Wie funktionieren Knochen? – Struktur und Ultrastruktur

Knochen ist eine spezialisierte Art von Bindegewebe. Es hat ein einzigartiges histologisches Erscheinungsbild, das es ihm ermöglicht, seine zahlreichen Funktionen zu erfüllen:

• Hämatopoese – die Bildung von Blutzellen aus hämatopoetischen Stammzellen im Knochenmark.
• Lipid- und Mineralspeicher – Knochen ist ein Reservoir, das Fettgewebe im Knochenmark und Kalzium in den Hydroxylapatitkristallen hält.
• Unterstützung – Knochen bilden das Gerüst und die Form des Körpers.
• Schutz – insbesondere das Achsenskelett, das die wichtigsten Organe des Körpers umgibt.

In diesem Artikel betrachten wir die Ultrastruktur des Knochens – seine Bestandteile, Struktur und Entwicklung. Wir werden auch untersuchen, wie Krankheiten seine Struktur beeinflussen können.

Bestandteile des Knochens

Knochen ist eine spezialisierte Form von Bindegewebe. Wie jedes Bindegewebe lassen sich seine Bestandteile in Zellbestandteile und die extrazelluläre Matrix unterteilen.

Zelluläre Komponenten

Es gibt drei Arten von Zellen im Knochen:

• Osteoblasten – Synthetisieren unverkalkte/unmineralisierte extrazelluläre Matrix namens Osteoid. Dieser wird später verkalkt/mineralisiert, um Knochen zu bilden.
• Osteozyten – Wenn das Osteoid mineralisiert, werden die Osteoblasten zwischen Lamellen in Lakunen eingeschlossen, wo sie zu Osteozyten heranreifen. Sie überwachen dann die Mineralien und Proteine, um die Knochenmasse zu regulieren.
• Osteoklasten – stammen von Monozyten ab und resorbieren Knochen, indem sie H ⁺ -Ionen und lysosomale Enzyme freisetzen. Sie sind große und mehrkernige Zellen.

Das Gleichgewicht zwischen Osteoblasten- und Osteoklastenaktivität ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität des Gewebes. Es spielt auch eine Rolle bei Erkrankungen wie Osteoporose.

Extrazelluläre Matrix

Die extrazelluläre Matrix (ECM) bezieht sich auf die Moleküle, die den Zellen biochemische und strukturelle Unterstützung bieten.

Die ECM des Knochens ist hochspezialisiert. Zusätzlich zu Kollagen und den damit verbundenen Proteinen, die normalerweise im Bindegewebe zu finden sind, werden Knochen mit Mineralsalzen, insbesondere Calciumhydroxyapatit- Kristallen, imprägniert. Diese Kristalle verbinden sich mit den Kollagenfasern und machen den Knochen hart und stark. Diese Matrix ist in zahlreiche dünne Schichten organisiert, die als  Lamellen bekannt sind.

Struktur des Knochens

Unter dem Mikroskop kann Knochen in zwei Arten unterteilt werden:

• Gewebter Knochen  (Primärknochen) – Erscheint in der Embryonalentwicklung und Frakturheilung, da er schnell angelegt werden kann. Es besteht aus Osteoid (unmineralisierte ECM), wobei die Kollagenfasern zufällig angeordnet sind. Es ist eine temporäre Struktur, die bald durch reifen Lamellenknochen ersetzt wird.
• Lamellenknochen  (Sekundärknochen) – Der Knochen des erwachsenen Skeletts. Es besteht aus hochgradig organisierten Blättern aus mineralisiertem Osteoid. Diese organisierte Struktur macht es viel stärker als gewebter Knochen. Der Lamellenknochen selbst kann in zwei Arten unterteilt werden – kompakt und schwammig.

Bei beiden Knochenarten ist die äußere Oberfläche von einer Bindegewebsschicht, dem sogenannten Periost, bedeckt. Eine ähnliche Schicht, das  Endost  kleidet die Hohlräume im Knochen aus (wie den Markkanal, den Volkmann-Kanal und die spongiösen Knochenräume).

Lamellenknochen kann in zwei Arten unterteilt werden. Der äußere ist als  kompakter Knochen bekannt – dieser ist dicht und starr. Die inneren Knochenschichten sind durch viele miteinander verbundene Hohlräume gekennzeichnet und werden als Spongiosa bezeichnet .

Kompakter Knochen

Kompakter Knochen bildet die äußere „Hülle“ des Knochens. Bei dieser Art von Knochen sind die Lamellen in konzentrischen Kreisen organisiert, die einen vertikalen Havers-Kanal  umgeben (der kleine neurovaskuläre und lymphatische Gefäße überträgt). Diese gesamte Struktur wird als Osteon  bezeichnet und ist die funktionelle Einheit des Knochens.

Die Havers-Kanäle sind durch horizontale Volkmann-Kanäle  verbunden – diese enthalten kleine Gefäße, die mit den Arterien der Havers-Kanäle anastomosieren (sich verbinden). Die Volkmann-Kanäle übertragen auch Blutgefäße aus dem Periost.

Osteozyten befinden sich zwischen den Lamellen in kleinen Hohlräumen (bekannt als Lakunen). Die Lakunen sind durch eine Reihe von Verbindungstunneln, die Canaliculi genannt werden, miteinander verbunden.

Poröser Knochen

Schwammknochen bildet das Innere der meisten Knochen und befindet sich tief unter dem kompakten Knochen. Es enthält viele große Zwischenräume – das verleiht ihm ein wabenartiges Aussehen.

Die knöcherne Matrix besteht aus einem 3D-Netzwerk feiner Säulen, die sich zu unregelmäßigen Trabekeln vernetzen. Dies erzeugt einen leichten, porösen Knochen, der gegen multidirektionale Kraftlinien stark ist. Die Leichtigkeit, die schwammigen Knochen verliehen wird, ist entscheidend, damit sich der Körper bewegen kann. Wenn die einzige Art von Knochen kompakt wäre, wären sie zu schwer, um sie zu mobilisieren.

Die Räume zwischen den Trabekeln sind oft mit Knochenmark gefüllt . Gelbes Knochenmark enthält Adipozyten und rotes Knochenmark besteht aus hämatopoetischen Stammzellen.

Dieser Knochentyp enthält keine Volkmann- oder Havers-Kanäle.

Verknöcherung und  Umbau

Ossifikation ist der Prozess der Produktion von neuem Knochen. Dies geschieht über einen von zwei Mechanismen:

• Endochondrale Ossifikation  – Wo hyaliner Knorpel durch Osteoblasten ersetzt wird, die Osteoid absondern. Der Femur ist ein Beispiel für einen Knochen, der einer endochondralen Ossifikation unterliegt.
• Intramembranöse Ossifikation  – Wo mesenchymales (embryonales) Gewebe zu Knochen verdichtet wird. Diese Art der Verknöcherung bildet flache Knochen wie das Schläfenbein und das Schulterblatt.

Bei beiden Mechanismen wird zunächst Primärknochen produziert. Es wird später durch reifen Sekundärknochen ersetzt.

Umbau

Der Knochen ist ein lebendes Gewebe und unterliegt als solches einem ständigen  Umbau. Dies ist der Prozess, bei dem reifes Knochengewebe resorbiert und neues Knochengewebe gebildet wird. Es wird von der zellulären Komponente des Knochens durchgeführt.

Osteoklasten bauen Knochen über einen Schneidkegel ab. Die Nährstoffe werden resorbiert und Osteoblasten legen neues Osteoid an. Remodeling findet vor allem an beanspruchten und geschädigten Stellen statt und stärkt die betroffenen Bereiche.

Klinische Relevanz – Knochenerkrankungen

Knochen haben eine einzigartige histologische Struktur, die für die Erfüllung ihrer Funktionen erforderlich ist. Veränderungen dieser Struktur infolge einer Krankheit können zu mehreren klinischen Zuständen führen.

Osteogenesis imperfecta ist ein Zustand, bei dem es zu einer abnormalen Synthese von Kollagen aus den Osteoblasten kommt. Zu den klinischen Merkmalen gehören brüchige Knochen, Knochendeformitäten und blaue Sklera. Es ist eine seltene Krankheit und genetisch in der Ätiologie, mit einem autosomal-dominanten Vererbungsmuster. Die Brüchigkeit der Knochen prädisponiert sie für Brüche – dies hat eine medizinrechtliche Bedeutung, da es bei Kindern mit einer vorsätzlichen Verletzung verwechselt werden kann.

Osteoporose bezieht sich auf eine Abnahme der Knochendichte, wodurch ihre strukturelle Integrität verringert wird. Dies wird durch Osteoklastenaktivität (Knochenresorption) erzeugt, die die Osteoblastenaktivität (Knochenproduktion) überwiegt. Die Knochen sind brüchig und einem erhöhten Frakturrisiko ausgesetzt. Es gibt drei Arten:

• Typ 1: Postmenopausale Osteoporose – Entwickelt sich bei Frauen nach der Menopause aufgrund einer verminderten Östrogenproduktion. Östrogen schützt vor Osteoporose, indem es die Aktivität der Osteoblasten erhöht und die Aktivität der Osteoklasten verringert.
• Typ 2: Senile Osteoporose – Tritt normalerweise über dem 70. Lebensjahr auf.
• Typ 3: Sekundäre Osteoporose – Wenn Osteoporose aufgrund einer gleichzeitig bestehenden Krankheit auftritt (z. B. chronisches Nierenversagen).

Zu den Risikofaktoren gehören Alter, Geschlecht, Ernährung (Vitamin D und Kalzium), ethnische Zugehörigkeit, Rauchen und Immobilität. Es wird normalerweise durch Bisphosphonate behandelt, die von Osteoklasten aufgenommen werden, wodurch sie inaktiv werden und Apoptose durchlaufen. Dadurch wird ein weiterer Knochenabbau begrenzt.