Bone

Det hårde bindevæv, der sammen med brusk danner skelettet hos mennesker og andre hvirveldyr. Det består af calciumphosphatkrystaller anbragt på et proteinstillads. Knoglen har en række forskellige funktioner: den har en strukturel og mekanisk rolle; den beskytter vitale organer; den udgør et sted for produktion af blodceller; den tjener som calciumreserve. Se Bindevæv

Der er to typer knogler i skelettet: de flade knogler (f.eks. kranieknoglerne og ribbenene) og de lange knogler (f.eks. lårbenet og knoglerne i hånden og fødderne). Begge typer er karakteriseret ved et ydre lag af tæt, kompakt knogle, kendt som kortikal knogle, og et indre svampet knoglemateriale, der består af tynde trabekler, kendt som spongiøs knogle. Kortikal knogle består af lag af knogle (lameller) i et ordnet koncentrisk cylindrisk arrangement omkring små Haversian-kanaler. Disse indbyrdes forbundne kanaler fører blodkar, lymfekar og nerver gennem knoglen og kommunikerer med periosteum og marvhulen. Periostet er en tynd membran, der dækker knoglens ydre overflade og består af lag af celler, der deltager i knoglens remodellering og reparation. Den spongiøse knogle er i kontakt med knoglemarven, hvor en stor del af produktionen af blodceller finder sted. Grænsefladen mellem den spongiøse knogle og marven kaldes endosteum, og det er i høj grad på dette sted, at knogle fjernes som reaktion på et behov for øget calcium et andet sted i kroppen.

Knoglen dannes ved, at osteoblaster, de knogledannende celler, lægger en osteoidmatrix ned og mineraliserer osteoidet ved udvikling og aflejring af krystaller af calciumphosphat (i form af hydroxyapatit) i det. Det er mineralet, der er organiseret i et regelmæssigt mønster på et kollagenstillads, der giver knoglen dens stivhed. Osteoid indeholder hovedsageligt fibre af type I kollagen og mindre mængder af mange ikke-kollagene proteiner. Selv om disse proteiners rolle i knogle ikke er velforstået, men man mener, at deres særlige kombination i knogle giver dette væv den unikke evne til at mineralisere. Det er klart, at disse proteiner interagerer med hinanden, og at kollagen og flere af de ikke-kollagenholdige proteiner kan binde sig til specialiserede receptorer på knoglecellers overflade. Denne binding er vigtig for cellernes vedhæftning til knoglematrixen og leverer også adfærdsmæssige signaler til cellerne. Se Kollagen

De primære celletyper i knogle er dem, der resulterer i dens dannelse og vedligeholdelse (osteoblaster og osteocytter), og dem, der er ansvarlige for dens fjernelse (osteoklaster). Osteoblaster dannes ud fra differentiering af multipotentielle stromale celler, der befinder sig i periost og knoglemarven. Under de rette stimuli modnes disse primitive stromale celler til knogledannende celler på bestemte steder i skelettet. Under forskellige stimuli er de også i stand til at udvikle sig til adipocytter (fedtceller), muskelceller og kondrocytter (bruskceller). Osteocytter, som er osteoblaster, der bliver inkorporeret i selve knoglevævet, er den mest talrige celletype i knoglen. De opholder sig i rum (lacunae) i den mineraliserede knogle og danner talrige forlængelser gennem små kanaler (cannaliculi) i knoglen, der forbinder sig med andre osteocytter og med cellerne på den endostale overflade. Osteocytter er derfor ideelt placeret til at opfatte stress og belastninger på knoglen og videreformidle disse oplysninger til osteoblasterne på knogleoverfladen, hvilket gør det muligt for knoglen at tilpasse sig til ændret mekanisk belastning ved at danne ny knogle. Osteocytter menes også at være de celler, der registrerer og leder reparationen af de mikroskopiske skader, der ofte opstår i knoglematrixen som følge af slid, og som styrer reparationen. Hvis det ikke lykkes at reparere de revner og mikrobrud, der opstår i knoglen, eller hvis disse mikroskader akkumuleres i en hastighed, der overstiger reparationen, kan det medføre strukturelt svigt i knoglen, som f.eks. ved stressfrakturer. Der er blevet identificeret et stort antal molekyler, som regulerer dannelsen og funktionen af osteoblastiske celler. Cirkulerende hormoner, såsom insulin, væksthormon og insulinlignende vækstfaktorer, kombineres med vækstfaktorer i selve knoglen, såsom transformerende vækstfaktor beta (TGFβ) og knoglemorfogenetiske proteiner (BMP), for at påvirke differentieringen af osteoblaster.

Osteoklaster er typisk store, flerkernede celler, der er rige på det intracellulære maskineri, der er nødvendigt for knogleresorptionen. Dette opnås, når cellerne danner en tæt forseglingszone ved at fastgøre cellemembranen mod knoglematrixen, hvorved de skaber et knogleresorberende kompartment. I dette rum udskiller cellen syre til opløsning af knoglemineralet og enzymer til nedbrydning af kollagen og andre proteiner i knoglematrixen. Osteoklasternes fjernelse af knogle er nødvendig for at muliggøre reparation af mikroskopiske skader og ændringer i knogleformen under vækst og tandfrembrud. Osteoklastmedieret knogleresorption er også den mekanisme, der frigør calcium, som er lagret i knoglen, for at opretholde calciumniveauet i blodet. De fleste stoffer, der fremmer knogleresorptionen, virker på osteoblastiske celler, som igen sender signaler til osteoklastprækursorer om at differentiere sig til modne osteoklaster. Disse stoffer omfatter den aktive form af D-vitamin, parathyreoideahormon, interleukin-1, interleukin-6 og interleukin-11 samt prostaglandiner som f.eks. prostaglandin E2. Differentiering til fuldt funktionelle osteoklaster kræver også tæt kontakt mellem osteoklastprækursorer og osteoblastiske celler. Dette skyldes et molekyle kaldet osteoklastdifferentieringsfaktor (ODF), som befinder sig på osteoblasternes overflade, binder sig til receptorer på overfladen af osteoklastprækursorceller og inducerer deres udvikling til osteoklaster.

Flette knogler og lange knogler dannes på forskellige embryologiske måder. Dannelse af flade knogler sker ved intramembranøs ossifikation, hvor primitive mesenkymale celler differentierer direkte til osteoblaster og producerer knogletrabekulae inden for en periostal membran. Denne knogle er oprindeligt relativt uorganiseret og betegnes som vævet knogle. Senere omdannes denne vævede knogle og erstattes af den meget stærkere modne lamelknogle, som består af lag af forkalkede matrix, der er ordnet på en ordentlig måde. Lange knogler dannes ved intracartilaginøs udvikling, hvor den fremtidige knogle begynder som brusk. Bruskmallen erstattes gradvist af knogle i en ordnet rækkefølge af begivenheder, der starter i midten af den voksende knogle. Brusk forbliver i enderne af de lange knogler under væksten og danner en struktur i hver ende, der kaldes vækstpladen. Bruskceller (chondrocytter), der opstår i vækstpladerne, formerer sig og øger knoglens længde. Dette sker i en kompleks række af begivenheder med ekspansion både væk fra og mod knoglens centrum. Når knoglen har nået sin endelige længde ved modenhed, ophører ekspansionen fra vækstpladen. Brusk består ved enderne af de lange knogler i en særlig form kaldet ledbrusk, som udgør de glatte lejeflader for leddene.

Knoglen er et dynamisk væv og bliver konstant omdannet af osteoklaster og osteoblaster. Efter fjernelse af knogle bevæger osteoklasterne sig enten videre til nye resorptionssteder eller dør; dette efterfølges af en omvendingsfase, hvor osteoblaster tiltrækkes til resorptionsstedet. Det antages, at vækstfaktorer, der er lagret i inaktiv form i knoglematrixen, frigives og aktiveres af osteoklasternes aktivitet, og at disse igen fremmer ny osteoidproduktion af de rekrutterede osteoblaster. Det nye osteoid kalcificerer til sidst, og på denne måde dannes og udskiftes knoglen i lag (lameller), som er resultatet af disse gentagne cyklusser. I knogle i vækst er knoglecellers aktiviteter skævt fordelt i retning af en nettotilvækst af knogle. I en sund moden knogle er der imidlertid en ligevægt mellem knogleresorption og knogledannelse. Når ligevægten mellem disse to celletyper bryder sammen, opstår der skeletpatologi.

Den mest almindelige knoglesygdom er osteoporose, hvor der er et nettotab af knogle som følge af osteoklastisk knogleresorption, som ikke helt modsvares af ny knogledannelse. Den bedst forståede årsag til osteoporose er den, der opstår hos kvinder som følge af tabet af cirkulerende østrogen efter overgangsalderen. En anden årsag til osteoporotisk knogletab ses i forbindelse med osteoporose som følge af manglende brug. Ligesom knogle kan reagere på øget belastning med produktion af yderligere knogle, er knogle også afhængig af regelmæssig belastning for at blive vedligeholdt. Der kan forekomme et betydeligt knogletab ved længerevarende sengeleje eller f.eks. ved paraplegi og quadriplegi. Ligeledes resulterer en aflastning af skelettet (på grund af manglende tyngdekraft) under rumflyvning i alvorligt knogletab hos astronauter, medmindre tyngdekraftens virkninger simuleres ved hjælp af særlige øvelser og apparater. Se Osteoporose

Mange metaboliske og genetiske sygdomme kan påvirke mængden og kvaliteten af knogler. Metaboliske sygdomme som diabetes, nyresygdomme, overudskillelse af parathyreoideahormon fra biskjoldbruskkirtlerne, anorexia nervosa og D-vitaminafhængig rakitis kan forårsage osteopeni (reduktion af knoglevolumen og knoglestrukturel kvalitet). Immunosuppressiv behandling hos organtransplantationspatienter kan føre til nedsat knoglemasse, og det samme kan tumorer i knogler og andre steder. Tumorer kan producere stoffer, der forårsager aktivering af osteoklastisk knogleresorption. Ved den genetisk betingede sygdom osteogenesis imperfecta medfører mutationer i genet for type I-kollagen, at osteoblaster producerer reducerede mængder kollagen eller ændrede kollagenmolekyler. Andre almindelige sygdomme i skelettet er sygdomme i leddene, som f.eks. reumatoid arthritis og slidgigt. Se Skjoldbruskkirtlen