5)  Diagnostische Verfahren zur Bestimmung der Knochendichte und -festigkeit.  52

5.  1) Anamnese und klinische Untersuchung.  52

5.  2) Konventionelles (Skelett-) Röntgen.  52

5.  3) Osteodensitometrie - Knochendichtemessung.  53

5.  3. 1) Integrale Meßmethoden  55

5.  3. 2) Computertomographische Methoden  56

5.  3. 3) Weitere diagnostische Verfahren  57

5.  4) Labortests  58

5.  5) Knochenbiopsie.  59

6)  Präventionsansätze zum Erhalt und Verbesserung der Knochendichte und.  61

Knochenfestigkeit   61

6.  1) Allgemeine Informationen  61

6.  2) Fallbeispiel  62

6.  2. 1) Präventionsansatz 1: Genetik, Ernährung und Lebensstil  63

6.  2. 2) Präventionsansatz 2: Verbesserung der Körperkonstitution und -kondition  65

6.  2. 3) Präventionsansatz 3: Sturzprophylaxe.  72

6.  2. 4) Präventionsansatz 4: Selbsthilfegruppe, Compliance  73

6.  2. 5) Präventionsansatz 5: Einsatz von Medikamenten und anderen Substanzen  73

6.  2. 6) Präventionsansatz 6: Behandlung der Grunderkrankung  76

6.  2. 7) Präventionsansatz 7: Vorsorge-, Früherkennungsuntersuchung (Check-Up)  77

6.  3) Weitere Präventivansätze  79

7)  Fazit  82

Literaturverzeichnis   89

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1) Einleitung

Aufgrund der demographischen Entwicklung und dem Anstieg der durchschnittlichen Lebenserwartung in den Industrienationen steigt die Anzahl vieler Erkrankungen und Unpässlichkeiten. Zu diesen gehören auch altersabhängige, metabolische Osteopathien, die durch verstärkten Abbau von Knochensubstanz und dem Ausdünnen der Knochendichte charakterisiert sind. Begleitet werden diese Erkrankungen, die in ihrer Entwicklung vielfach stumm und unauffällig verlaufen, häufig von frakturbedingten Verformungen des Achsenskelettes, die zu erheblichen Einschränkungen der Mobilität führen. Betroffene Personen erleiden neben einer verstärkten Schmerzsymptomatik oftmals starke Einbußen in ihrem Leben - spontan auftretende, pathologische Frakturen führen zu massiven Veränderungen in der Lebensqualität (z.B. Invalidität), sowie in der Lebenserwartung. Aufgrund der stark ansteigenden Morbiditätsraten knöcherner Erkrankungen entstehen für das (deutsche) Gesundheitssystem extrem hohe Kosten und Belastungen, die eine ausreichende Versorgung und Behandlung Betroffener nur schwer ermöglichen. Aus diesen Gründen ergeben sich insbesondere für die Prävention und Erkennung von Knochenerkrankungen folgende Fragestellungen:

Welche knöchernen Einflussgrößen forcieren den Abbau von Knochensubstanz/ führen zu einem Auslichten der Knochendichte?

In wie weit kann die Prävention den physiologischen und pathologischen Knochenmineralverlust mindern oder gar abwenden, so dass es zum Stillstand oder zur Verbesserung der Ausgangssituation kommt?

Welche präventiven und diagnostischen Maßnahmen sollten zur Verhinderung eines verstärkten Abbaus von Knochenmasse eingesetzt werden?

Ziel dieser Ausarbeitung ist die Beantwortung der o. g. Fragestellungen. Einleitend werden anatomische und physiologische Grundlagen des Knochens dargestellt. Knöcherne Einflussgrößen variieren mit Substanzverlusten im menschlichen Skelettsystem - sie bilden die Basis präventiver Grundgedanken und daraus resultierender Maßnahmen. Das Krankheitsbild der Osteoporose dient als Beispiel einer altersabhängigen, metabolischen Osteopathie, aus dem mögliche brauchbare Präventions- und Erfassungsparameter abgeleitet werden. Des Weiteren werden spezielle diagnostische Messverfahren dargestellt, die die Knochendichte möglichst einwandfrei bestimmen sollen. Ebenso werden knochenerhaltende und -fördernde Ansätze zur Prävention vorgestellt, die positiven Einfluss auf die knöcherne Gesundheit nehmen, sie also zweckdienlich und effektiv erhalten oder verbessern. Letzteres wird anhand eines Fallbeispieles näher erläutert.

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2) Theoretische Grundlagen - Anatomie und Physiologie des Knochens

Der Knochen (lat. os, Plural ossa; gr. ost, oste, osteo; engl. bone) oder das Knochengewebe (ursprünglich, aus alter germanischer Wortwurzel stammend: Bein, wie z.B. Brustbein) stellt ein außerordentlich hartes und skelettbildendes Stützgewebe beim Menschen (Wirbeltier) dar. Das menschliche Skelett gibt dem gesamten Körper Form und Stabilität. Nach Bartl besteht es aus 210 in Form und Funktion differierenden Knochen, die in etwa 10 kg wiegen und 15% des gesamten Körpergewichtes ausmachen (1). Die Anzahl der Knochen ist jedoch von Person zu Person variabel, da unterschiedlich viele kleine Knochen in der Wirbelsäule und in den Füßen vorhanden sein können. Die Größe der einzelnen Knochen variiert je nach Funktionsgrad, Veranlagung und Ernährungszustand. So sind z.B. die langen Bein- und Rippenknochen um ein vielfaches größer als die winzigkleinen Gehörknöchelchen. Neben der Produktion von roten und weißen Blutkörperchen sowie Blutplättchen im roten Knochenmark, schützt das knöcherne menschliche Skelett die inneren Organe, wie z. B. Gehirn, Herz und Lungen.

2. 1) Strukturen des menschlichen Skelettes

Das Aussehen eines Skeletts, sowie die Größe und Form eines Knochens, sind nach von Werder/Schulz genetisch bestimmt (22). Etwaige Einflussfaktoren im Wachstum, wie z.B. hormonelle Knochenregulationen, energische und energetische Umwelteinflüsse, als auch das persönliche Ernährungsverhalten, spielen bei der Entwicklung und Struktur eines Knochens (Skeletts) eine wichtige Rolle. Alle Knochen bilden zusammen das knöcherne Skelett. Gemeinsam mit den Gelenken stellen sie den passiven Bewegungsapparat dar. Bewegt wird der Körper durch den aktiven Bewegungsapparat - der Muskulatur. Das knöcherne Skelett eines Menschen setzt sich nach Bartl wie folgt zusammen (1):

- 29 Schädelknochen

- 28-32 Knochen der Wirbelsäule

- 25 Knochen des Brustkorbes

- 4 Schultergürtelknochen

- 2 Hüftbeine

- 60-62 Knochen der oberen und

- 60 Knochen der unteren Extremitäten

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Das Körperskelett kann nach Schäffler/Menche wiederum in verschiedene Knochengruppen (Abschnitte) gegliedert werden (18):

- Schädel (cranium)

- Wirbelsäule (columna vertebralis)

- Brustkorb (thorax)

- Schultergürtel und Beckengürtel

- Obere Extremitäten (Arme)

- Untere Extremitäten (Beine)

Rumpf, Hals und Kopf können insgesamt als Körperstamm bezeichnet werden (18). Der Rumpf kann dabei noch weiter in Brust-, Bauch- und Beckenbereich differenziert werden. Den Brustabschnitt bildet der Brustkorb mit seinen zwölf Rippenpaaren. Dieser umschließt bestimmte Organe der Brusthöhle (z.B. der Lungen). Das Becken besitzt die Form einer nach vorne gerichteten offenen Schale und stellt den unteren Abschluss der Bauchhöhle dar. Die Bauchhöhle selbst ist von einem muskulösen Mantel umgeben.

Die Wirbelsäule stellt die Grundlage des Stammes dar und verbindet die o. g. Abschnitte. Sie besteht aus 33-34 Wirbeln (vertebrae) und aus Zwischenwirbelscheiben (disci

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intervertebralis; Abb. 1). Die Wirbelsäule gliedert sich in sieben Halswirbel (C 1 -C 7 , vertebrae cervicales), zwölf Brustwirbel (Th 1 -Th 12 , vertebrae thoracales), fünf Lendenwirbel (L 1 -L 5 , vertebrae lumbales), fünf Kreuzwirbel (S 1 -S 5 , vertebrae sacrales) und vier bis fünf Steißwirbel (vertebrae coccygis; 7). Aufgrund der Verschmelzung von Kreuzwirbel (zum os sacrum) und Steißwirbel (zum os coccygis) werden diese auch als so genannte „falsche“ Wirbel bezeichnet (7). „Echte“ Wirbel dagegen sind gegeneinander beweglich - sie ermöglichen Bewegungen nach hinten, vorne, links und rechts (um die Körperlängsachse). Charakteristische Krümmungen verleihen der Wirbelsäule eine enorme Stabilität: Belastungen, die bei bestimmten Bewegungen entstehen, werden auf fast alle Wirbel gleichmäßig übertragen. Unterschieden werden Krümmungen nach vorne (Lordose) und nach hinten (Kyphose; 18). Im Hals- und Lendenbereich weist die Wirbelsäule physiologisch eine Lordose auf, im Brust- und Kreuzbereich eine Kyphose. Eine übereinstimmende Struktur besitzen Wirbel vom dritten Hals- bis hin zum fünften Lendenwirbelbereich - auch wenn sie sich, je nach funktioneller Begebenheit der einzelnen Wirbelsäulenabschnitte, in Größe und Form voneinander unterscheiden. Der Wirbelkörper (corpus vertebrae), eine dicke rundliche Knochenscheibe, stellt den gewichtstragenden Teil der Wirbelsäule dar. Alle Wirbelkörper liegen senkrecht übereinander und sind für die typische Säulenform der menschlichen Körperachse verantwortlich (18). An der Hinterfläche der Wirbelkörper befindet sich eine Knorpelspange, der so genannte Wirbelbogen (arcus vertebrae). Dieser umgibt das Wirbelloch (foramen vertebrale). Alle Wirbellöcher zusammen ergeben den Wirbel- oder Spinalkanal, durch den das Rückenmark - beginnend vom großen Hinterhauptsloch kaudalwärts ziehend - verläuft. Vom Wirbelbogen aus sind jeweils drei Knochenvorsprünge zu erkennen - die so genannten Dorn- und Querfortsätze (processus spinosus et transversus). Diese ragen nach posterior inferiorem (Dornfortsatz), sowie nach dextrum et sinistrum (Querfortsätze). Diese Vorsprünge dienen dem Ursprung und Ansatz bestimmter Muskeln (18). Die Verbindung zweier benachbarter Wirbel geschieht über Gelenkfortsätze, die etwa auf Höhe der Querfortsätze entspringen. Zwischen ihnen befindet sich das Zwischenwirbelloch (foramen intervertebrale), durch das die Spinalnerven den Wirbelkanal verlassen können, um in die Peripherie zu gelangen. Den obersten Abschnitt und Übergang zum Schädel bilden die beiden Halswirbel C 1 (atlas) und C 2 (axis). Sie ermöglichen durch ihre, im Vergleich zu den anderen Wirbeln veränderte Bauweise, einen möglichst großen Bewegungsspielraum: So ist z.B. eine Drehung des Kopfes durch das Drehen des atlas um den dens axis (im Atlanto-Axial-Gelenk) möglich. Der Schädel, oberste Einheit des menschlichen Skelettes, wird nach Schäffler/Menche in Gesichts- (viscerocranium) und Gehirnschädel (neurocranium) unterschieden (18). Zum Gesichtsschädel gehören z.B. das Nasenbein (os nasale), der Oberkiefer (maxilla) und das Tränenbein (os lacrimale), zum Gehirnschädel z.B. das Stirnbein (os frontale), das paarige Scheitelbein (os parietale) und das Hinterhauptsbein (os occipitale).

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Mit dem Rumpf verbunden sind die Gliedmaßen Arme und Beine. Die Arme sind über den Schultergürtel und die Beine über den Beckengürtel mit dem Rumpf verbunden. Der Schultergürtel besteht aus paarig angeordneten Schulterblättern (scapulae) und Schlüsselbeinen (claviculae). Während der Schultergürtel gegenüber dem Thorax gut beweglich ist, sind die Beine über ortsfeste Gelenke im Beckengürtelbereich mit dem Rumpf verbunden. Die oberen und unteren Extremitäten bilden jeweils eine Kette aus zusammenhängenden Knochenelementen, deren Anzahl von proximal nach distal hin zunimmt. Die Endglieder der oberen und unteren Extremitäten haben einen ähnlichen Aufbau, unterscheiden sich aber hinsichtlich ihrer Spezialisierung und Funktion: der Fuß (pes) ist hauptsächlich in der Fortbewegung und Abstützung des Körpers aktiv, während die Hand (manus) vorrangig als Greiforgan dient (21).

Anzumerken ist, dass bei beiden Geschlechtern Besonderheiten im Aufbau der Skelette auftreten: beim männlichen Skelett sind durchschnittlich längere und schwerere Knochen zu erkennen, während das weibliche Skelett eher kürzere und leichtere Knochen trägt (18). Am Skelett des Mannes entstehen durch größere Kraft- und Muskelverhältnisse zudem größere Knochenvorsprünge und Rauhigkeiten, z.B. an der tuberositas tibiae. Das weibliche Becken unterscheidet sich deutlich vom Becken des Mannes: Es ist leichter und flacher, der Beckeneingang größer und rundlich ovaler, der Beckenausgang wesentlich weiter, der Schambeinwinkel (also der Winkel zwischen den beiden unteren Schambeinästen) stumpfer und das Kreuzbein kürzer und breiter geformt, zudem ist es im unteren Teil weiter nach vorne gebogen (18).

2. 2) Knochenarten und Knochenformen

Knochen werden nach der Art der Anordnung der Kollagenfibrillen in Geflecht- und Lamellenknochen eingeteilt (21). Im Geflechtknochen verlaufen Kollagenfibrillen ohne besondere Orientierung zu den ernährenden Gefäßen. Die Grundstrukturen des Geflecht-(oder auch Faser-) Knochens bestehen aus lockeren, miteinander verflochtenen Trabekeln, die insgesamt weniger stabil sind als z.B. die Lamellenknochen. Der Faserknochen kommt jedoch nur bei der Knochenentwicklung vor und ist deshalb vorwiegend bei Neugeborenen zu finden. Beim Erwachsenen findet man die Grundstruktur des Faserknochens nur noch an Ansatzstellen von Sehnen und Bändern, sowie an bestimmten Stellen des Schädelknochens. Generell ist der Faserknochen bei der Regeneration von Knochenfrakturen vorzufinden. Der Geflechtknochen wird im Allgemeinen in den ersten Jahren des Lebens durch den funktionell höherwertigen und stabileren Lamellenknochen ersetzt. Osteoklasten übernehmen dabei die

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Funktion des Knochenabbaus, während die Osteoblasten den Lamellenknochen wieder aufbauen.

Lange Röhrenknochen bestehen insgesamt aus einer sehr dichten und festen

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Knochenstruktur (Kompakta, außen), sowie einer aufgelockerten Knochenstruktur (Spongiosa, innen; vgl. Kapitel 2. 3. 2).

- Platte Knochen: Kompakte Knochen, die eine flache Form besitzen, werden als platte Knochen bezeichnet (18). Diese sind vorwiegend am Hirnschädel, Brustbein, Becken, Schulterblatt, sowie als Rippen (costae), vorzufinden. Bei platten Knochen findet man zwischen zwei festen Außenschichten eine schmale spongiöse Innenschicht.

- Kurze Knochen: Zu den kurzen Knochen zählen laut Schäffler/Menche die meist würfel-oder quaderförmigen (also ungeformten) Knochen (18), z.B. Handwurzelknochen. Die Außenschicht der kurzen Knochen ist dünner als z.B. bei einem Röhrenknochen und geht ohne scharfe Abgrenzung in eine spongiöse Innenschicht über.

- Sesambeine: Sesambeine sind kleine Knöchelchen, die sich in Muskelsehnen einbetten und v. a. dort vorzufinden sind, wo Sehnen besonderen Belastungen ausgesetzt sind, z.B. Kniescheibe (patella), Handgelenk.

- Luftgefüllte Knochen: Luftgefüllte Knochen (wie z. B. das Stirnbein - im Bereich der Nasennebenhöhlen), sind ausgehüllte Hohlräume, die Schleimhaut besitzen oder mit ihr ausgefüllt sind.

- Unregelmäßige Knochen: Unregelmäßig und/oder irregulär geformte Knochen können den genannten Knochen-Formen nicht zugeordnet werden, z.B. Wirbel der Wirbelsäule, Unterkieferknochen.

2. 3) Aufbau des Knochens

Der Knochen dient neben der Speicherung von Mineralien (Speicherorgan) auch als schützendes Element (Schutzorgan) - eingelagertes Kalzium verleiht dem Knochen seine hohe Festigkeit. Laut Ringe befinden sich im knöchernen Skelett ca. 99% des gesamten Körperkalziums (17). Weiterhin sind im Knochen etwa 90% des Phosphats, 80% des Karbonats, 70% des Citrats, sowie 60% der Natrium- und 50% der Magnesiumvorräte (anorganische Minerale) gespeichert. Die mineralisierte Knochensubstanz besteht insgesamt aus (17):

- 50% anorganischen Mineralien (v. a. Hydroxylapatit),

- 25% organischen Grundsubstanzen und

- 25% Wasser

Die Knochenmatrix besteht zu 90% aus Kollagen des Typs-I und zu 10% aus anderen nichtkollagenen Proteinen, wie z.B. den Glykoproteinen Osteocalcin, Osteonektin, Bone-

Sialopontein-I, Osteopontin, Alpha-2-HS-Glykoprotein und verschiedenen Proteoglykanen.

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Dieser Mineralienkomplex lässt aus dem Skelett eine Leichtbaukonstruktion entstehen, die mit einem Minimum an Material ein Maximum an mechanischer Stabilität erreicht. Die komplette Knochenschwere liegt im Vergleich zum allgemeinen Körpergewicht bei etwa zwölf Prozent, so dass das Knochengerüst eines z.B. 75 kg schweren Menschen etwa 9 kg wiegt. In den kommenden Abschnitten sollen Außenstrukturen, Kortikalis, Kompakta, Spongiosa, Markhöhle, sowie die Ernährungssituation des Knochens thematisiert werden.

2. 3. 1) Außenstruktur des Knochens

Außerhalb der Gelenkflächen ist der Knochen von der Knochenhaut (Beinhaut, Periost) umgeben (36). Das Periost (gr. peri, herum) ist eine knochenbedeckende, bindegewebige Hülle, die aus derbfaserigem Bindegewebe besteht und dem Knochen fest anliegt. In der Wachstumsphase von Kleinkindern und Jugendlichen ist eine doppelte Schichtung zu erkennen (18):

- Äußere Schichtung: Sie besteht aus viel Kollagen (Kollagenschicht) und elastischen Fasern (Sharpey-Fasern)

- Innere Schichtung: Sie enthält Nerven und Blutgefäße, die das Innere des Knochens mit Nährstoffen versorgen

Die Knochenhaut schützt den Knochen vor Fremdeinwirkungen (z.B. externen Stößen, Überlastungen) und ist, im Gegensatz zum Knochen selbst, äußerst schmerzempfindlich. Am Periost heften sich neben Sehnen (Muskeln) auch Bänder an. Im Periost selbst befinden sich Osteoblasten (knochenbildende Zellen - vgl. Kapitel 4), die physiologisch eine natürliche Knochenheilung gewährleisten.

2. 3. 2) Kortikalis, Kompakta, Spongiosa und Markhöhle

Hauptbestandteile eines Erwachsenenskeletts sind der kompakte Knochen (Kortikalis) und der spongiöse Knochen (Spongiosa; 17). Wie in Kapitel 2. 2 beschrieben, kommen kortikale und spongiöse Anteile in jedem Knochen vor. Laut Ringe bestehen ca. 20% des Gesamtskelettvolumens aus mineralisierter Knochenmatrix, während 80% voluminöse Anteile des Knochenmarks ausmachen (17). In der gesamten Knochenmasse entfallen in der gleichen Relation 80% auf die Kortikalis und 20% auf die Spongiosa.

Die Kortikalis besteht aus dicht aneinander liegendem Knochengewebe (Abb. 3: 1), wobei die Stärke und Dicke von den jeweiligen funktionellen Bedingungen abhängen, z.B. ist die Kortikalis im Bereich der Diaphyse der langen Röhrenknochen relativ breit (Kompakta). Der wesentlich größere Anteil des Knochens besteht aus der inneren Spongiosa, den winzig kleinen Knochenbälkchen (Abb. 3: 2). Die Spongiosa ist sehr weitmaschig (schwammartig) aufgebaut. In diesen Maschen befindet sich das blutbildende Knochenmark. Die Anordnung dieser kleinen Knochenbälkchen folgt ebenfalls funktionellen Ansprüchen - externe mechanische Einflüsse provozieren eine präzise Ausbildung dieser in Anzahl und Stärke. Die Dichte der Knochenbälkchen ist jedoch bei Weitem nicht so hoch wie die der Kortikalis. Im Mittelstück der langen Röhrenknochen fehlen die Bälkchen fast vollkommen. In diesem ist das gelbe Knochenmark in Form von Fettgewebe in die Markhöhle eingelagert.

2. 3. 3) Ernährung und Versorgung des Knochens

Der Knochen wird auf zwei Wegen mit Blut und Nährstoffen versorgt: Zum einen sprießen winzige Blutgefäße aus dem Periost in den Knochen hinein (Versorgung von außen), zum anderen durchlaufen größere Arterien die Kortikalis, ziehen von da aus durch den Markraum und verzweigen sich dort zu einem großen Gefäßnetz (Versorgung des inneren Knochens). Im Inneren der Kompakta verlaufen feine, kleine Gefäße in die Haver´schen-Kanälchen (vgl. 2. 2). Die Querverbindungen zwischen den in Längsrichtung verlaufenden Kanälchen werden nach Thews/Mutschler/Vaupel als Volkmann´sche-Kanäle bezeichnet (21).

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2. 4) Aufbau und Struktur des Knochengewebes

Das Knochengewebe ist Bestandteil des Binde- und Stützgewebes des menschlichen Körpers. Das aus dem Mesenchymgewebe entstehende Knochengewebe ist das mit am höchsten differenzierte Stützgewebe (21). Differenziert werden Spezialisierungen jeweiliger Gewebeformen bezüglich ihrer physiologischen Eigenschaften und Funktionen. Der Grad der Differenzierung des Knochengewebes und der Regenerationsfähigkeit, also der Ausgleich von Zellverlusten durch Zellneubildung, steht in einem gegenseitigen Verhältnis zueinander (21). Die Widerstandsfähigkeit eines einzelnen Knochens gegenüber extern einwirkenden Kräften (wie z.B. Biegung, Druck, Torsion oder Zug) beruht auf der Einlagerung bestimmter anorganischer Stoffe in die Interzellularsubstanz (21), wie z.B. Hydroxyl- (Ca 10 [PO 4 ] 6 [OH] 2 ), Fluor- und Karbonatapatit, sowie Kalzium- und Magnesiumkarbonat. Diese Substanzen spielen im physiologischen und pathologischen Knochenstoffwechsel eine wichtige Rolle. Kommt es zu Mangelerscheinungen, können unterschiedlichste (pathologische) Folgereaktionen entstehen. Um in die zweckgerichteten, funktionellen Begebenheiten des Knochensystems (z.B. Knochenmetabolismus) einblicken zu können, sollen in den kommenden Abschnitten bedeutende Themengebiete vorgestellt werden: Entstehung und Entwicklung des Binde-und Stützgewebes, Bildung von Knochengewebe,

Knochenentwicklung, -umbau und -wachstum.

2. 4. 1) Entstehung und Entwicklung des Binde- und Stützgewebes

Die Entstehung und Entwicklung sämtlicher Gewebeformen beginnt mit der Befruchtung von Ei und Samenzelle und der damit verbundenen Schwangerschaft. Die Embryonalphase bezeichnet den Zeitraum zwischen vierter und achter Schwangerschaftswoche (21). In diesem Zeitabschnitt entwickelt sich aus drei Keimblättern (Entoderm, Mesoderm und Ektoderm) das Gewebe der jeweiligen Organe. Das Mesoderm - entstanden aus ausgewanderten Ektodermzellen, die sich während der dritten Schwangerschaftswoche zwischen Entoderm- und Ektodermzellen einlagern - bildet das mittlere Keimblatt. Aus dem mittleren Keimblatt entstehen embryonale und sternförmig verzweigte Mesenchymzellen (gr. mesenchym, das Mittenhineingegossene), die über Zytoplasmafortsätze miteinander in Verbindung stehen (gap junctions; 37). Mesenchymzellen besitzen eine hohe Teilungsfähigkeit (Mitoserate) und können sich in unterschiedliche Gewebe differenzierensie sind pluripotent. Aus diesem differenzierten Mesenchym können sich Knochen, Sehnen, Muskeln und anderes Bindegewebe, sowie Blutzellen und Gefäße bilden. Das gesamte Binde- und Stützgewebe hat sich ausschließlich aus dem mittleren Keimblatt entwickelt und charakterisiert den hohen Gehalt geformter und ungeformter

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Extrazellularsubstanz - Bindegewebszellen treten demgegenüber mehr oder weniger zurück (21). Der Bau spezifischer Gewebe ist externen, mechanischen Ansprüchen angepasst. Die Bestandteile des Binde- und Stützgewebes können anhand des faserigen und lockeren Bindegewebes besonders gut dargestellt werden (Abb. 4; 21):

Zelluläre Bestandteile und Extrazellularsubstanz bilden die strukturellen Einheiten des Binde-und Stützgewebes. Die zellulären Bestandteile können indessen noch weiter gegliedert werden in fixe (ortsständige) und mobile (freie) Bindegewebszellen. Bei den ortsständigen Bindegewebszellen handelt es sich um Fibroblasten und Fibrozyten. Fibroblasten (lat. fibro, Faser; lat. blastos, Keim) zählen zu den beweglichen Bindegewebszellen mesenchymalen Ursprungs. Es sind junge, noch nicht voll ausgereifte, abgeflachte Zellen, die Extrazellularsubstanz (also Fasern und Grundsubstanz) bilden können - sie sind also mit der Herstellung von Matrix beschäftigt. Weiterhin sind Fibroblasten an der Regeneration bestimmter Gewebe beteiligt (21). Zu den Erzeugnissen der Fibroblasten gehören vor allem das Kollagen, welches gemeinsam mit den gebildeten Proteoglykanen für eine erhöhte Festigkeit der Extrazellularsubstanz sorgt. Fibroblasten werden nach ihrer Reifung zu den Fibrozyten unfähig sich zu bewegen. Fibrozyten betreiben im Vergleich zu den Fibroblasten einen eigenen Erhaltungsstoffwechsel. Bestimmte Zellorganellen sind zudem weniger gut entwickelt als noch beim Vorgängermodell der Fibroblasten. Hauchdünne Zellausläufer

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verbinden sämtliche Fibrozyten zu einem großen dreidimensionalem Netz. Insgesamt stellen die Fibrozyten im Vergleich zu den Fibroblasten ruhende, aber reifere Zellen dar. Die Fähigkeit Extrazellularsubstanz zu produzieren ist jedoch eingeschränkt. Fibrozyten können sich unter bestimmten Bedingungen auch wieder zurückverwandeln, um die Aufgaben der Fibroblasten zu kompensieren. Mobile Zellen befinden sich häufig im retikulären Gewebe der lymphatischen Organe (z.B. Lymphknoten, Lymphfollikel der Darmschleimhaut), im lockeren Bindegewebe, oder in dem blutbildenden Knochenmark (21). Die Extrazellulärsubstanz (Interzellularsubstanz, extrazelluläre Matrix) des Binde- und Stützgewebes besteht aus (amorpher) Grundsubstanz und Fasern. Diese Grundsubstanz wird von den Fibroblasten produziert und besteht im Wesentlichen aus Proteoglykanen (s. o.). Proteoglykane sind molekulare Verbindungen, bei denen der Proteinanteil quantitativ kleiner ist als der Polysaccharidanteil. Dieser Polysaccharidanteil weist einen regelmäßigen Bau aus Aminozuckern und D-Glukoronsäure oder D-Galaktose auf. Deshalb wird er auch Glykosaminoglykan genannt (5). Glykosaminoglykane findet man im Gewebe laut Thews/Mutschler/Vaupel gleichwertig (kovalent) gebunden an so genannten Kernproteinen vor (21). Dieses Glykosaminoglykan kann äußerst viel Wasser binden, weshalb z.B. im (skelettlosen) embryonalen Körper der Turgor aufrechterhalten bleibt

(Permeabilitätsbarriere). Geformte Extrazellularsubstanzen, wie die Bindegewebsfasern, können aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Beschaffenheiten differenziert werden: Kollagene, retikuläre und elastische Fasern. Kollagene Fasern werden dann ins Gewebe eingelagert, wenn es besonders zugfest sein sollte, z.B. in Knorpel, Sehnen und Knochen. Das Kollagen macht ca. 25% des gesamten Körperproteins aus, weshalb es dem Gewebe enorme mechanische Stabilität verleiht (5).

2. 4. 2) Bildung von Knochengewebe

Nach Keck/Kruse gibt es zwei Hauptzelltypen im Knochen, die Osteoblasten und die Osteoklasten (8). Osteoblasten - hervorgegangen aus differenzierten Mesenchymzellensind hochspezialisierte „Arbeiterzellen“, die in der Lage sind, organische Knochengrundsubstanz (Knochenmatrix) zu synthetisieren und zu sezernieren. Anfangs bauen die Osteoblasten die unverkalkte Knochenmatrix (Osteoid) auf: Durch enzymatische Reaktionen, sowie unter Anwesenheit von Vitamin-D, werden mineralische Salze (v. a. Kalziumphosphate, Kalziumkarbonate), sowie Kollagenfasern in den interstitiellen Raum eingelagert. Kalziumverbindungen sind insgesamt schlecht löslich und kristallisieren daher längs der Kollagenfaserstrukturen (Kollagenfibrillen der Osteone) im Knochen. Durch diesen Prozess werden Osteoblasten in dieser Umgebung förmlich „eingemauert“: In ihrer Ruhephase lagern sich Osteoblasten auf den trabekulären Außenschalen der Osteone als so

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genannte „lining cells“ ab (8). Eingelagerte Osteoblasten sind in der Lage, reaktionell auf bestimmte knochenresorbierende Hormone zu reagieren - und zwar durch Botenstoffe, die die knochenabbauenden Osteoklasten aktivieren. Durch ihre Isolation verlieren die Osteoblasten ihre Fähigkeit der Zellteilung. Somit werden aus Osteoblasten dann sesshaft werdende Osteozyten (Knochenzellen; „inaktive Vorgänger“), die einen so genannten Erhaltungsstoffwechsel betreiben und für die Aufrechterhaltung der Kalziumhomöostase sorgen (5, 17). Aus diesen Gründen besitzen Osteozyten reichlich raues Endoplasmatisches Retikulum, sowie zahlreiche Mitochondrien. Osteozyten sind pflaumenkernförmige Zellen, deren zahlreiche dünne Zytoplasmafortsätze in alle Richtungen ausstrahlen, wodurch sie mit anderen Osteozyten in Verbindung stehen. Die Reifung von Osteoblasten zu Osteozyten kann auch als so genannte „Verknöcherung“ beschrieben werden und dauert je nach Knochen mehrere Monate bis Jahre (18). Neugeborene und Kleinkinder besitzen deshalb ein noch sehr weiches und biegsames Skelett. Gegenspieler der Osteoblasten/Osteozyten sind die gerade erwähnten Osteoklasten. Osteoklasten sind mehrkernige Knochenzellen, die sich zytogenetisch aus monozytären Zellen ableiten und aus diesen durch Fusion entstehen (17). Aktiviert werden sie durch Hormone (Parathormon) der Nebenschilddrüsen. Osteoklasten sind mobile, äußerst stoffwechselaktive Einheiten, die Knochengewebe resorbieren: Sie fräsen unter Einsatz bestimmter, matrixauflösender Enzyme muldenförmige

Resorptionstunnel (lakunäre Resorptionszonen, Howship-Lakunen; 10) tief ins Knochengewebe ein und sezernieren dabei H ⁺ -Ionen (die wiederum ein saures Milieu auf der Knochenoberfläche schaffen). Dieser Abbauvorgang ist besonders wichtig für das Wachstum des Knochens und dessen Umbau (z.B. in den Wachstumsphasen oder in Heilungsphasen nach Knochenfrakturen), sowie für die lebensnotwendige Aufrechterhaltung der zirkulierenden Kalziumkonzentration im Knochengewebe.

Osteoblasten und Osteoklasten betreiben ein stetiges physiologisches Umbaukonzept, indem sie stets kooperieren: Den knochenoberflächenveränderden Aktionen der Osteoklasten folgt die Aktivität der Osteoblasten (Coupling). Dieses immer wieder ablaufende Muster - also die Aktivierung und Resorption der Osteoklasten, die anschließende Formation der Osteoblasten, sowie die Kalksalzeinlagerung - wird nach Löser als „Remodeling-Aktivität“ bezeichnet (10). Kopplungs-oder

Knochenwachstumsfaktoren, wie z.B. TGF-β oder der Insulin-like-growth-factor-Ι (IGF-Ι), übernehmen dabei die Informationsübermittlung von der knochenresorbierenden zur knochenneubildenden Seite (8). Eine Reduzierung von Knochenmasse entsteht, wenn Resorptionszeiten seitens der Osteoklasten erhöht oder verlängert sind. Insgesamt ist aber unklar, ob die Osteoklastenaktivität parallel zur Osteoblastenaktivität verläuft (Knochenabbau = Knochenaufbau). Ein unspezifisches, nicht zielgenaues Abtragen von Knochengewebe könnte so ein Ungleichgewicht im Coupling hervorrufen und damit Ausgangspunkt einer

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möglichen Osteoporose sein. Laut Ittel/Sieberth/Matthiaß werden diese Steuerungsprozesse sehr genau reguliert - einerseits durch systemische Faktoren, die von Zellen abseits der Knochenumgebung produziert werden und andererseits von parakrinen (autokrinen) Faktoren, die lokal von Knochenzellen produziert, oder während der Resorption aus der Knochenmatrix freigesetzt werden (6).

2. 4. 3) Knochenentwicklung

Die Form eines Skeletts hat sich schon in der Frühphase der fötalen Entwicklung gebildetlange bevor der Knochen mineralisiert wurde (22). Etwa in der 26. Schwangerschaftswoche nehmen die langen Röhrenknochen ihre zukünftige Form an. Die Entwicklung der Knochenbildung wird Verknöcherung (Ossifikation) genannt (18). Während der Knochenentwicklung können zwei verschiedene Arten der Knochenentwicklung unterschieden werden: Die desmale und chondrale Ossifikation (21). In beiden Ossifikationsstufen werden anfangs Geflechtknochen angelegt, der später, bis auf Ausnahmen, durch Lamellenknochen ersetzt wird.

a) Desmale (primäre, direkte) Ossifikation - Entwicklung von Knochen aus bindegewebiger Vorstufe. Bei der desmalen Ossifikation (osteogenesis mebranacea) entsteht das Knochengewebe direkt aus dem embryonalen Bindegewebe: Mesenchymzellen differenzieren sich zu Osteoblasten, die eine unverkalkte Grundsubstanz (Osteoid) ausscheiden, in der sie sich dann einbetten und zu Osteozyten generieren. Der so gebildete Knochen kann auch als Bindegewebs-, Deck- oder Belegknochen deklariert werden (38). Durch die sukzessive Einlagerung von Kalksalzen an den Kollagenfibrillen der Osteoide entwickelt sich der Knochen schrittweise zu einer harten Substanz. So entstehen z.B. die Knochen des Schädeldaches und des Viscerocraniums, sowie Teile der Clavicula.

b) Chondrale (sekundäre, indirekte) Ossifikation - Entwicklung von Knochen aus hyalinem Knorpelskelett (bildet die Mehrheit der Knochen). Bei der chondralen Ossifikation (osteogenesis cartilaginea) entstehen aus den Mesenchymzellen zunächst knorpelige Skelettelemente (Primordialskelett). Diese vorgebildeten Skelettstücke, auch Ersatzknochen, Knochenkerne oder Ossifikationszentren genannt (38), werden erst später durch Knochengewebe ersetzt. Knochenkerne tauchen direkt vor oder nach einer Geburt auf. Chondrale Ossifikationen sind zu unterscheiden in: Verknöcherungen von innen (enchondrale Ossifikation) und von außen (perichondrale Ossifikation; 21). Bei der enchondralen Ossifikation wird Knorpelgewebe abgebaut und durch Geflechtknochen

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ersetzt. Anfangs kommt es zu einer Vergrößerung der Knorpelzellen, die im Anschluss zu Grunde gehen. Neben Kalksalzen lagern sich folglich auch Blutgefäße und Bindegewebsknospen (Mesenchym) in die Grundsubstanz ein. Einige der miteingewanderten Mesenchymzellen differenzieren sich im Knorpelgewebe zu Chondroklasten, den knorpelabbauenden Zellen. Diese lassen durch ihren Abbau von Knorpelgewebe Hohlräume entstehen, in die Mesenchymzellen eindringen können, um dort Osteoblasten (für den Knochenaufbau) entstehen zu lassen, die wiederum Osteoid absondern. Nach diesem Mineralisationsaufbau entsteht der enchondrale Knochen, aus dem sich Geflecht- und schließlich der Lamellenknochen bildet. Eine enchondrale Ossifikation findet man innerhalb der Umbauzonen (Epiphysen-, Wachstumsfugen) zwischen Epiphyse und Diaphyse bis zum Abschluss des Längenwachstums, also ca. vom 16. bis zum 23. Lebensjahr (21). In der perichondralen Ossifikation sondern sich vom Perichondrium (Knorpelhaut) Osteoblasten ab, die aus Mesenchymzellen der Knochenhaut hervorgehen (desmales Knochengewebe). Die Osteoblasten sorgen für eine dünne, strohhalmartige Knochenmanschette, die nur auf den Mittelschaft (Diaphyse) der langen Röhrenknochen beschränkt ist. Diese Knochenmanschette assimiliert später mit den aus dem Knocheninneren wachsenden desmalen und chondralen Ossifikationszentren. An der Oberfläche entwickelt sich durch diese Verknöcherung die äußerst feste Kortikalis. Daneben entstehen im Inneren der Knochen unterschiedlich große Hohlräume, die die Knochensubstanz nur in Form von lockeren Bälkchen (Spongiosa) anlegen.

2. 4. 4) Knochenumbau

Durch die primäre und sekundäre Verknöcherung, sowie bei der Wiederherstellung von Knochenfrakturen, entstehen anfangs Faser- oder Geflechtknochen. Diese besitzen eine große Wachstumsdynamik, jedoch nur eine geringere mechanische Belastbarkeit (Festigkeit). Die Kollagenfibrillen der Knochenmatrix sind dabei noch ungeordnet. Erst durch Provokationen in der Beanspruchung der Knochenlamellen (mechanischen Belastungen, wie z.B. Laufen, Kriechen), wandelt sich Knochengewebe (durch den intensiveren Einsatz von Osteoblasten und Osteoklasten) in einen widerstandsfähigen und stabilen Lamellenknochen. Mechanische Reize sind also für den Umbau zu einem festen und harten Knochen enorm wichtig und zudem für die Neubildung von Knochengewebe unentbehrlich. Ein Knochen kann nur so stark und fest sein wie er von der Umwelt beansprucht wird. Schon Roux (1850-1924) erkannte 1895 das Gesetz der adaptiven Anpassung: „Die Funktion formt das Organ!“, oder „Knöcherne Umbauprozesse rühren durch Anspruch!“ (vgl. Kapitel 3. 6). Erfährt ein Knochen nur ein Minimaß an mechanischen Belastungsreizen, bleibt er schwach ausgebildet

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und ist anfällig für spätere pathologische Folgeerscheinungen (z.B. Osteoporose). In einer osteoporotischen Erkrankung wird mehr Knochengewebe abgebaut als aufgebaut - das Gleichgewicht ist gestört. Dieses führt u. a. zu gravierenden Veränderungen in der Mikroarchitektur (Struktur) der Knochenmasse, sowie in der statischen Belastbarkeit eines Knochens (Auflösung tragender Knochenbälkchen, Minderung des

Knochendichtegradienten). Das Krankheitsbild der Osteoporose und seine Folgen werden in Kapitel 4 näher erläutert.

2. 4. 5) Knochenwachstum

Der Knochen wächst laut von Werder/Schulz die ersten zwanzig Lebensjahre mit Beschleunigung, v. a. in der Pubertät (22). Eine Knochenkonsolidierung (Verfestigung der Knochenstruktur) folgt im Anschluss an die Pubertät. So wird etwa zwischen dem 24. und 30. Lebensjahr ein Höchstmaß an Knochenmasse (peak bone mass) erreicht. Solange die Wachstumsfugen an den Epiphysen noch nicht verknöchert sind, entwickeln und vergrößern sich die langen Röhrenknochen. Das Dickenwachstum der platten und kurzen Knochen erfolgt durch Anlagerung von neu entstandener Knochensubstanz, die sich schichtenartig dicht unterhalb des Periostes einlagert. Damit die perichondrale Knochenmanschette nicht unbeirrt wächst, lösen enzymatisch agierende und resorbierende Osteoklasten von innen her Teile der Knochenmatrix auf und sorgen somit für eine Vergrößerung der Markhöhle. An der Grenze zwischen Dia- und Epiphyse befindet sich der Epiphysenknorpel - eine Knorpelscheibe zwischen dem perichondral entstandenen Mittelstück (Diaphyse) und dem enchondral entstandenen Endstück (Epiphyse) - der für das Längenwachstum der langen Knochen verantwortlich ist. Man nennt diese Knorpelplatte auch Epiphysenfuge oder Wachstumsfuge (18). Die Entwicklung von Knochengewebe spielt sich innerhalb dieser Wachstumsfugen in folgenden Zonen ab (7):

- Zone des hohen Knorpels: Hyalines Knorpelmaterial - keine Beeinflussung

- Zone der Knorpelzellsäulen: Wachstumszone - Teilung und Vermehrung der Knorpelzellen

- Zone des großblasigen Knorpels: Beginn von Verkalkungen

- Zone des Knorpelabbaus: Chondroblasten bauen Knorpelgewebe ab, Osteoblasten bauen Knochen auf

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In der letztgenannten Zone findet man innerhalb der Diaphyse enchondrale und perichondrale Knochenanteile vor. Grund sind übrig gebliebene Knorpelreste, sowie bereits umgewandelte Knochenbälkchen. Enchondrale Knorpelpartien, die sich innerhalb der Wachstumsfugen befinden, werden bis zum Ende des Längenwachstums durch perichondralen Knochen ersetzt. Einwandernde Osteoklasten übernehmen dabei die Abbauarbeit, während bestimmte Hormone (z.B. Parathormon) und Vitamine (Vitamin-D) diese Wachstumsvorgänge steuern. Anzumerken ist, dass bei schadhaften Einflüssen, wie z.B. Frakturen oder mechanischem Trauma, Wachstumsfugen ihre Aktivitäten einstellen und damit für ein abruptes Ende der knöchernen Weiterentwicklung sorgen. Diaphyse und Epiphyse sind mit dem Wachstumsabschluss vollständig (knöchern) verwachsen. Knorpelplatten findet man dann nicht mehr vor. Die Grenzlinie dieser Wachstumsfugen ist sehr häufig noch zu erkennen, als Fugenlinie oder Epiphysennarbe (linea physealis; 7). Bestimmte Größen beeinflussen das Knochenwachstum: Kalzium und Phosphor stellen die essentiellen Grundbausteine des Knochenstoffwechsels dar. Die Einlagerungen dieser Substanzen (als Kalziumphosphat) unterliegen Steuerungen bestimmter Hormone oder hormonähnlichen Substanzen. Ziel dieser Regulationsmechanismen ist die

Konstanterhaltung der Kalziumkonzentration im Extrazellularraum (21). An der Regulation des Kalzium- (Phosphat-) Stoffwechsels beteiligen sich neben dem Parathormon auch Kalzitriol und Kalzitonin. Weitere Knochenwachstum beeinflussende Substanzen sind z.B. Glucocorticosteroide, Insulin, Wachstums-, Schilddrüsen- und Sexualhormone. Der Dünndarm spielt in diesem Verbund das Aufnahmeorgan, das Knochensystem das Speicherorgan und die Niere das Ausscheidungsorgan. Der mittlere Kalziumbedarf eines Erwachsenen liegt bei ca. 1000-1500 mg/Tag von denen etwa 200 mg im oberen Dünndarm resorbiert und der restliche Anteil ausgeschieden werden (10). Kalzitriol unterstützt die Kalziumresorption. Bei größerer Kalziumaufnahme kann die Resorption durch Diffusion noch gesteigert werden. Jüngere Individuen besitzen zudem die Fähigkeit, die Resorptionsintensität im Dünndarm bei längerfristiger und fortschreitender Unterversorgung von Kalzium zu vergrößern, um so mehr Bestandteile aus der oral zugeführten Nahrung zu resorbieren. Älter werdende Personen besitzen aufgrund der eingeschränkten Resorptionsleistung diese Fähigkeiten nicht mehr, was sich bei geringer Kalziumaufnahme (z.B. Mangelernährung) sofort bemerkbar macht. Kalzium-Regulierende Hormone:

- Parathormon (PTH, Parathyrin): Dieses Peptidhormon, synthetisiert in den Nebenschilddrüsen, ist das entscheidende Hormon für die Kalziumregulation (5). Das Parathormon verhindert ein Absinken des Blutkalziumspiegels: es sorgt für eine kurzfristige Anhebung des Kalziumspiegels. Zudem aktiviert das PTH Kalzitriol, was