktion von Calcium durch Såuren oder Chelatbildner); dadurch bekommt Knochen eine Konsistenz wie Radiergummi und kann mit der çblichen histologischen Technik bearbeitet werden. Die Pråparation von nicht-entkalktem Knochengewebe fçr die histologische und ultrastrukturelle Untersuchung ist technisch aufwåndiger. Der Verlauf der Kollagenfibrillen, die lichtmikroskopisch nicht direkt sichtbar sind, kann durch Polarisationsmikroskopie ermittelt werden (S. 59).

3 .4 Knochen 143 proximal Epi Meta Dia Epi a WF Meta WF Dia b Abb.. 19 a Makroskopische Regionen eines Ræhrenknochens am Beispiel der proximalen Tibia von zwei Ratten (Alter 3 und 13 Wochen). Gezeichnet nach Ræntgenbildern, nur die åußeren Umrisse der strahlendichten Anteile sind dargestellt. Epi-, Meta- und Diaphyse. WF, Wachstumsfuge. Die Mitte der beiden çbereinander projizierten Knochen liegt am rechten Bildrand. Pfeil: Richtung des Långenwachstums. b Spongiosa im Kærper eines menschlichen Brustwirbels. Ausrichtung der Trabekel in Form eines trajektoriellen Fachwerks. Aufnahme: B. Tillmann, Anat. Inst., Kiel. Vergr. 3fach(a), 4,5fach (b). Makroskopie. An den langen Knochen kænnen Diaphyse (Schaft) und Epiphysen unterschieden werden (Abb..19). Im wachsenden Knochen sind Dia- und Epiphyse durch die knorpelige Wachstumsplatte ( Wachstumsfuge ) getrennt. Die Metaphyse ist die trichterfærmige Erweiterung des Schaftes in unmittelbarer Nachbarschaft zur Wachstumsplatte. An einem Knochen sind makroskopisch zwei Bauformen zu unterscheiden: Spongiosa und Kompakta. Die Spongiosa ist ein Gitterwerk aus dçnnen Platten und Bålkchen (Trabekel) im Inneren des Knochens. Die Spongiosa-Architektur ist stets so organisiert, dass die Trabekel nur auf Druck oder Zug beansprucht werden (trajektorielle Ausrichtung). Die Maschen zwischen den Trabekeln sind mit Knochenmark (S. 273) gefçllt. Die Kompakta stellt die homogen erscheinende Rindenschicht (Corticalis) eines Knochens dar. In den großen Ræhrenknochen kann die Kompakta bis zu 10 mm dick sein (z.b. vordere Schienbeinkante)..4.1 Extrazellulårmatrix des Knochens Die Hauptbestandteile der Matrix sind Kollagenfibrillen (çberwiegend Kollagen Typ I) und Hydroxylapatit-Kristalle. Außerdem kommen kleinere Mengen von Proteoglykanen und verschiedenen Glykoproteinen sowie weitere anorganische Ionen (z.b. Magnesium, Fluorid, Carbonat) vor. Nach der råumlichen Organisation der EZM kænnen Geflecht- und Lamellenknochen unterschieden werden (Abb..20). Im Geflechtknochen liegen die Kollagenfibrillen in Bçndeln vor, die regelrecht miteinander verflochten sind; dies

4 144 Binde- und Stçtzgewebe L L H L EO G Oz a b c Abb.. 20 Geflecht- und Lamellenknochen. a Kompakta, Unterkiefer (Schwein). Polarisationsoptische Darstellung der Geflecht- (G) und Lamellenanordnung (L) der Kollagenfibrillen. Die Lamellen umgeben konzentrisch einen Havers-Kanal (H) und bilden ein Osteon. b Spongiosa-Bålkchen, Wirbelkærper, Mensch. Polarisationsoptische Darstellung der Lamellen. c Spongiosa-Bålkchen, normale Optik. H.E. Auch hier sind die Lamellen erkennbar. EO, Endost. Oz, Osteozyten. Achtung: Die Breite einer Lamelle ist wesentlich geringer als der Abstand zwischen zwei im Schnitt sichtbaren Osteozyten. Die Zellen benachbarter Schichten sind versetzt angeordnet und daher nie alle in einer Schnittebene anzutreffen. Vergr. 150fach (a), 300fach (b, c). wird im polarisationsmikroskopischen Bild deutlich (Abb..20a). Ûberall wo Knochengewebe sehr rasch gebildet wird (in der Entwicklung, bei der Frakturheilung), entsteht zunåchst Geflechtknochen. Im Zuge des natçrlichen Umbaus tritt allmåhlich der biomechanisch hochwertigere Lamellenknochen an die Stelle des Geflechtknochens. Mancherorts kann die vollståndige Umstrukturierung Jahrzehnte dauern (z.b. Felsenbein). Die EZM des ausdifferenzierten Knochens ist sowohl in der Spongiosa als auch in der Kompakta in Lamellen organisiert, unterschiedlich ist lediglich die Geometrie der Lamellen (S. 150). Eine Knochenlamelle ist eine Schicht (Dicke 3 5 mm) von annåhernd gleichsinnig ausgerichteten, mineralisierten Kollagenfibrillen. Von einer Lamelle zur nåchsten wechselt die Verlaufsrichtung der Kollagenfibrillen. Zwischen zwei Lamellen befindet sich jeweils eine Lage von Osteozyten. Hydroxylapatit [3 Ca 3 (PO 4 ) 2 x Ca(OH)2 ], das 45% des Feuchtgewichts vom Knochengewebe ausmacht, ist ein mikroskopisch kleiner, långlicher, hexagonaler Kristall; in åhnlicher Zusammensetzung (z.b. Fluorapatit), aber viel græßeren Dimensionen, kommen solche Kristalle auch in verschiedenen Gesteinen vor. In der Knochenmatrix wird die Ausrichtung der Kristalle von den Kollagenfibrillen bestimmt. Aufgrund von Affinitåten zu den Kollagenmolekçlen lagern sich die Kristalle an der Oberflåche und im Inneren der Fibrillen longitudinal an.

5 .4 Knochen 145 Die so entstehende Verbundstruktur aus druckfesten Mineralkristallen und zugfesten Kollagenfibrillen wird oft mit dem Bauprinzip von Stahlbeton verglichen. Wie dieser ist auch der Knochen biegefest. Die Bedeutung der zugfesten Kollagenfibrillen fçr die Biegefestigkeit wird durch die Glasknochenkrankheit (Osteogenesis imperfecta) verdeutlicht. Diese beruht auf erblich bedingten Fehlern der Synthese von Kollagen Typ I. Betroffene Menschen erleiden lebenslang immer wieder Biegefrakturen, in schwersten Fållen sogar schon in utero..4.2 Zellen des Knochens Die Knochen-spezifischen Zellen sind Osteoblasten, die Knochenmatrix bilden und zu Osteozyten werden kænnen, sowie Osteoklasten, die Knochenmatrix abbauen. Die Osteozyten sind am zahlreichsten und haben die långste Lebensdauer. Osteozyten und das Labyrinth der Knochenkanålchen Die Osteozyten sind ganz von mineralisierter Knochenmatrix umschlossen. In çblichen Pråparaten sieht man von ihnen meist nur den Zellkern, der parallel zu den Knochenlamellen orientiert ist. Einen Eindruck von der tatsåchlichen Zellform erhålt man, wenn durch eine Spezialfårbung das Hohlraumsystem sichtbar gemacht wird, das die Osteozyten beherbergt (Abb..21): Zwischen den Lamel- a b Abb.. 21 Osteozyten. a Knochenlakunen und -kanålchen als Abbild der Osteozyten und ihrer Auslåufer. Långsschnitt durch Kompakta der Tibia (Mensch). Schmorl-Fårbung. Die Lakunen sind teils senkrecht, teils tangential angeschnitten. b Osteozyt. EM-Bild von nicht-entkalktem Knochen, daher ist die mineralisierte Matrix strahlendicht (schwarz). Beachte die nicht-mineralisierte perizellulåre Zone. Die langen Osteozytenauslåufer sind nicht angeschnitten. Vergr. 40fach (a), 5500fach (b).

6 146 Binde- und Stçtzgewebe len liegen linsenfærmige Lakunen (Hæhlen), von denen zahlreiche Knochenkanålchen (Canaliculi) abgehen. Diese verlaufen sowohl senkrecht durch die Lamellen als auch parallel dazu; so entsteht ein Labyrinth von Kanålchen, das die ganze mineralisierte Matrix durchzieht. In den Lakunen liegen die Zellleiber der Osteozyten, in den Kanålchen ihre Auslåufer. Allerdings werden die Hohlråume nicht vollståndig von den Zellen ausgefçllt. Vielmehr bleibt um jede Zelle und ihre Auslåufer eine schmale Zone frei, die nur Kollagenfibrillen und interstitielle Flçssigkeit enthålt, aber nicht mineralisiert ist. Das ganze Hohlraumlabyrinth stellt daher ein Netz von Verkehrswegen dar, çber die alle Osteozyten durch Diffusion erreichbar sind. Die Osteozyten unterhalten Gap junctions mit ihren direkten Nachbarn, mit den Nachbarn in der nåchsten Schicht sowie mit den Zellen des Endosts an der freien Oberflåche (Abb..22b). Die Funktion der Osteozyten ist nicht im Einzelnen geklårt. Ihre Vitalitåt scheint jedoch fçr die Erhaltung des Knochens wichtig zu sein. Denn wo sie abgestorben sind, wird die Knochenmatrix durch Osteoklasten abgeråumt. Es ist zu vermuten, dass vitale Osteozyten den Zellen des Endosts (S. 149) çber Gap junctions und durch Abgabe von Wirkstoffen Nachrichten çber den Zustand und die Reparaturbedçrftigkeit der Knochenmatrix çbermitteln. Osteoblasten, Osteoid und Mineralisation Osteoblasten leiten sich von mesenchymalen Stammzellen ab, die durch Festlegung fçr diese Laufbahn zu Osteoprogenitor-Zellen werden. Aus dem Stammzellvorrat werden unter dem Einfluss lokal entstehender Wachstumsfaktoren (z.b. bone morphogenetic protein 2, BMP-2) sowie verschiedener Hormone zeitlebens neue Osteoblasten nachgeliefert. Als Knochenbildner sind die Osteoblasten zuståndig fçr die Synthese von Kollagen (fçr neue Knochenlamellen) und die Steuerung der Mineralisation. Darçber hinaus aber regulieren sie auch den Knochenabbau, indem sie den Osteoklasten-Haushalt çberwachen (S. 154). Neue Knochenmatrix wird stets auf schon vorhandener mineralisierter Matrix abgelagert. Daher liegen Osteoblasten immer einer freien knæchernen Oberflåche an, entweder im Inneren des Knochens oder außen unter dem Periost (S. 149). Aktive Osteoblasten sind annåhernd kubische Zellen mit viel rauem ER (Abb..22,.24). Sie sitzen als einschichtige Lage dicht an dicht nahe der mineralisierten Matrix, jedoch von dieser getrennt durch eine noch nicht mineralisierte Matte aus Kollagenfibrillen, die sie selbst hergestellt haben. Diese Osteoid- Schicht stellt das organisch-chemische Grundgerçst der in Bau befindlichen neuen Knochenlamelle dar. Das weitere Schicksal der Osteoblasten ist unterschiedlich: Etliche werden zu Osteozyten, indem ihnen von der nachfolgenden Osteoblastengeneration eine weitere Knochenlamelle auf den Rçcken gelegt wird, sodass sie nach Mineralisation des Osteoids eingemauert sind. Ûber die Hålfte der Osteoblasten-

7 .4 Knochen 147 min. Mx Ob StZ gj O-blast Osteoid O-zyt min.mx OPr a b Abb.. 22 Osteoblasten und Osteoid. a Nicht-entkalkter Knochen (Spongiosa). Mineralisierte Matrix (min.mx) schwarz. Pfeile weisen auf Osteoid (= Matte aus nicht-mineralisierter Matrix, daher nicht schwarz). Osteoblasten (Ob) sind Teil des Endosts. Fårbung v. Kossa-Toluidinblau. b Schema: Osteoblasten sezernieren die Bestandteile des Osteoids (hellgrçn). Sie sind untereinander und mit den Osteozyten durch Gap junctions (gj, rot markiert) verbunden. Mineralisierte Matrix dunkelgrçn. Beachte die nicht-mineralisierten perizellulåren Zonen um die Osteozyten. OPr, Osteoprogenitorzelle. StZ, mesenchymale Stammzelle. Vergr. 40fach (a). besatzung an einer beliebigen Baustelle wird nach Fertigstellung der Knochenmatrix çberflçssig und geht durch Apoptose zugrunde. Einige von denjenigen Osteoblasten, die am Bau der oberflåchlichsten Lamelle beteiligt waren und daher nicht eingemauert wurden, kehren in den inaktiven Zustand zurçck und reihen sich wieder in das Endost (S. 149) ein. Bei der Mineralisation bilden sich Calcium-Phosphat-Pråzipitate in kristalliner Form. Voraussetzungen dafçr sind (a) eine lokal hohe Konzentration der nætigen Ionen (Ûberschreitung des Læslichkeitsproduktes), (b) Kristallisationskerne als Initiatoren fçr die spontane Bildung von kristallinen Formationen. Hierbei spielt der Osteoblast eine aktive Rolle, çber die einzelnen Mechanismen bestehen jedoch unterschiedliche Vorstellungen. Nur Folgendes sei erwåhnt: (1) Der Osteoblast verfçgt çber eine hohe Aktivitåt der alkalischen Phosphatase.Dieses durch einen Lipidanker (S. 9) außen an der Plasmamembran befestigte Enzym ist fçr die Mineralisation wichtig, der Mechanismus ist nicht ausreichend geklårt (Bereitstellung von hohen lokalen Phosphatkonzentrationen? Spaltung des die Mineralisation hemmenden Pyrophosphats?). (2) Von den Auslåuferspitzen des Osteoblasten schnçren sich kleine Blåschen (Matrixvesikel) ab, in denen sich (mæglicherweise nach Anreicherung der nætigen Ionen) die ersten kleinen Hydroxylapatit- Kristalle bilden, wobei organische Molekçle im Vesikelinneren wahrscheinlich als Kristallisationskerne fungieren. Die Kristalle wachsen spontan, bis sie die Vesikelmembran zerreißen; im Extrazellulårraum wachsen die Kristalle weiter und lagern sich den Kollagenfibrillen an.

8 14 Binde- und Stçtzgewebe Osteoklasten Osteoklasten (Abb..23) sind große ( mm) mehrkernige Zellen (meist bis zu 10 Kerne), die fçr den Abbau von mineralisierter Matrix spezialisiert sind. Wenn sie sich mit mineralisiertem Knorpel oder Zahnbein beschåftigen, nennt man sie Chondroklasten (S. 15, 161) bzw. Odontoklasten (S. 361), es handelt sich aber immer um dieselbe Art von Zelle. Osteoklasten entstehen durch Fusion einkerniger Vorlåuferzellen, aus denen auch Blutmonozyten und Makrophagen hervorgehen (S. 270). Aktive Osteoklasten liegen der mineralisierten Knochenmatrix direkt an. Osteoklasten-Trupps fressen Gruben (Resorptionslakunen, Howship-Lakunen) in die Trabekeloberflåchen und Bohrkanåle in die Kompakta (S. 153). Die Lçcken, die ein Osteoklasten-Tupp in drei Wochen frisst, werden von den Osteoblasten in monatelanger Arbeit mit Knochenlamellen wieder aufgefçllt. Dieser zeitlebens ablaufende Kochenumbau wird auf S. 152ff. genauer beschrieben. Die Arbeitsweise der Osteoklasten besteht in folgenden Schritten: (1) Auflæsung der Calcium-Verbindungen durch Såure nach den Gesetzen der anorganischen Chemie; (2) Sekretion von lysosomalen Enzymen (u.a. Cathepsin K) zwecks Zerlegung der organischen Matrix; (3) Endozytose der Matrix-Fragmente. Mi CO 2 +H 2 O HCO 3 CAH Cl H + ATPase Cl H + Enz ph 4,5 lys/endo VZ AF Ok * Oz a Knochenmatrix Lakune b Abb.. 23 Osteoklast. a Funktion (Schema). Einzelheiten s. Text. CAH, Carboanhydrase (Enzym notwendig zur Bereitstellung von Protonen). Aktiver Protonen-Transport in die Resorptionslakune durch die H + -ATPase (roter Punkt). Plasmamembran des Faltensaums rot, davon der Membran der Endosomen (endo) abstammend. Sekretion von lysosomalen (lys) Enzymen. Endozytose und Transzytose von Matrix-Fragmenten (hellgrçn). VZ, Versiegelungszone. AF, Aktinfilament-Ring. Mi, Mitochondrien. Cl -Ionen gelangen durch einen Anionenaustauscher in die Zelle und durch einen Kanal in die Lakune. b Osteoklasten (Ok) (Tibia-Metaphyse, junge Ratte). Hohe Aktivitåt erkennbar an den zytoplasmatischen Vakuolen, dem Faltensaum (Pfeile) und den Resorptionsbuchten in der Matrix. Das Bild zeigt ein primåres Spongiosa-Bålkchen, das noch einen Kern aus mineralisierter Knorpelmatrix (*, violett gefårbt) besitzt (S. 161). Oz, Osteozyt. Semidçnnschnitt, Toluidinblau. Vergr. 640fach.

9 .4 Knochen 149 Der aktive Osteoklast bildet an seiner resorptiven Vorderseite, die der Knochenmatrix anliegt, einen dichten Faltenbesatz aus (ruffled border), wodurch die Oberflåche der Plasmamembran vergræßert wird. Die Membran der Falten stammt vom Endosomen-Lysosomen-Apparat ab und ist Sitz einer H + -ATPase, die Protonen in die Lakune pumpt. Dieser Raum, in dem ein ph von ca. 4,5 erreicht wird, ist gegençber der Umgebung durch eine Versiegelungszone abgeschlossen: Zirkulår um den Faltensaum haftet die Plasmamembran durch Integrine fest an der Matrixoberflåche; ein Ring aus Aktinfilamenten stabilisiert die Versiegelungszone. Der Zellleib ist reich an Mitochondrien (Energieaufwand fçr die Protonenpumpe), Lysosomen und großen Vakuolen. Die Rçckseite der Zelle ist glatt. Der Osteoklast nimmt die durch extrazellulåre Verdauung entstandenen EZM-Fragmente endozytotisch auf und gibt sie nach dem Modus der Transzytose an der Rçckseite wieder ab. Ein aktiver Osteoklast geht meist nach 2-wæchiger Tåtigkeit durch Apoptose zugrunde und wird durch einen neuen ersetzt, oder er kehrt in den Ruhezustand zurçck (s. Endost). Entstehung und Aktivierung der Osteoklasten werden durch die Osteoblasten gesteuert; dies wird auf S. 154 genauer erklårt. Endost und Periost Das Endost bedeckt såmtliche inneren Knochenoberflåchen, und zwar nicht nur die Spongiosa-Trabekel (Abb..24), sondern auch die Wånde der Havers- Kanåle (Abb..25c,.26). Das Endost besteht aus einer dçnnen Schicht von nicht-mineralisierten Kollagenfibrillen und einer kontinuierlichen Lage von Zellen (lining cells). Diese setzen sich wie folgt zusammen: mesenchymale Stamm- G G rz rok Oz aok aob G Abb.. 24 Endost auf der Oberflåche eines Knochenbålkchens (Tibia der Maus). rz, ruhende Zellen, deren Natur auf diesem Bild nicht auszumachen ist. rok, aok, ruhende und aktive Osteoklasten. aob, aktive Osteoblasten, erkennbar an der kubischen Form und dem auffallenden hellen Golgi-Feld neben dem Zellkern; nach rechts im Bild zunehmend flachere, d.h. weniger aktive Ob. Oz, Osteozyt. Primåres Knochenbålkchen, daher noch keine Lamellen. G, Blutgefåße des Blut-bildenden Knochenmarks. Semidçnnschnitt, Toluidinblau. Vergr. 40fach.