Knochen

Einleitung(edit | edit source)

Knochengewebe hat eine Reihe von Stütz-, Bewegungs- und regulatorische Funktionen.⁽¹⁾ Knochen ist ein stoffwechselaktives Bindegewebe, das sich ständig remodelliert und repariert. Knochengewebe ist insofern einzigartig, als es sich regenerieren und in einen voll funktionsfähigen Zustand wie noch vor der Verletzung zurückversetzen kann.⁽²⁾⁽³⁾ Um seine verschiedenen Funktionen zu erfüllen, muss der Knochen sowohl starr und steif als auch flexibel und elastisch sein.⁽⁴⁾

Das folgende optionale Video bietet einen allgemeinen Überblick über die Anatomie des Skelettsystems:

⁽⁵⁾

Funktionen des Knochens (edit | edit source)

Knochen ist ein hochgradig anpassungsfähiges Gewebe, das eine Reihe von Funktionen hat, darunter:⁽⁶⁾⁽⁷⁾

• Schutz von lebenswichtigen Organen
• Abstützung und Struktur: Knochen dienen als „physisches Gerüst“⁽²⁾
• Bewegung und Fortbewegung: bietet Ansatzpunkte für Muskeln, Sehnen und Bänder
• Schallleitung
• Hämatopoese (Bildung von Blutzellen)
• Speicherung und Freisetzung von Mineralien (z.B. Kalzium, Phosphor)
• Fettspeicherung im gelben Knochenmark
• Säure-Basen-Gleichgewicht (pH-Wert): Knochen können basische Salze abgeben, um einen optimalen pH-Wert aufrechtzuerhalten
• speichert Wachstumsfaktoren (z.B. insulinähnliche Wachstumsfaktoren, IGF) und setzt sie periodisch frei
• Entgiftung: Osteozyten können schädliche Substanzen wie toxische Moleküle und Schwermetalle binden

Knochenstruktur (edit | edit source)

Es gibt zwei makroskopische Bauformen des Knochens:

• Kompakter bzw. kortikaler Knochen (Substantia compacta / corticalis):⁽⁶⁾
  • macht 80 % des gesamten Knochens im Körper aus
  • stärker und dichter als spongiöser / trabekulärer Knochen
  • sehr widerstandsfähig gegen Biegung, Torsion und Kompression
  • bildet den äußeren Rand des spongiösen Knochens und kommt vor allem im Schaft langer Knochen wie Femur und Tibia vor
• Spongiöser bzw. trabekulärer Knochen (Substantia spongiosa / trabecularis):⁽⁶⁾
  • macht 20 % des gesamten menschlichen Knochens aus
  • weist ein größeres Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen auf als der kortikale Knochen
  • reagiert achtmal schneller auf Laständerungen und ist damit wesentlich dynamischer als kortikaler Knochen
  • häufig in Bereichen, die einer stärkeren Kompression ausgesetzt sind (z. B. Wirbelkörper, Becken und die Metaphysen / Epiphysen langer Röhrenknochen

Alle Knochen haben eine innere Spongiosa und eine äußere Kortikalis, aber das Verhältnis und die Verteilung variieren je nach Lage und Funktion des Knochens.^(4)(8)(9)

Knochentypen (edit | edit source)

Im menschlichen Körper gibt es fünf Knochentypen:⁽⁶⁾

• Lange Knochen oder Röhrenknochen (Ossa longa): sind länger als breit. Sie haben eine dicke kortikale Schicht, insbesondere im diaphysären Bereich.⁽⁹⁾ Die meisten Knochen in den Extremitäten sind lange Knochen (z.B. Femur, Humerus). Diese Knochen entstehen durch chondrale Ossifikation.⁽⁷⁾ Sie tragen das Gewicht und ermöglichen Bewegungen.
• Kurze Knochen (Ossa brevia): sind ungefähr gleich lang, breit und dick. Kurze Knochen entstehen ebenfalls durch chondrale Ossifikation. Sie haben eine dünne Schicht aus kompaktem Knochen um die Spongiosa herum (z.B. Karpalknochen).⁽⁷⁾
• Flache Knochen (Ossa plana): sind dünn, flach und oft gebogen. Sie bilden sich durch desmale Ossifikation.⁽⁷⁾ Sie bestehen aus zwei äußeren Schichten aus kompaktem Knochen und einer inneren Schicht aus spongiösem Knochen (z.B. Sternum, Rippen und die meisten Schädelknochen). Flache Knochen haben in der Regel eine Schutzfunktion
• Sesambeine (Ossa sesamoidea): in Sehnen eingebettet (z. B. Patella). Sie schützen die Sehnen vor Verschleiß und Überlastung.
• Unregelmäßige Knochen (Ossa irregularia): Knochen, die nicht in die ersten vier Kategorien passen.
  Sie haben eine dünne Schicht aus kompaktem Knochen, die das spongiöse Innere umgibt (z.B. Knochen der Wirbelsäule und des Beckens).

Allgemeine Anatomie der langen Knochen (edit | edit source)

Lange Knochen (Röhrenknochen) lassen sich in drei anatomische Bereiche einteilen:⁽⁷⁾

• Diaphyse : der röhrenförmige Schaft des langen Knochens.
  Der hohle Bereich in der Diaphyse wird als Markraum bezeichnet und ist mit gelbem Knochenmark gefüllt.
  Die „Wände“ der Diaphyse bestehen aus dichtem, hartem kompaktem Knochen.
  ⁽¹⁰⁾
• Metaphyse: der Bereich zwischen der Diaphyse und der Epiphyse. Diese Zone enthält bei Kindern die Epiphysenfuge (Wachstumsfuge). Die Epiphysenfuge ermöglicht ein lineares Knochenwachstum; die Epiphysenfugen verschmelzen normalerweise am Ende der Pubertät.
• Epiphyse : befindet sich an den Enden der langen Knochen.
  Epiphysen sind der Bereich für die Gelenke und die Hauptquelle des roten Knochenmarks in den langen Knochen. Die Epiphyse und die Metaphyse verbinden sich, sobald die Epiphysenfuge verknöchert.

Zusammensetzung des Knochens (edit | edit source)

Knochen besteht aus Zellen und der extrazellulären Matrix (EZM). Die Osteone bilden die funktionelle Einheit des Knochengewebes. In den Knochen befindet sich auch das Knochenmark.

Extrazelluläre Matrix (EZM) (edit | edit source)

Die EZM enthält sowohl organische als auch anorganische Komponenten.
Sie verleiht dem Knochen seine Integrität und Elastizität.⁽¹¹⁾ Die EZM macht etwa 90 % des Knochenvolumens aus.⁽³⁾

• Organische Knochenmatrix (etwa 40 % der EZM):⁽¹¹⁾ bietet Widerstand gegen Zugkräfte. Sie besteht überwiegend aus Kollagen vom Typ I, enthält aber auch nicht kollagene Proteine, Glykoproteine, Wachstumsfaktoren und Proteoglykane⁽³⁾
• Anorganische Knochenmatrix (etwa 60 % der EZM):^(11)(3) sorgt für Festigkeit, Steifigkeit und Widerstand gegen Druckkräfte (Kompression). Sie speichert:
  • 40-60 % des Magnesiums und Natriums im Körper
  • 99 % des Kalziums im Körper
  • 85 % des Phosphors im Körper
    • Kalzium und Phosphat werden in Form von Hydroxylapatitkristallen in den Knochen eingelagert, die die Matrix mineralisieren und dem Knochen seine Härte/Steifigkeit verleihen

Die Zusammensetzung der EZM ändert sich je nach biologischem Geschlecht, Alter und Erkrankungen einer Person.⁽¹¹⁾

Knochenzellen (edit | edit source)

Knochenzellen machen etwa 10 % des gesamten Knochenvolumens aus und erhalten die EZM:⁽³⁾

• Osteoprogenitorzellen: Stammzellen, die eine wichtige Rolle bei der Reparatur und dem Wachstum von Knochen spielen.⁽¹²⁾ Sie sind Vorläufer von spezialisierten Knochenzellen⁽¹²⁾ und sind an der Bildung von „bone remodeling compartments“ (BRCs) beteiligt⁽³⁾
• Osteoblasten: synthetisieren und sezernieren Osteoide (siehe unten) und regulieren die Knochenmineralisierung. Sie sind auch an der Hormonproduktion beteiligt (z.B. Prostaglandine)
• Osteozyten: machen 90-95 % aller Knochenzellen aus.⁽⁴⁾ Sie bilden sich aus Osteoblasten. Sie sind an der Mechanosensibilität (d.h. dem Erkennen mechanischer Belastung) und der Erhaltung und Erneuerung der Knochenmatrix beteiligt.
• Osteoklasten: große mehrkernige knochenabbauende Zellen. Die beiden Zytokine, die für die Osteoklastenbildung wesentlich sind, sind RANK-Ligand (RANKL) und M-CSF (Macrophage Colony-Stimulating Factor)

Osteone
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Das Osteon (oder Havers-System) stellt die einzelne funktionelle Einheit der kortikalen Knochen dar. Es gibt zwei Arten von Osteonen:

• primäre Osteone: befinden sich neben dem primären Knochen⁽¹³⁾
• sekundäre Osteone:⁽¹³⁾
  • bilden sich aus primären Osteonen
  • normalerweise zylindrisch mit konzentrischen Schichten (Lamellen) aus Knochengewebe, die einen zentralen Kanal (Havers-Kanal) umgeben
  • der zentrale Kanal enthält Blutgefäße und Nerven⁽⁶⁾

Osteone helfen bei der Lastübertragung, dem Knochenumsatz und dem Knochenumbau.⁽¹³⁾ Zu diesem System gehören auch Canaliculi und Volkmann-Kanäle, die „die Kommunikation zwischen benachbarten Osteozyten bzw. Osteonen ermöglichen.“⁽⁶⁾

Das folgende Video veranschaulicht die Struktur von Osteonen:

⁽¹⁴⁾

Knochenmark (edit | edit source)

Knochenmark findet sich im spongiösen Teil der Knochen.
Die Hämatopoese, d.h. die Bildung/Neubildungvon roten und weißen Blutkörperchen sowie Blutplättchen, findet im Knochenmark statt.^(6)(15)

Sehen Sie sich das folgende 4-minütige Video an, wenn Sie mehr über die Hämatopoese erfahren möchten:

⁽¹⁶⁾

Periost und Endost (edit | edit source)

Alle Knochen, mit Ausnahme der Sesambeine, haben eine äußere Hülle, das Periost (äußere Knochenhaut).
Das Periost bedeckt den gesamten Knochen, mit Ausnahme der Bereiche, an denen Bänder und Sehnen ansetzen und wo sich Gelenkknorpel befindet. Es ist durch Sharpey-Fasern mit dem Knochen verbunden. Das Periost verändert sich mit dem Alter. Bei Kindern ist es elastischer. Mit zunehmendem Alter nehmen die Innervation und Vaskularisierung des Periosts zu und es wird fester.⁽¹⁷⁾ Es besteht aus zwei Schichten:^(18)(17)

• äußere faserige Schicht: fest und mit Kollagen gefüllt
• innere zelluläre Schicht: enthält Osteoprogenitorzellen und Osteoblasten. Osteoblasten können bei Erwachsenen fehlen, bilden sich aber bei Bedarf (z. B. für die Heilung von Knochenbrüchen)

Das Periost wird von vier Gefäßsystemen versorgt und ist für die Knochenbildung und -resorption von entscheidender Bedeutung. Es kann „auf Störungen der Kortikalis, wie Tumore, Infektionen, Traumata, Medikamente und arthritische Erkrankungen“ reagieren.⁽¹⁷⁾

Das Endost (innere Knochenhaut) ist eine Membran, die die Wand der Knochenmarkhöhle (Cavitas medullaris) auskleidet. Es kleidet auch den zentralen Kanal der Osteone und die inneren Hohlräume des Knochens aus.⁽¹⁸⁾

Remodellierung des Knochens (edit | edit source)

Beim Knochenumbau (Remodellierung) wird alter oder beschädigter Knochen entfernt und durch neuen Knochen ersetzt.^(19)(20) Die Bildung neuen Knochens und die Resorption alten Knochens müssen sorgfältig ausbalanciert werden, um sicherzustellen, dass die Knochenmasse gleich bleibt. Dieser Prozess umfasst alle vier Arten von Knochenzellen und besteht aus vier sich überschneidenden Phasen:⁽³⁾

1. Die Remodellierung wird in einem bestimmten Bereich durch die Rekrutierung von Osteoklastenvorläufern in „bone remodeling compartments“ (BRCs) eingeleitet bzw. aktiviert⁽³⁾
2. Osteoklasten resorbieren alten Knochen, während Osteoprogenitorzellen in die BRCs rekrutiert werden
3. Differenzierung der Osteoblasten: Osteoblasten produzieren Osteoid, um den resorbierten Knochen zu ersetzen
4. Es kommt zur Osteoidmineralisation, die den Zyklus des Knochenumbaus abschließt.⁽³⁾

Sehen Sie sich das folgende Video an, wenn Sie mehr über die Remodellierung des Knochens erfahren möchten:

⁽²¹⁾

Klinische Relevanz (edit | edit source)

Das Knochengewebe ist anfällig für eine Vielzahl von Pathologien, wie z.B.:⁽⁶⁾

• Osteoporose: niedrige Knochenmineraldichte, verursacht durch eine veränderte Knochenmikrostruktur
• Osteomalazie: Erweichung der Knochen (bei Kindern Rachitis genannt)
• Frakturen
  
• Osteomyelitis: eine akute oder chronische Infektion des Knochens
• Achondroplasie : die häufigste Ursache für disproportionierte Kleinwüchsigkeit.⁽²²⁾ Betroffene Personen können aufgrund einer verminderten Entwicklung des enchondralen Knochens kurze Extremitäten aufweisen
• Paget-Krankheit des Knochens (Morbus Paget, Osteodystrophia deformans, Ostitis deformans): ist durch ein Ungleichgewicht zwischen den Aktivitäten von Osteoblasten und Osteoklasten gekennzeichnet. Die Erkrankung erstreckt sich im Allgemeinen auf einen oder mehrere benachbarte Knochen und nicht auf das gesamte Skelettsystem
• Osteosarkom : assoziiert mit „einer bösartigen Proliferation von Osteoblasten.“⁽⁶⁾ Betrifft häufiger den distalen Femur und die proximale Tibia. Bei den Betroffenen können Knochenschmerzen, Schwellungen oder pathologische Frakturen auftreten
• Hämangiom der Wirbelsäule: die häufigste gutartige Neoplasie der Wirbelsäule. Tritt häufig bei Frauen im Alter zwischen 40 und 50 Jahren auf⁽⁸⁾
• avaskuläre Nekrose: Absterben von Gewebe aufgrund mangelnder Blutversorgung
• Erkrankungen der Epiphysenfuge

Referenzen(edit | edit source)