Knochengeweberemodellierung

Die Knochengeweberemodellierung (engl. bone remodeling)^[1] beschreibt einen Prozess, in dessen Verlauf alte Knochensubstanz von Osteoklasten abgebaut und nachfolgend durch von Osteoblasten neugebildetem Knochen ersetzt wird.

Aufgabe

Bone Remodeling dient dem Organismus dazu, ein stabiles und funktionsfähiges Skelettsystem zu erhalten, welches ohne diesen Reparaturmechanismus schnell verschleißen würde. Die Hauptaufgabe dieses Mechanismus ist es demnach, Strukturschäden (Micro Cracks), die durch alltägliche Beanspruchungen und Bewegungen entstehen, zu reparieren und somit auf wechselnde Beanspruchungen der Knochen zu reagieren. Hierdurch wird die Mikroarchitektur des Knochens den jeweiligen Bedingungen angepasst. Im gleichen Zuge übernimmt der Knochenumbau auch die Wiederherstellung des voll funktionsfähigen Knochens nach der ersten Frakturheilung. Hierbei wird der Kallus nach und nach durch vollbelastbaren Knochen ersetzt.

Aktivität

Der Prozess des Bone Remodelings findet fortlaufend statt und zeigt, dass Knochen kein starres Gebilde ist, sondern permanent an wechselnde Bedingungen angepasst wird. Pro Jahr werden etwa 3 Prozent des kortikalen Knochens und 25 Prozent des trabekulären Knochens auf diese Weise umgebaut. Somit geht man davon aus, dass innerhalb von 7–10 Jahren das Äquivalent der gesamten Knochenmasse des Menschen einmal abgebaut und neu synthetisiert wird.

Funktionsweise

Vereinfachte Darstellung des Vorgangs bei der Knochengeweberemodellierung.^[2] Die mehrkernigen Osteoklasten bauen die Knochenmatrix ab und die Osteoblasten bauen sie über die Zwischenstufe des Osteoids wieder auf.

Im Laufe des Remodelings „graben“ sich Osteoklasten mit Hilfe verschiedener lytischer Enzyme (Cathepsin K, MMP-3 und 9, ALP) in die Knochenmatrix und bilden Resorptionslakunen (Howshipsche Lakunen). Dieser Resorption nachfolgend sezernieren Osteoblasten in großen Feldern von wenigstens 50 Zellen neues kollagenes Knochengrundgerüst (Osteoid) ab, welches im weiteren Verlauf nach und nach kalzifiziert und somit neuen Knochen bildet. Einige der Osteoblasten werden hierbei von der mineralisierenden Matrix eingeschlossen und differenzieren im weiteren Verlauf zu Osteozyten.

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  Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme (TEM) eines Osteoklasten in der Bildmitte. Die Mehrkernigkeit dieses knochenabbauenden Zelltyps ist gut sichtbar.

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  Aufnahme mehrerer Osteoblasten, den knochenaufbauenden Gegenspielern der Osteoklasten. In der TEM-Aufnahme ist das von den Osteoblasten synthetisierte Osteoid als helle, zur mineralisierten Knochenmatrix hin scharf abgegrenzten Zone (schwarze Grenzlinie) mit zwei eingelagerten Osteozyten (ehemalige Osteoblasten) gut zu erkennen.

• Osteocyte 2.jpg

  TEM-Aufnahme eines in die Knochenmatrix eingebauten Osteozyten.

Regulation

Da dieses Bone Remodeling ein Prozess ist, der die gleichzeitige Anwesenheit von Osteoklasten und Osteoblasten benötigt, muss er einer gewissen Steuerung unterliegen. Man spricht hierbei vom „Coupling“. Der genaue Mechanismus dieser Steuerung ist allerdings noch nicht bekannt. Den Osteozyten wird hier allerdings eine wichtige, wenn auch noch unbekannte Rolle zugerechnet. Sehr wahrscheinlich ist eine wichtige Rolle des Parathormons (PTH), welches sowohl eine stimulierende Wirkung auf die Differenzierung von Osteoklasten, als auch von Osteoblasten besitzt. Weiterhin wird Vitamin D und den Zytokinen Osteoprotegerin und RANKL eine wichtige Rolle zugeschrieben.

Beim erwachsenen zeugungsfähigen Menschen halten sich im Knochenumbau die Resorption und die Neusynthese die Waage. Im Wachstum überwiegt der Aufbau, in der Postmenopause die Resorption (Folge: Altersosteoporose).

Rolle in der Kalziumhomöostase

Da der Knochen gleichzeitig zu seiner Funktion im Stütz- und Bewegungsapparat das größte Reservoir des Körpers für Kalzium und Phosphat darstellt, wird dem Remodeling des Weiteren eine wichtige Rolle als Regulativ für die Homöostase dieser beiden Stoffe zugeschrieben. Da dieser Mechanismus bei Bedarf nicht erst gestartet werden muss, kann der Organismus recht schnell auf Schwankungen der Kalzium- und Phosphatspiegel im Blut reagieren.

Literatur

• A. G. Porras, S. D. Holland, B. J. Gertz: Pharmacokinetics of alendronate. In: Clinical pharmacokinetics Band 36, Nummer 5, Mai 1999, S. 315–328, ISSN 0312-5963. PMID 10384857. (Review).
• M. M. Cohen: The new bone biology: pathologic, molecular, and clinical correlates. In: American journal of medical genetics. Part A Band 140, Nummer 23, Dezember 2006, S. 2646–2706, ISSN 1552-4825. doi:10.1002/ajmg.a.31368. PMID 17103447. (Review).
• G. A. Rodan, T. J. Martin: Role of osteoblasts in hormonal control of bone resorption–a hypothesis. In: Calcified tissue international Band 33, Nummer 4, 1981, S. 349–351, ISSN 0171-967X. PMID 6271355.

Einzelnachweise