Knochen

Das harte Bindegewebe, das zusammen mit Knorpel das Skelett des Menschen und anderer Wirbeltiere bildet. Es besteht aus Kalziumphosphatkristallen, die auf einem Proteingerüst angeordnet sind. Der Knochen erfüllt eine Vielzahl von Funktionen: Er hat eine strukturelle und mechanische Funktion, schützt lebenswichtige Organe, dient der Produktion von Blutzellen und ist ein Kalziumspeicher. Siehe Bindegewebe

Es gibt zwei Arten von Knochen im Skelett: die flachen Knochen (z. B. die Schädel- und Rippenknochen) und die langen Knochen (z. B. der Oberschenkelknochen und die Hand- und Fußknochen). Beide Arten zeichnen sich durch eine äußere Schicht aus dichtem, kompaktem Knochen, die so genannte Kortikalis, und ein inneres, schwammartiges Knochenmaterial aus dünnen Trabekeln, die so genannte Spongiosa, aus. Die Knochenrinde besteht aus Knochenschichten (Lamellen) in einer geordneten konzentrischen zylindrischen Anordnung um winzige Havers’sche Kanäle. Diese miteinander verbundenen Kanäle führen die Blut- und Lymphgefäße sowie die Nerven durch den Knochen und stehen mit der Knochenhaut und der Markhöhle in Verbindung. Das Periost ist eine dünne Membran, die die äußere Oberfläche des Knochens bedeckt und aus Zellschichten besteht, die an der Remodellierung und Reparatur des Knochens beteiligt sind. Die Spongiosa steht in Kontakt mit dem Knochenmark, in dem ein Großteil der Blutzellenproduktion stattfindet. Die Grenzfläche zwischen der Spongiosa und dem Knochenmark wird als Endosteum bezeichnet, und vor allem an dieser Stelle wird Knochen abgebaut, wenn an anderer Stelle im Körper ein erhöhter Kalziumbedarf besteht.

Knochen entsteht durch den Aufbau einer Osteoidmatrix durch Osteoblasten, die knochenbildenden Zellen, und die Mineralisierung des Osteoids durch die Entwicklung und Ablagerung von Kalziumphosphatkristallen (in Form von Hydroxylapatit) in der Matrix. Dieses Mineral, das in einem regelmäßigen Muster auf einem Kollagengerüst angeordnet ist, verleiht dem Knochen seine Steifigkeit. Osteoid enthält größtenteils Fasern des Typ-I-Kollagens und geringere Mengen zahlreicher nicht-kollagener Proteine. Obwohl die Rolle dieser Proteine im Knochen nicht genau bekannt ist, geht man davon aus, dass ihre besondere Kombination im Knochen diesem Gewebe die einzigartige Fähigkeit zur Mineralisierung verleiht. Es steht fest, dass diese Proteine miteinander interagieren und dass Kollagen und einige der nichtkollagenen Proteine an spezielle Rezeptoren auf der Oberfläche von Knochenzellen binden können. Diese Bindung ist wichtig für die Adhäsion der Zellen an die Knochenmatrix und liefert auch Verhaltenssignale an die Zellen. Siehe Kollagen

Die primären Zelltypen im Knochen sind diejenigen, die für seine Bildung und Erhaltung verantwortlich sind (Osteoblasten und Osteozyten), und diejenigen, die für seinen Abbau zuständig sind (Osteoklasten). Osteoblasten bilden sich aus der Differenzierung multipotenter Stromazellen, die sich in der Knochenhaut und im Knochenmark befinden. Unter entsprechenden Stimuli reifen diese primitiven Stromazellen an bestimmten Stellen des Skeletts zu knochenbildenden Zellen heran. Unter verschiedenen Stimuli sind sie auch in der Lage, sich zu Adipozyten (Fettzellen), Muskelzellen und Chondrozyten (Knorpelzellen) zu entwickeln. Osteozyten, d. h. Osteoblasten, die in das Knochengewebe selbst eingebaut werden, sind der zahlreichste Zelltyp im Knochen. Sie befinden sich in Hohlräumen (Lakunen) innerhalb des mineralisierten Knochens und bilden zahlreiche Fortsätze durch winzige Kanäle (Kanälchen) im Knochen, die sich mit anderen Osteozyten und mit den Zellen an der Knochenhautoberfläche verbinden. Osteozyten sind daher in idealer Weise in der Lage, Spannungen und Belastungen des Knochens wahrzunehmen und diese Informationen an die Osteoblasten an der Knochenoberfläche weiterzuleiten, so dass sich der Knochen durch die Bildung neuer Knochen an veränderte mechanische Belastungen anpassen kann. Man geht davon aus, dass Osteozyten auch die Zellen sind, die mikroskopisch kleine Schäden in der Knochenmatrix, die häufig durch Abnutzung entstehen, erkennen und reparieren. Werden Risse und Mikrofrakturen im Knochen nicht repariert oder häufen sich diese Mikroschäden in einem Maße, das ihre Reparatur übersteigt, kann dies zu einem strukturellen Versagen des Knochens führen, wie z. B. bei Stressfrakturen. Es wurde eine Vielzahl von Molekülen identifiziert, die die Bildung und Funktion von Osteoblastenzellen regulieren. Zirkulierende Hormone wie Insulin, Wachstumshormon und insulinähnliche Wachstumsfaktoren wirken zusammen mit Wachstumsfaktoren im Knochen selbst, wie dem transformierenden Wachstumsfaktor beta (TGFβ) und den morphogenetischen Knochenproteinen (BMPs), um die Differenzierung der Osteoblasten zu beeinflussen.

Osteoklasten sind typischerweise große, vielkernige Zellen, die reich an der intrazellulären Maschinerie sind, die für die Knochenresorption erforderlich ist. Dies geschieht, indem die Zellen durch Anheften der Zellmembran an die Knochenmatrix eine dichte Abdichtungszone bilden, wodurch ein knochenresorbierendes Kompartiment entsteht. In diesen Raum sondert die Zelle Säure ab, um das Knochenmineral aufzulösen, sowie Enzyme, um das Kollagen und andere Proteine der Knochenmatrix zu verdauen. Der Knochenabbau durch Osteoklasten ist notwendig, um die Reparatur mikroskopischer Schäden und Veränderungen der Knochenform während des Wachstums und des Zahndurchbruchs zu ermöglichen. Die Osteoklasten-vermittelte Knochenresorption ist auch der Mechanismus zur Freisetzung von im Knochen gespeichertem Kalzium zur Aufrechterhaltung des Kalziumspiegels im Blut. Die meisten Wirkstoffe, die die Knochenresorption fördern, wirken auf osteoblastische Zellen, die ihrerseits Signale an Osteoklastenvorläufer weiterleiten, damit diese sich in reife Osteoklasten differenzieren. Zu diesen Wirkstoffen gehören die aktive Form von Vitamin D, Parathormon, Interleukin-1, Interleukin-6 und Interleukin-11 sowie Prostaglandine wie Prostaglandin E2. Die Differenzierung zu voll funktionsfähigen Osteoklasten erfordert auch einen engen Kontakt zwischen Osteoklastenvorläufern und Osteoblastenzellen. Dies ist auf ein Molekül namens Osteoklasten-Differenzierungsfaktor (ODF) zurückzuführen, das sich auf der Oberfläche von Osteoblasten befindet, an Rezeptoren auf der Oberfläche von Osteoklasten-Vorläuferzellen bindet und deren Entwicklung zu Osteoklasten einleitet.

Flach- und Röhrenknochen werden auf unterschiedliche Weise gebildet. Die Bildung flacher Knochen erfolgt durch intramembranöse Ossifikation, bei der sich primitive mesenchymale Zellen direkt in Osteoblasten differenzieren und knöcherne Trabekel innerhalb einer periostalen Membran bilden. Die anfängliche Beschaffenheit dieses Knochens ist relativ desorganisiert und wird als gewebter Knochen bezeichnet. Später wird dieser gewebte Knochen umgebaut und durch den viel stärkeren reifen Lamellenknochen ersetzt, der aus geordnet angeordneten Schichten kalzifizierter Matrix besteht. Röhrenknochen entstehen durch eine intrakartilaginäre Entwicklung, bei der der zukünftige Knochen zunächst aus Knorpel besteht. Die Knorpelvorlage wird in einer geordneten Abfolge von Ereignissen, beginnend in der Mitte des wachsenden Knochens, allmählich durch Knochen ersetzt. Der Knorpel verbleibt während des Wachstums an den Enden der langen Knochen und bildet an jedem Ende eine Struktur, die als Wachstumsplatte bezeichnet wird. Knorpelzellen (Chondrozyten), die in den Wachstumsplatten entstehen, vermehren sich und tragen zur Verlängerung des Knochens bei. Dies geschieht in einer komplexen Abfolge von Ereignissen, wobei sich der Knochen sowohl vom Zentrum weg als auch zum Zentrum hin ausdehnt. Wenn der Knochen seine endgültige Länge im Reifestadium erreicht hat, wird die Expansion von der Wachstumsplatte aus eingestellt. An den Enden der langen Knochen verbleibt Knorpel in einer speziellen Form, die als Gelenkknorpel bezeichnet wird und die glatten Auflageflächen für die Gelenke bildet.

Knochen ist ein dynamisches Gewebe, das durch die Tätigkeit von Osteoklasten und Osteoblasten ständig umgestaltet wird. Nach dem Knochenabbau wandern die Osteoklasten entweder zu neuen Resorptionsstellen weiter oder sterben ab; darauf folgt eine Umkehrphase, in der Osteoblasten zur Resorptionsstelle hingezogen werden. Man geht davon aus, dass Wachstumsfaktoren, die in der Knochenmatrix in inaktiver Form gebunden sind, durch die Osteoklastenaktivität freigesetzt und aktiviert werden und dass diese wiederum die Produktion von neuem Osteoid durch die rekrutierten Osteoblasten fördern. Das neue Osteoid verkalkt schließlich, und auf diese Weise wird der Knochen in Schichten (Lamellen) gebildet und ersetzt, die das Ergebnis dieser wiederholten Zyklen sind. Im wachsenden Knochen ist die Aktivität der Knochenzellen auf eine Nettozunahme des Knochens ausgerichtet. In einem gesunden, reifen Knochen besteht jedoch ein Gleichgewicht zwischen Knochenresorption und Knochenbildung. Wenn das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Zelltypen gestört ist, kommt es zu einer Skelettpathologie.

Die häufigste Knochenerkrankung ist die Osteoporose, bei der es zu einem Nettoverlust an Knochen durch osteoklastische Knochenresorption kommt, der nicht vollständig durch neue Knochenbildung ausgeglichen wird. Die am besten erforschte Ursache der Osteoporose ist die, die bei Frauen durch den Verlust des zirkulierenden Östrogens nach der Menopause entsteht. Eine weitere Ursache für osteoporotischen Knochenschwund ist die so genannte Disuse-Osteoporose. Genauso wie der Knochen auf eine erhöhte Belastung mit der Produktion von zusätzlichem Knochen reagieren kann, ist der Knochen zu seinem Erhalt auch auf regelmäßige Belastung angewiesen. Bei längerer Bettlägerigkeit oder z. B. bei Querschnittslähmung und Tetraplegie kann ein erheblicher Knochenverlust auftreten. Ebenso führt eine Entlastung des Skeletts (aufgrund der fehlenden Schwerkraft) in der Raumfahrt zu einem starken Knochenverlust bei Astronauten, sofern die Auswirkungen der Schwerkraft nicht durch spezielle Übungen und Geräte simuliert werden. Siehe Osteoporose

Viele Stoffwechsel- und Erbkrankheiten können die Menge und Qualität der Knochen beeinträchtigen. Stoffwechselkrankheiten wie Diabetes, Nierenerkrankungen, eine Überproduktion von Parathormon durch die Nebenschilddrüsen, Anorexia nervosa und Vitamin-D-abhängige Rachitis können Osteopenien (Verringerung des Knochenvolumens und der Knochenstrukturqualität) verursachen. Eine immunsuppressive Therapie bei Organtransplantationspatienten kann zu einer verminderten Knochenmasse führen, ebenso wie Tumore an Knochen und anderen Stellen. Tumore können Substanzen produzieren, die die Aktivierung der osteoklastischen Knochenresorption bewirken. Bei der genetisch bedingten Krankheit Osteogenesis imperfecta führen Mutationen im Gen für Typ-I-Kollagen dazu, dass die Osteoblasten geringere Mengen an Kollagen oder veränderte Kollagenmoleküle produzieren. Andere häufige Erkrankungen des Skeletts sind Gelenkerkrankungen wie rheumatoide Arthritis und Osteoarthritis. Siehe Schilddrüse