Bone

Einleitung(edit | edit source)

Menschliches Skelett

Das Knochengewebe hat sowohl eine Stütz- als auch eine Bewegungsfunktion.(1) Die Knochen bilden nicht nur das physische Gerüst des Körpers, sondern ermöglichen auch die Fortbewegung, indem sie Ansatzpunkte für Muskeln, Sehnen und Bänder bieten.(2) Darüber hinaus ermöglichen die Knochen motorische Fähigkeiten, schützen lebenswichtige Organe, erleichtern die Atmung, spielen eine Rolle bei der Homöostase und produzieren eine Vielzahl von Zellen im Knochenmark, die für das Überleben unerlässlich sind.(3) Knochengewebe ist insofern einzigartig, als es sich regenerieren und in einen voll funktionsfähigen Zustand wie noch vor der Verletzung zurückversetzen kann.(2)

Der Knochen ist ein stoffwechselaktives Bindegewebe, das strukturelle Unterstützung bietet, die Bewegung ermöglicht und lebenswichtige Organe schützt. Knochen besteht aus einer extrazellulären Matrix und Knochenzellen (Osteozyten).(4) Unter den richtigen Bedingungen durchläuft das Knochengewebe einen Mineralisierungsprozess und wird durch eingelagertes Kalzium gehärtet. Knochen ist hart und viele seiner Funktionen hängen von dieser charakteristischen Härte ab.(5)

Das Skelett eines erwachsenen Menschen besteht aus 206 Knochen. Bei der Geburt gibt es etwa 270 Knochen, wobei die endgültige Anzahl der Knochen beim Erwachsenen abnimmt, da ein Teil dieser Knochen während der Phasen des Skelettwachstums und der Reifung verschmilzt. Während des Lebens baut sich Knochengewebe ständig um, wobei der größte Teil des erwachsenen Skeletts etwa alle 10 Jahre erneuert wird.(6)

Alle Knochen bestehen im Wesentlichen aus zwei Anteilen: Substantia spongiosa (Spongiosa) und Substantia corticalis / compacta (Kortikalis / Kompakta). Von diesen beiden Knochenanteilen macht die Kortikalis bzw. Kompakta den größten Teil des Skelettsystems aus (bis zu 80 %), während der Rest aus spongiösem Knochen besteht.(7)

Sehen Sie sich dieses 10-minütige Video über das Skelettsystem an und erfahren Sie, warum die Astronauten Scott Kelly und Mikhail Kornienko im Weltraum unterwegs sind, um es zu untersuchen. Es umfasst auch die Anatomie des Skelettsystems, einschließlich der flachen, kurzen und unregelmäßigen Knochen und ihrer individuellen Anordnungen aus kompakten und spongiösem Knochen.

(8)

Knochenstruktur ( edit | edit source )

Anatomie des Röhrenknochens

Der Knochen besteht aus zwei makroskopischen Bauformen:

  1. Kompakter bzw. kortikaler Knochen (Substantia compacta / corticalis): Er macht 80 % des gesamten Knochens im Körper aus und ist viel stärker als spongiöser / trabekulärer Knochen. Er ist sehr widerstandsfähig gegen Biegung, Torsion und Kompression. Er ist viel dichter und spielt im Stoffwechsel nur eine geringe Rolle. Man findet diese Struktur vor allem im Schaft langer Knochen wie dem Femur und der Tibia sowie im äußeren Rand des spongiösen Knochens.
  2. Spongiöser bzw. trabekulärer Knochen (Substantia spongiosa / trabecularis): macht nur 20 % des gesamten Knochens aus, hat aber ein zehnmal größeres Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen als der kortikale Knochen. Er reagiert achtmal schneller auf Laständerungen und ist damit wesentlich dynamischer. Diese Knochenstruktur tritt in Bereichen auf, die einer stärkeren Kompression ausgesetzt sind, wie z. B. die Wirbelkörper, das Becken und die Metaphysen.(9)

Periosteum (starkes Grün)

Die Knochen enthalten auch:

Knochentypen ( edit | edit source )

Klassifikation von Knochen

Im menschlichen Körper gibt es fünf Knochentypen:

  1. Lange Knochen oder Röhrenknochen (Ossa longa): Bestehen meist aus kompaktem Knochen und haben wenig Knochenmark. Die meisten Knochen in den Extremitäten sind lange Knochen. Diese Knochen dienen dazu, das Gewicht zu tragen und die Bewegung zu unterstützen (z. B. Femur, Tibia, Fibula, Humerus).
  2. Kurze Knochen (Ossa brevia): Sie bestehen nur aus einer dünnen Schicht aus kompaktem Knochen (z. B. Hand- und Fußwurzelknochen).
  3. Flache Knochen (Ossa plana): Normalerweise Knochen, die dünn und gebogen sind. Sie bestehen aus zwei äußeren Schichten aus kompaktem Knochen und einer inneren Schicht aus spongiösem Knochen. Zu den flachen Knochen gehören die meisten Schädelknochen und das Brustbein (Sternum). Sie haben in der Regel eine Schutzfunktion (z. B. Brustbein, Rippen).
  4. Sesambeine (Ossa sesamoidea): Diese sind in Sehnen eingebettet (z. B. Patella). Sie schützen die Sehnen vor Verschleiß und Überlastung.
  5. Unregelmäßige Knochen (Ossa irregularia): Wie der Name schon sagt, handelt es sich um Knochen, die nicht in die ersten vier Kategorien passen und eine ungewöhnliche Form haben. Dazu gehören die Knochen der Wirbelsäule und des Beckens. Sie schützen oft Organe oder Gewebe.

Allgemeine Anatomie ( edit | edit source )

Physeal-anatomy-illustration.jpeg

Ein langer Knochen (Röhrenknochen) besteht aus zwei Teilen, der Diaphyse und der Epiphyse. Knochen, die eine chondrale Ossifikation durchlaufen, haben auch eine Epiphysenfuge (Wachstumsfuge).

  1. Die Diaphyse ist der röhrenförmige Schaft, der zwischen dem proximalen und distalen Ende des Knochens verläuft. Der hohle Bereich in der Diaphyse wird als Markraum bezeichnet, der mit gelbem Knochenmark gefüllt ist. Die Wände der Diaphyse bestehen aus dichtem, hartem kompaktem Knochen.(11)
  2. Die Epiphysen oder Wachstumsfugen befinden sich in Knochen, die eine chondrale Ossifikation durchlaufen (der Prozess, bei dem die mesenchymale, knorpelige Knochenmatrix der meisten Knochen zum Längenwachstum beiträgt und allmählich durch Knochen ersetzt wird).(12)
  3. Die Epiphyse ist der Teil bzw. Endstück eines Knochens, der durch einen separaten Knochenkern verknöchert und durch die Epiphysenfuge von der Diaphyse getrennt ist Die Epiphyse trägt zu einem Gelenk bei, während eine Apophyse ein Fortsatz mit ebenfalls separatem Ossifikationszentrum ist, an dem Sehnen oder Bänder ansetzen. Sobald die Epiphysenfuge verwachsen ist, sind Epiphyse und Diaphyse durch die Metaphyse knöchern miteinander verbunden.

Zusammensetzung des Knochens ( edit | edit source )

Zusammensetzung des Knochens

Der Knochen besteht aus Zellen und der extrazellulären Matrix (EZM), die sowohl organische als auch anorganische Substanzen enthält. Osteoblasten synthetisieren die EZM des Knochens.

Die EZM besteht aus:

  1. Kollagen vom Typ I, gemischt mit einer Matrix aus Kalziumphosphatkristallen (die bis zu 70 % des Trockengewichts ausmachen)
  2. Proteoglykane und Glykoproteine, die weniger häufig vorkommen, aber für die Organisation der Kollagenfasern, die Mineralisierung und die Resorption des Knochens unerlässlich sind. Chondroitinsulfat macht 67-97 % der Glykosaminoglykane (GAGs) des Knochens aus.(13)

Knochenzellen ( edit | edit source )

Knochenzellen

Knochenzellen machen etwa 10 % des gesamten Knochenvolumens aus. Die Knochen sind kein statisches Gewebe, sondern müssen ständig erhalten und umgebaut werden. An diesem Prozess sind hauptsächlich drei Zelltypen beteiligt.

  1. Osteoblasten: Stammzellen aus dem Knochenmark können sich in Osteoblasten differenzieren. Diese sind für den Aufbau und die Regeneration der Knochensubstanz zuständig. Osteoblasten produzieren eine zunächst weiche Mischung aus verschiedenen Proteinen, das Osteoid, das mineralisiert und zu Knochen wird. Eine weitere Funktion der Osteoblasten ist die Herstellung von Hormonen, einschließlich Prostaglandinen.
  2. Osteozyten: Inaktive Osteoblasten, die sich in dem von ihnen gebildeten Knochen festgesetzt haben. Sie unterhalten Verbindungen zu anderen Osteozyten und Osteoblasten. Osteozyten sind wichtig für die Kommunikation im Knochengewebe.
  3. Osteoklasten: Große Zellen mit mehr als einem Zellkern, die Knochen abbauen. Sie setzen Enzyme und Säuren frei, die die Mineralien im Knochen auflösen und verdauen. Dieser Prozess wird als Resorption bezeichnet. Osteoklasten tragen zur Remodellierung verletzter Knochen bei und schaffen Wege für Nerven und Blutgefäße, die sie durchqueren.(10)

Extrazelluläre Matrix ( edit | edit source )

Knochen sind in Wirklichkeit lebende Zellen, die in eine organische Matrix auf Mineralbasis eingebettet sind. Diese extrazelluläre Matrix (EZM) besteht aus:

  • organische Bestandteile, hauptsächlich Typ-1-Kollagen;
  • anorganische Bestandteile, einschließlich Hydroxylapatit und andere Salze, wie Kalzium und Phosphat.

Kollagen verleiht dem Knochen seine Zugfestigkeit, d. h. die Fähigkeit, Zugspannung zu widerstehen. Hydroxylapatit verleiht den Knochen Druckfestigkeit, d.h. die Fähigkeit, Druckkräften zu widerstehen.(10)

Knochenmark und Hämatopoese (Blutbildung) ( edit | edit source )

Knochenmark findet sich in fast allen Knochen, in denen Spongiosa vorhanden ist. Das Knochenmark ist für die Hämatopoese zuständig, d. h. die Produktion von roten (Erythrozyten) und weißen Blutkörperchen (Leukozyten) sowie von Blutplättchen (Thrombozyten).(9) Pro Sekunde werden etwa 2 Millionen neuer Blutzellen produziert. Defekte und alte Erythrozyten werden ebenfalls im Knochenmark abgebaut.(10)(9)

Dieses 4-minütige Video erklärt die Hämatopoese: Bildung von Blutzellen

(14)

Die Funktionseinheit des kompakten Knochens ( edit | edit source )

Osteon: Strukturelle Einheit des Knochens mit Havers-Kanal und entsprechenden Lamellen aus kompaktem Knochen

Das Osteon stellt die einzelne funktionelle Einheit des Knochengewebes dar. Es ist mit konzentrischen Lamellen aus Kollagenfasern um einen zentralen Kanal herum angeordnet, „der die arterielle, venöse und neurale Versorgung der Osteozyten enthält“(9) und als Havers-Kanal bezeichnet wird. Zum Havers-System gehören auch die Canaliculi und die Volkmann-Kanäle. Diese ermöglichen die Kommunikation zwischen benachbarten Osteozyten bzw. Osteonen. Osteone sind mehrere Millimeter lang und haben einen Durchmesser von etwa 0,2 Millimetern; sie verlaufen in der Regel parallel zur Längsachse eines Knochens.(9)

Mechanische Funktionen ( edit | edit source )

Der Schädel bietet Schutz für das Gehirn

  1. Schutzfunktion. Die Knochen sind lebenswichtig für den Schutz der wichtigen und empfindlichen Organe im Körper. Knochen schützen zum Beispiel das Herz und das Gehirn.
  2. Stabilität und Gerüstfunktion. Ohne Knochen hätte unser Körper kein Gerüst als feste Struktur, die das Körpergewicht stützt und eine aufrechte Haltung ermöglicht.
  3. Bewegungsfunktion. Die Knochen dienen als Ansatzpunkte und Hebel und sorgen zusammen mit den Gelenken, Bändern, Sehnen und Muskeln dafür, dass sich der Körper so bewegen kann, wie er es tut.
  4. Schalltransduktion. Knochen sind auch wichtig für die Weiterleitung von Schall bzw. Vibrationen, die zum Hören beitragen.(15)(9)

Metabolische Funktionen ( edit | edit source )

Die Stoffwechselfunktionen des Knochens sind vielfältig:

  1. Die Knochenmatrix kann mehrere Mineralien speichern, vor allem Kalzium und Phosphor, aber auch Eisen in Form von Ferritin.
  2. Chondroitinsulfat, ein Glykosaminoglykan, ist ebenfalls ein häufig vorkommendes Element in der Knochenmatrix.
  3. Bestimmte Wachstumsfaktoren, darunter der insulinähnliche Wachstumsfaktor (IGF-1), werden in den Knochen eingelagert und dann in regelmäßigen Abständen freigesetzt.
  4. Das pH-Gleichgewicht wird ebenfalls reguliert, da die Knochen die Zusammensetzung der alkalischen Salze im Serum verändern können, um den optimalen pH-Wert aufrechtzuerhalten.
  5. Osteozyten können toxische Moleküle und Schwermetalle aus dem Serum aufnehmen und so entgiften.
  6. Fettspeicherung.(9)

Remodellierung(edit | edit source)

Dabei handelt es sich um einen physiologischen Prozess, bei dem alter oder beschädigter Knochen durch Osteoklasten abgebaut und anschließend durch neuen, von Osteoblasten gebildeten Knochen ersetzt wird.(16)(17) Die Knochenbildung und die Knochenresorption sind eng aneinander gekoppelt, um sicherzustellen, dass es nach jedem Umbau zu keiner Nettoveränderung der Knochenmasse oder -qualität kommt. Die Remodellierung erfordert ein koordiniertes Vorgehen der vier Arten von Knochenzellen. Der Prozess umfasst vier verschiedene, sich jedoch überschneidende Hauptphasen:

  1. Initiierung/Aktivierung des Knochenumbaus an einer bestimmten Stelle. Die Osteoklastenvorläufer werden in die „Bone Remodelling Compartments“ (BRCs, etwa: Kompartimente für den Knochenumbau) rekrutiert.
  2. Knochenresorption und gleichzeitige Rekrutierung von Osteoprogenitoren. Die Knochenresorption ist das vorherrschende Ereignis, aber auch die Rekrutierung von mesenchymalen Stammzellen und/oder Osteoprogenitoren in die BRCs wird eingeleitet.
  3. Differenzierung und Funktion der Osteoblasten (Osteoidsynthese). Der abgebaute Knochen wird durch Osteoid ersetzt, das von den Osteoblasten produziert wird.
  4. Mineralisierung des Osteoids und Abschluss der Remodellierung. Wenn das Osteoid mineralisiert ist, endet der Knochenumbauzyklus.(4)

Sehen Sie sich dieses 8-minütige Video über die Remodellierung des Knochens an.

(18)

Klinische Relevanz ( edit | edit source )

Das Knochengewebe ist anfällig für eine Vielzahl von Pathologien, die embryologische, metabolische, autoimmune, neoplastische oder idiopathische Ursachen haben können. Dazu gehören unter anderem die im Folgenden genannten Erkrankungen:

  • Achondroplasie ist eine genetische Störung, die häufig als Ursache für Zwergwuchs angesehen wird. Betroffene Personen können aufgrund einer verminderten Entwicklung des enchondralen Knochens kurze Extremitäten aufweisen.
  • Die Paget-Krankheit des Knochens (Morbus Paget, Osteodystrophia deformans, Ostitis deformans) ist durch ein Ungleichgewicht zwischen den Aktivitäten von Osteoblasten und Osteoklasten gekennzeichnet. Die Erkrankung unbekannter Ätiologie betrifft nur örtlich begrenzte Teile des Skeletts und erstreckt sich im Allgemeinen auf einen oder mehrere benachbarte Knochen und nicht auf das gesamte Skelettsystem.
  • Unbehandelt kann die Paget-Krankheit ein Risikofaktor für ein Osteosarkom sein, eine bösartige Proliferation von Osteoblasten.
  • Neoplasien des Knochens beginnen meist in der Metaphyse der langen Röhrenknochen. Die Patienten können über Knochenschmerzen mit Schwellungen berichten, oder es kann eine pathologische Fraktur auftreten (d. h. ein Knochenbruch, der durch eine krankheitsbedingte Schwäche des Knochengewebes und nicht durch ein adäquates Trauma verursacht wird). Dies ist bei Jugendlichen häufiger der Fall als bei älteren Menschen.(9)
  • Frakturen
  • Osteoporose. Dabei handelt es sich um eine häufige Störung des Knochenumbaus, die durch eine geringe Knochenmasse und eine strukturelle Verschlechterung des Knochens gekennzeichnet ist. Sie verursacht Knochenbrüchigkeit und eine erhöhte Anfälligkeit für Frakturen.(4)
  • Osteoarthritis
  • Osteomalacia
  • Rachitis
  • Störungen der Epiphysenfuge

Referenzen(edit | edit source)

  1. Proia P, Amato A, Drid P, Korovljev D, Vasto S, Baldassano S. The impact of diet and physical activity on bone health in children and adolescents. Frontiers in Endocrinology. 2021;12.
  2. 2.0 2.1 Salhotra A, Shah HN, Levi B, Longaker MT. Mechanisms of bone development and repair. Nature reviews Molecular cell biology. 2020 Nov;21(11):696-711.
  3. Cowan PT, Kahai P. Anatomy, Bones.(Updated 2021 Jul 26). StatPearls (Internet). Treasure Island (FL): StatPearls Publishing. 2022.
  4. 4.0 4.1 4.2 El Sayed SA, Nezwek TA, Varacallo M. Physiology, Bone. InStatPearls (Internet) 2019 Jul 29. StatPearls Publishing. Available from:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK441968/ (last accessed 10.2.2020)
  5. Opentextbc.ca. (2018). 6.3 Bone Structure – Anatomy and Physiology. (online) Available at: https://opentextbc.ca/anatomyandphysiology/chapter/6-3-bone-structure/
  6. Office of the Surgeon General (US. The Basics of Bone in Health and Disease. InBone Health and Osteoporosis: A Report of the Surgeon General 2004. Office of the Surgeon General (US). Available from:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK45504/ (last accessed 10.2.2020)
  7. Singh S, Bray TJ, Hall-Craggs MA. Quantifying bone structure, micro-architecture, and pathophysiology with MRI. Clinical radiology. 2018 Mar 1;73(3):221-30.
  8. Crash Course. The Skeletal System: Crash Course Anatomy & Physiology #19. Available from: http://www.youtube.com/watch?v=dMH0bHeiRNg (last accessed 7.8.2022)
  9. 9.0 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 Baig MA, Bacha D. Histology, Bone. InStatPearls (Internet) 2019 May 5. StatPearls Publishing. Available from:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK541132/ (last accessed 10.2.2020)
  10. 10.0 10.1 10.2 10.3 Medical News Today Bones Available:https://www.medicalnewstoday.com/articles/320444#The-structure-of-bones (accessed 7.8.2022)
  11. Hall JE. Guyton and Hall textbook of medical physiology e-Book. Elsevier Health Sciences; 2015 May 31.
  12. Radiopedia Physes Available:https://radiopaedia.org/articles/physis?lang=us (accessed 8.8.2022)
  13. Mmegias ECM Available: https://mmegias.webs.uvigo.es/02-english/5-celulas/2-tipos_mat_met.php (accessed 28.6.2022)
  14. Alila Medical Media. Hematopoiesis – Formation of Blood Cells, Animation. Available from: https://www.youtube.com/watch?v=0deCbmh7PHs (last accessed 7.8.2022)
  15. Med net health Functions of bones Available: http://www.med-health.net/Functions-Of-Bones.html (accessed 7.8.2022)
  16. Epsley S, Tadros S, Farid A, Kargilis D, Mehta S, Rajapakse CS. The effect of inflammation on bone. Frontiers in physiology. 2021:1695.
  17. Ofer L, Dean MN, Zaslansky P, Kult S, Shwartz Y, Zaretsky J, Griess-Fishheimer S, Monsonego-Ornan E, Zelzer E, Shahar R. A novel nonosteocytic regulatory mechanism of bone modeling. PLoS biology. 2019 Feb 1;17(2):e3000140.

  18. Physiology for Hippies
    . How are bones remodeled?. Available from: https://www.youtube.com/watch?v=sNfY8z3CqDg (last accessed 8.8.2022)


Berufliche Entwicklung in Ihrer Sprache

Schließen Sie sich unserer internationalen Gemeinschaft an und nehmen Sie an Online-Kursen für alle Rehabilitationsfachleute teil.

Verfügbare Kurse anzeigen