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Knochengewebe

Abstract

Der passive Bewegungsapparat des menschlichen Körpers besteht vor allem aus Knochen und Bindegewebsstrukturen wie Knorpeln, Bändern und Sehnen. Diese werden durch den aktiven Bewegungsapparat (Skelettmuskulatur) bewegt. Um den dabei entstehenden Kräften zu widerstehen, ist Knochengewebe zug- und druckfest, jedoch kaum elastisch. Es besteht aus Knochenzellen (Osteoblasten, -zyten und -klasten) und einer speziell mineralisierten Extrazellulärmatrix, deren Hauptbestandteile Kollagenfibrillen und Hydroxylapatitkristalle sind.

Die Entwicklung eines Knochens beginnt mit einem Gerüst, das entweder aus mesenchymalem Bindegewebe (desmale Ossifikation) oder Knorpel (chondrale Ossifikation) besteht. Daraus entwickelt sich zuerst der ungeordnet aufgebaute Geflechtknochen (nur während der Embryonalentwicklung und Frakturheilung), der sukzessive durch den festeren und schichtweise aufgebauten Lamellenknochen ersetzt wird. Makroskopisch lassen sich an einem Lamellenknochen die feste äußere Rindenschicht (Compacta) vom verzweigt aufgebauten Zentrum aus Knochenbälkchen (Spongiosa) abgrenzen.

Überblick

Das stabile Knochengewebe ist Teil des passiven Bewegungsapparates und erfüllt vor allem Stütz- und Schutzfunktionen. Beim Erwachsenen übernehmen die kurzen und platten Knochen zusätzlich blutbildende Funktionen. Zudem dient das Knochengewebe aufgrund seines extrem hohen Calciumanteils als größter Calciumspeicher des Körpers.

Funktionen des Knochens

  • Stützfunktion
  • Schutzfunktion
  • Speicherfunktion (Calciumreservoir)
  • Blutbildung

Abschnitte eines Röhrenknochens

  • Epiphyse
    • Proximales bzw. distales Ende des Röhrenknochens, an dem seine Trabekel den Kraftlinien folgen
    • Bei Kindern und Jugendlichen findet hier das Längenwachstum der Röhrenknochen statt (Epiphysenfuge)
  • Metaphyse: Verbindet die Epiphyse mit der Diaphyse
  • Diaphyse
    • Schaft des Röhrenknochens
    • Beinhaltet die Markhöhle mit dem Knochenmark
  • Apophyse: Größere Knochenvorsprünge, an denen Bänder und Sehen ansetzen

Knochentypen

  1. Ossa longa (Röhrenknochen)
    • Unterteilung in:
  2. Ossa brevia (kurze Knochen)
  3. Ossa plana (platte Knochen)
  4. Ossa pneumatica (luftgefüllte Knochen)
  5. Ossa irregularia (unregelmäßig; entsprechen keiner der o.g. Formen)

Knochenbestandteile

Übersicht der Knochenbestandteile

Alle Knochen des menschlichen Körpers bestehen aus den gleichen Grundbausteinen:

  1. Knochengrundsubstanz, die sich aus organischen und anorganischen Bestandteilen zusammensetzt
  2. Knochenzellen, die den Knochen auf- und umbauen
  3. Knochenhüllen, die die Innen- und Außenseite des Knochens überziehen
  4. Knochenmark, das entweder aktiv an der Blutbildung beteiligt ist (rotes Knochenmark) oder größtenteils durch Fettzellen ersetzt wurde (gelbes Knochenmark)

Die genaue Zusammensetzung bzw. Organisation der einzelnen Knochenbestandteile unterscheidet sich zwischen den unterschiedlichen Knochentypen und ihren Reifestufen.

Knochengrundsubstanz

  1. Organisch
  2. Anorganisch

Knochenzellen

Die Zellen des Knochens befinden sich in unterschiedlichen Bereichen des Knochens und erfüllen verschiedene Funktionen. Osteoblasten und Osteozyten dienen vor allem dem Knochenauf- und -umbau. Osteoklasten sind hingegen vor allem für den Abbau von Knochengewebe zuständig.

Osteoprogenitorzellen

Osteoblasten

  • Definition: Produzenten der Knochengrundsubstanz, die noch nicht im Knochen eingemauert sind
  • Funktionen
    • Produzieren Osteoid (= organische Knochengrundsubstanz) und lagern dieses in Schichten auf bereits bestehender mineralisierter Matrix ab
    • Steuern die Mineralisation des Osteoids (Entstehung von Hydroxylapatit)
    • Regulieren den Knochenumbau
  • Lokalisation: Immer auf freier, knöcherner Oberfläche in den Knochenhüllen (Periost und Endost)

Osteozyten

  • Definition: Osteoblasten, auf deren „Rücken“ eine neue Schicht Osteoid abgelagert wurde
  • Funktion: Steuern wahrscheinlich den Knochenumbau
  • Lokalisation: Verteilt in der mineralisierten Knochenmatrix

Osteoklasten

  • Definition: Mehrkernige Fresszellen, die den mineralisierten Knochen abbauen und durch Fusion von Monozyten entstehen
  • Funktion: Knochenab- und -umbau
  • Lokalisation: Verteilt im Knochen in Howship-Lakunen und Bone Multicellular Units

Blasten bilden, Klasten klauen!

Knochenhüllen

Alle Oberflächen des Knochens sind mit Knochenhüllen bedeckt, mit Ausnahme der mit Knorpel oder Synovialmembran überzogenen Gelenkteile des Knochens. Die äußere Knochenoberfläche ist dabei von Periost, die innere von Endost bedeckt.

Periost und Endost enthalten die gleichen Arten säumender Knochenzellen!

Knochenmark

Reifestufen und deren Aufbau

Die Knochen des menschlichen Körpers werden im Rahmen der embryonalen Entwicklung oder der Frakturheilung erst in Form des primären Geflechtknochens angelegt. Dessen Aufbau ist noch sehr ungeordnet und wird durch stetigen Umbau in die organisierten Gewebsformen des sekundären Lamellenknochens überführt (Spongiosa und Compacta).

Reifegrade des Knochens

  1. Primärer Knochen (= Geflechtknochen)
  2. Sekundärer Knochen (= Lamellenknochen)

Frakturen und Frakturheilung:“
Werden Knochen über ihre Belastungsgrenzen hinweg strapaziert, können sie brechen, d.h. es kommt zur Fraktur. Diese Fraktur kann auf zwei Wegen verheilen: Die primäre Frakturheilung findet statt, wenn die gebrochenen Knochenenden chirurgisch optimal adaptiert werden (Abstand <1 mm). Hierbei kann direkt Lamellenknochen im Frakturspalt gebildet werden (Spaltheilung). Die sekundäre Frakturheilung findet hingegen statt, wenn der Abstand der Frakturenden größer ist. Dabei wird der Bruchspalt initial mit Binde- und Knorpelgewebe (fibrokartilaginärer Kallus) überbrückt, welches im Laufe der Zeit durch enchondrale Ossifikation zu Geflechtknochen (knöcherner Kallus) umgebaut wird. Im Verlauf von Monaten wird der Geflechtknochen langsam wieder in belastbareren Lamellenknochen umgebaut. Wird dieser Heilungsprozess durch Bewegen der Frakturenden nachhaltig gestört (bspw. unzureichende Immobilisation), kann es zur Ausbildung eines sog. Scheingelenks (Pseudarthrose) kommen.

Die Ausrichtung der Kollagenfasern der Extrazellulärmatrix im Knochen ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zwischen unreifem Geflechtknochen und reifem Lamellenknochen!

Aufbau des Geflechtknochens

Geflechtknochen entstehen, wenn in kurzer Zeit viel Knochensubstanz gebildet wird (bspw. embryonale Entstehung, Frakturheilung). Sie haben daher eine weniger stark organisierte Extrazellulärmatrix als Lamellenknochen. Dies gilt vor allem für die Ausrichtung der Kollagenfasern und der Gefäße. Darüber hinaus ist auch die extrazelluläre Matrix des Geflechtknochens noch deutlich schwächer mineralisiert.

Aufbau des Lamellenknochens

Der Lamellenknochen setzt sich aus den gleichen Grundbestandteilen wie der Geflechtknochen zusammen, ist jedoch deutlich stärker organisiert. In seinem Zentrum besteht er vor allem aus der Substantia spongiosa, in seinen Randbereichen aus der deutlich dichteren und festeren sog. Substantia compacta.

Gewebetypen des Lamellenknochens

  1. Substantia spongiosa („Spongiosa“)
    • Definition: Schwammartiges Geflecht dünner Knochenbälkchen („Trabekel“) im Inneren des Lamellenknochens
    • Eigenschaften
      • Trabekel richten sich entlang der größten Druck- und Zugkräfte aus (sog. trajektorielle Ausrichtung)
      • Die Knochenlamellen sind parallel zur Trabekeloberfläche ausgerichtet
      • Knochenmark liegt in den Zwischenräumen der Spongiosa
  2. Substantia compacta („Compacta“)

Sowohl Spongiosa als auch Compacta bestehen aus Lamellen, die jedoch unterschiedlich angeordnet sind!

Vaskularisierung des Lamellenknochens

Da der Lamellenknochen ein lebendiges Organ ist, muss er stetig mit Blut versorgt werden. Dies geschieht über sog. Foramina nutricia, die das Eintreten vieler Gefäße (sog. Vasa nutricia) in den Knochen ermöglichen. Innerhalb des Knochens verlaufen die größeren Gefäße entweder im Zentrum der Osteone in den sog. Havers-Kanälen oder in vertikal dazu stehenden Verbindungskanälen, den sog. Volkmann-Kanälen.

Der Verlauf der Gefäße des Lamellenknochens ist durch die Leitstrukturen der Havers- und Volkmann-Kanäle strikt vorgegeben. Die Gefäße des Geflechtknochens verlaufen hingegen „ungeordnet“!

Verknöcherung (Ossifikation)

Reifer Lamellenknochen entsteht durch den stetigen Umbau des unreifen Geflechtknochens. Letzterer kann wiederum auf zwei Arten entstehen: direkt aus Bindegewebe (desmale Ossifikation) oder indirekt ausgehend von einem Knorpelmodell (chondrale Ossifikation). Die meisten Knochen (wie bspw. die langen Röhrenknochen) entstehen durch chondrale Ossifikation. Der genaue Ablauf sowie Zeitplan variiert dabei stark zwischen den verschiedenen Knochen des Körpers. Bei vielen Knochen ist die Verknöcherung zum Zeitpunkt der Geburt noch nicht abgeschlossen.

Überblick der Ossifikation

  1. Entstehung von primärem Geflechtknochen durch:
  2. Umbau des primären Geflechtknochens in sekundären Lamellenknochen

Arten der Ossifikation

  1. Desmale Ossifikation
  2. Chondrale Ossifikation

Die meisten Knochen entstehen durch chondrale Ossifikation!

Die chondrale Ossifikation von Röhrenknochen

Röhrenknochen entstehen in einem mehrschrittigen Prozess, bei dem die Verknöcherung einerseits innerhalb der knorpeligen Vorlage (enchondrale Ossifikation) und andererseits um die knorpelige Vorlage (perichondrale Ossifikation) des Knochens herum beginnt. Noch vor der Geburt fangen die Diaphysen der Röhrenknochen an zu verknöchern. Erst nach der Geburt beginnen auch die Epiphysen zu verknöchern, wobei deren Wachstumsfuge (sog. Epiphysenfuge) erst im Jugendalter verknöchert. Das Wachstum der Knorpelzellen der Epiphysenfuge ist für das Längenwachstum der Röhrenknochen verantwortlich.

Übersicht

  1. Röhrenknochen ossifizieren mehrschrittig sowohl mittels peri- als auch mittels enchondraler Ossifikation
  2. Diaphysen beginnen bereits während der Embryonalzeit zu verknöchern (primäre Knochenkerne)
  3. Epiphysen ossifizieren erst nach der Geburt (sekundäre Knochenkerne)

Ablauf

Epiphysenfuge und Längenwachstum

Die Epiphysenfuge ist ein nach der Geburt knorpelig verbleibender Bereich zwischen Epiphyse und Diaphyse, dessen Knorpelzellen den Röhrenknochen durch Teilung und Hypertrophierung in seiner Länge wachsen lassen.

Übersicht des Längenwachstums der Röhrenknochen

Aufbau einer Epiphysenfuge von der Epi- zur Diaphyse

  1. Reservezone
  2. Proliferationszone
  3. Hypertrophe Zone
  4. Eröffnungszone
    • Funktionen
    • Ablauf
    • Ergebnis: Mineralisierte vertikale Säulen verbleiben (verknöcherte Longitudinalsepten)
      • Nur ca. ⅓ der Longitudinalsepten wird erhalten, der Rest wird durch Chondroklasten abgebaut
  5. Ossifikationszone
    • Besiedelung der mineralisierten Longitudinalsepten durch Osteoblasten des Knochens → Bildung von Osteoid → Mineralisation

Achondroplasie (früher auch Chondrodystrophie genannt)
Die Achondroplasie ist eine genetisch bedingte Knorpelbildungsstörung, die zu Kleinwuchs führt. Die Störung wirkt sich vor allem an den Epiphysenfugen der langen Röhrenknochen aus, die sich vorzeitig schließen. Das hierdurch ausbleibende Längenwachstum führt zum Kleinwuchs mit einer disproportionalen Körperstatur (bspw. normaler Rumpf bei überproportional großem Kopf und kurzen, plumpen Extremitäten).

Epiphysenfraktur
Kommt es im Kindes- oder Jugendalter vor dem physiologischen Schluss der Epiphysenfuge zu gelenknahen Frakturen, kann auch die Epiphysenfuge beschädigt werden. Die Folgen reichen von Wachstumsstörungen (bspw. asymmetrisches Wachstum bei ausschließlich medialer/lateraler Verletzung der Epiphysenfuge) über Wachstumshemmungen bis hin zum vollständigen Wachstumsstopp des betroffenen Knochens.

Knochenumbau und dessen Regulation

Das menschliche Skelett befindet sich stetig in einem dynamischen Zustand des Auf- und Abbaus (sog. „Remodeling“). Dies gilt nicht nur für den Ersatz des unreifen Geflechtknochens durch Lamellenknochen, sondern auch für die funktionelle Anpassung der adulten Knochen an ihre individuelle Beanspruchung.

Knochenumbau

  • Beteiligte Zellen: Osteoklasten (Abbau) und Osteoblasten (Aufbau)
  • Organisation der Zellen in
  • Dauer des Umbaus: Meist länger als die Lebensdauer der beteiligten Zellen → Stetiger Ersatz beteiligter Zellen nötig

Knochenumbau in der Compacta

  • Abbau
    1. Osteoklasten der Bone Multicellular Units fressen „rücksichtslos“ einen „Bohrkanal“ in die vorhandene Compacta des Knochens
    2. Bindegewebe Gefäße und marklose Nerven sprossen in den Bohrkanal ein
  • Aufbau
    1. Osteoblasten folgen den Osteoklasten in den Bohrkanal → Ablagerung der ersten Osteoidschicht im Bohrkanal
    2. Weitere Osteoblasten folgen und lagern Osteoid auf der ersten Osteoidschicht ab → Osteoblasten der ersten Schicht werden eingemauert → Werden zu Osteozyten
    3. Ablagerungsprozess wiederholt sich, bis der Bohrkanal fast ausgefüllt ist → Zentraler Havers-Kanal bleibt offen
    4. Innerste (d.h. die letzte) Osteoblastengeneration wird nicht mehr eingemauert → Zellen kehren in Ruhezustand zurück und bilden Endost
    5. Mineralisation der neuen Knochenmatrix schreitet sukzessive fort, obwohl Osteon bereits fertiggestellt ist

Knochenumbau in der Spongiosa

  • Abbau
    1. Osteoklast setzt sich auf zu resorbierende Spongiosatrabekel und verschließt die unter ihm liegende Resorptionszone durch einen Versiegelungsring
    2. Mittels Carboanhydrase werden aus H2CO3 Protonen bereitgestellt; HCO3- wird an der knochenabgewandten Seite im Antiport gegen Chlorid-Ionen getauscht (HCO3-/Cl--Austauscher)
    3. Sekretion von Chlorid-Ionen (passiv) und Protonen (aktiv, mittels ATPase) in die Resorptionslakune (→ HCl), wodurch ein saures Milieu entsteht (ca. pH 4,5) → Auflösung der anorganischen Knochenbestandteile
    4. Sekretion von lysosomalen Enzymen (vor allem Cathepsin K und Matrix-Metallo-Proteinasen) → Zersetzung der organischen Knochenbestandteile
    5. Endo-/Transzytose der Knochenbestandteile
  • Aufbau
    1. Auffüllung der Löcher durch Osteoblastengruppen → Werden unter jeder Lamelle eingemauert (und werden ab diesem Zeitpunkt Osteozyten genannt)
    2. Letzte Osteoblastengruppe verbleibt (wie bei der Compacta) als Teil des Endosts auf der Knochenoberfläche

Regulation des Knochenumbaus

Der Knochen wird stetig umgebaut, wobei dieser Umbau sehr genau gesteuert werden muss. Dabei wird auf molekularer Ebene vor allem die Aktivität der knochenaufbauenden Osteoblasten und die der knochenabbauenden Osteoklasten reguliert. Dies geschieht durch eine Vielzahl verschiedener Faktoren.

Östrogene wirken bei beiden Geschlechtern positiv auf die Knochenbilanz, da sie einerseits die Osteoklastenentstehung und -aktivierung (d.h. die RANKL-Wirkung) hemmen und andererseits die Bildung von OPG erhöhen!

Osteoporose und Bisphosphonate
Ist die Bilanz des Knochenumbaus negativ, d.h. wird mehr Knochen ab- als aufgebaut, so führt dies auf Dauer zur Abnahme der Knochenmasse und zur Veränderung der Trabekelarchitektur. Diese als „Osteoporose“ bezeichnete Erkrankung steigert die Frakturanfälligkeit der Knochen . Ursächlich ist häufig ein Östrogenmangel, der bei Frauen ab der Menopause und bei Männern im höheren Alter auftreten kann. Eine häufig verwendete Medikamentengruppe zur Behandlung der Osteoporose sind die sog. Bisphosphonate. Sie lagern sich in die Knochensubstanz ein und werden von Osteoklasten beim Knochenabbau aufgenommen. Durch die Aufnahme von Bisphosphonaten werden Osteoklasten (und somit der Knochenabbau) gehemmt.

Osteomalazie und Rachitis
Ist die Mineralisation, d.h. der Einbau von Calcium und Phosphat in den Knochen, gestört, spricht man bei Erwachsenen von Osteomalazie und bei Kindern von Rachitis. Ursächlich ist häufig ein Vitamin-D-Mangel aufgrund mangelnder Zufuhr oder unzureichender Bildung (bspw. bei mangelnder Sonnenexposition). Die fehlende Mineralisation nimmt den Knochen ihre Stabilität und führt bei den Patienten häufig zuerst zu Knochenschmerzen, dann zur Deformation (Verbiegen der Knochen) und schließlich zu pathologischen Frakturen.

Morbus Paget
Der Morbus Paget beschreibt den Zustand eines krankhaft erhöhten Knochenumbaus, wobei hochwertiger, sekundärer Lamellenknochen durch minderwertigen, primären Geflechtknochen ersetzt wird. Da Geflechtknochen nicht die exzellenten mechanischen Eigenschaften des Lamellenknochens besitzen, kann es bei den Betroffenen zu Knochenschmerzen, Skelettdeformitäten und sogar pathologischen Frakturen kommen. Die Ursache dieser Erkrankung ist noch nicht geklärt. Sie wird deshalb lediglich symptomatisch mit Schmerzmitteln (bspw. NSAR) und „Osteoklastenaktivitätshemmern“ (Bisphosphonaten) behandelt.

Wiederholungsfragen zum Kapitel Knochengewebe

Knochenbestandteile

Wie ist die Knochengrundsubstanz aufgebaut?

Reifestufen und deren Aufbau

Aus welchen zwei makroskopisch unterscheidbaren Gewebetypen besteht der Lamellenknochen?

Beschreibe den histologischen Aufbau der Substantia compacta eines Lamellenknochens!

Verknöcherung (Ossifikation)

Wie beginnt die enchondrale Ossifikation der Diaphysen von Röhrenknochen?

Epiphysenfuge und Längenwachstum

Welche charakteristischen Zonen findet man in dem histologischen Schnitt einer Epiphysenfuge?

Was ist die Funktion der hypertrophen Zone der Epiphysenfuge?

In welcher Zone der Epiphysenfuge findet man mitotisch aktive Chondrozyten?

Was ist die Aufgabe der Chondroklasten in der Eröffnungszone?

Knochenumbau und dessen Regulation

Welche Zellen sind am Umbau des Knochens beteiligt?

Welches Enzym spielt eine entscheidende Rolle beim Abbau organischer Knochenanteile?

Welche Rolle spielen die Oberflächenproteine RANK und RANKL bei der Regulation des Knochenumbaus?