Knochengewebe und -material im gesunden Menschen und bei Krankheit

Auszug

Neben seinen vielen biologischen Funktionen hat der Knochen wesentliche mechanische Aufgaben. Was den Knochen dabei für die Grundlagenforschung so interessant macht, ist die Tatsache, dass er von makroskopischer bis mikroskopischer Größenordnung hierarchisch aufgebaut und strukturell optimiert ist. Dadurch ist der Knochen einerseits relativ leicht, besitzt aber andererseits trotzdem hervorragende mechanische Eigenschaften (wie z. B. eine hohe Festigkeit). Technisch wird solch eine Strategie als „Leichtbauweise“ bezeichnet. Auf der untersten hierarchischen Ebene besteht das Knochenmaterial aus Wasser und einer elastischen organischen Matrix (im Wesentlichen Kollagen Typ I) [1], in die kleine (einige Nanometer Dicke), steife, harte Mineralpartikel aus Hydroxylapatit eingelagert sind [2, 3]. Diese mineralisierte Kollagenfibrille bildet den Grundbaustein des Knochens, aus dem der trabekuläre Knochen und die Kompakta aufgebaut sind. Zusammensetzung und Struktur des Knochens sind wesentlich durch die Zellen bestimmt, die den Knochen umbauen. Die Aktivität der Osteoklasten und Osteoblasten im Gesunden dient neben der Kalziumhomöostase auch dem internen Reparaturmechanismus (Erneuerung von Knochenmaterial) und der Anpassung an veränderte mechanische Belastungen. Dabei bilden die Osteoblasten die organische Matrix (das Osteoid), das anschließend in 2 Phasen mineralisiert. Dies erfolgt in einer raschen primären Phase, in der in wenigen Tagen ca. 70 % des Knochenminerals in das Osteoid eingebaut werden, und einer langsameren sekundären Phase, in der die restlichen 30 % des Minerals über Monate bis Jahre hinweg eingelagert werden [4]. Das heißt, junge Knochenareale sind relativ niedrig, alte hingegen hoch mineralisiert. Bei der Bildung von Osteoid baut sich ein Teil der Osteoblasten selbst in diese Matrix ein und sie werden zu Osteozyten. Diese sind ganz wesentlich an der Mineralisierung des Osteoids beteiligt und im mineralisierten Knochen in den Osteozytenlakunen zu finden. Verbunden sind diese Zellen untereinander mit einem riesigen Netzwerk aus Kanälchen (den sog. Canaliculi), über die sie kommunizieren können. Neben der Detektion von mechanischen Stimuli steuern die Osteozyten einen Großteil der Aktivität der Osteoklasten und Osteoblasten und haben neben der erwähnten wichtigen Rolle bei der Mineralisierung auch wesentliche Funktionen für den Phosphatstoffwechsel [5, 6]. …