Bisphosphonat-Manual - ReadingSample

Bisphosphonat-Manual

Wirkungen - Indikationen - Strategien

Bearbeitet vonReiner Bartl, Emmo von Tresckow, Christoph Bartl

1. Auflage 2005. Taschenbuch. xviii, 299 S. PaperbackISBN 978 3 540 25362 4

Format (B x L): 17 x 21 cm

Weitere Fachgebiete > Medizin > Sonstige Medizinische Fachgebiete >Pharmakologie, Toxikologie

Zu Inhaltsverzeichnis

schnell und portofrei erhältlich bei

Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft.Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, eBooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programmdurch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr

als 8 Millionen Produkte.

http://www.beck-shop.de/Bartl-von-Tresckow-Bartl-Bisphosphonat-Manual/productview.aspx?product=370286&utm_source=pdf&utm_medium=clickthru_lp&utm_campaign=pdf_370286&campaign=pdf/370286

http://www.beck-shop.de/trefferliste.aspx?toc=9167

http://www.beck-shop.de/trefferliste.aspx?toc=9167

http://www.beck-shop.de/fachbuch/inhaltsverzeichnis/9783540253624_TOC_001.pdf

1.1 Text Überschrift 1. Grades 1

Evolution des Knochens

Die Erde entstand vor rund 4500 Millionen Jahren. Dies entsprichtrund einem Drittel der Zeit seit der Entstehung des Kosmos. Die ältes-ten tierischen Fossilien (Vielzeller) stammen aus der Zeit um 500 bis1000 Millionen Jahren vor der Entstehung der Menschen.

Eine Tauchfahrt durch das Ur-Meer vor ungefähr 600 MillionenJahren wäre sehr eintönig und unspektakulär verlaufen. Gerade 10Millionen Jahre zuvor war die Erde aus einer mehrere Millionen Jahredauernden Eiszeit erwacht, die selbst am Äquator Gletscher wachsenließ. Die Erde hatte über viele Millionen Jahre ausgesehen wie gegen-wärtig der Jupitermond Europa, dessen gesamte Oberfläche von ei-nem mächtigen Eispanzer bedeckt ist. Die sonnenlichtabhängige, aufpflanzlicher Photosynthese beruhende Biosphäre war erstarrt undvöllig zusammengebrochen. Das Leben hatte harte Zeiten hinter sichund es bevölkerten nur einfachste Organismen die Ozeane. Der Mee-resboden war bedeckt von festen Bakterienmatten und an den Küstenwuchsen durch die Photosynthese von Blaualgen Kalktürme,„Stroma-tolithen“. Von höheren, differenzierten Tieren keine Spur!

Auf dem Grund der Ozeane entlang der tektonischen Bruchzonenzwischen den qualmenden Schloten der „black smokers“ allerdingswimmelte es geradezu von bizarren Leben. Die Biomasse in diesenTiefseeoasen schätzen Experten auf mehrere Kilogramm pro Qua-dratmeter. Die Basis des Ökosystems in dieser Unterwelt konnte nichtdie Photosynthese der Pflanzen im Küstenbereich sein, sondern eineChemosynthese der Mikroben: Schwefelbakterien oxidierten den inden Schloten aufsteigenden Schwefelwasserstoff.

Im anschließenden Präkambium entwickelten sich erste mehrzel-lige Lebewesen: Schwämme und Nesseltiere, primitive Vorfahren allermodernen Tierstämme. Langsam entwickelten sich wesentlich kom-

KAPITEL 1 Knochen

Die Entwicklungs-

geschichte des Skelettes –

ein spannender Roman mit

vielen Kapiteln, und noch

kein Ende abzusehen.

Kapitel 01 01.11.2005 23:13 Uhr Seite 1

Kapitel 1 Knochen2

plexere Lebewesen, spiegelbildlich aufgebaute Lebewesen („Bilatera-lia“). Diese Tiere hatten erstmals unterschiedliche Gewebe, ein Ner-vensystem, einen Blutkreislauf, innere Organe und Mund- und Darm-öffnungen. In Gestein, das älter als 550 Millionen Jahre ist, findet manaber kaum Lebensspuren von diesen Tierarten. Die Tiere waren offen-sichtlich zu klein und zu weich, um erkennbare Fossilien im Gesteinzu hinterlassen.

50 Millionen Jahre später aber hat sich das Bild gründlich gewan-delt: das ganze Meer wimmelte von vielfältigen Leben. Mit Beginn desErdzeitalters Kambrium vor 550 Millionen Jahre wurden plötzlichSedimente voller kleiner Schalen, Zähnchen und Stacheln abgelagert.Angesichts der schier endlosen Epoche von mehr als 3 Milliarden Jah-ren, in denen nur primitive Einzeller die Ozeane bevölkerten, musstejetzt ein Ereignis für die entscheidende Zündung dieses „Urknalls desLebens“ aufgetreten sein. Diese „kambrische Explosion“ hatte wahr-scheinlich sowohl äußere wie innere Ursachen:

� Erwärmung und Zirkulation der Ozeane und zunehmende Sauer-stoffkonzentration in der Atmosphäre. Nährstoffreiche Tiefenwäs-ser strömten nach oben und überschwemmten die Schelfgebietemit Nährstoffen.

� Anreicherung der Ozeane mit Kalzium. Infolge der Erosion auf denUr-Kontinenten wurden gewaltige Mengen an Kalzium in die Meeregespült. Kalzium ist zwar bei zu hoher Konzentration ein Zellgift,die Lebewesen machten aber aus der Not eine Tugend: sie verarbei-teten die Kalziummengen zu Schalen und und Panzern: die Geburtder Außenskelette (Ektoskelett). Die Hartschalen dienten anfangsvor allem als Schutz gegen hohe Wellen- und Strömungsbewegun-gen.

� Entwicklung von Fleischfressern. Das Auftreten der ersten „Raub-tiere“ war ein wesentlicher Katalisator der Evolution und es begannein unaufhörliches Wettrüsten zwischen Jägern und Gejagten, mitvielfältigen Möglichkeiten durch die neuen Gene: Greifarme, Sta-cheln, Flossen und Augen. Damit kam ein neues Gesetz der Evolu-tion in die Welt: Fressen und gefressen werden. Natürlich hatteunter diesem Prinzip derjenige einen Vorteil, der sich zu panzernvermochte.

� Entwicklung von Panzern und Schalen. Das große Angebot von Kal-zium und anderen Mineralien im Wasser beschleunigte die Ent-wicklung einer Vielfalt von Hartteilen zum Schutz vor den „Jägern“.

Die „kambrische Explosion“

– die Geburtstunde des

Aussenskelettes.

Die Entwicklung von

Greifarmen und Kalkpanzern

spiegelt das ständige Wettrüsten

zwischen Jägern und Gejagten

wieder. Das neue Gesetz der

Evolution:„Fressen und

gefressen werden“.


Evolution des Knochens 3

Skelette erwiesen sich als eine bahnbrechende Erfindung in Sinneder Evolution. Durch Einlagerung von Kalziumkarbonat in organi-sche Matrixgewebe entstanden schützende Panzer, Schalen undDornen für die „Gejagten“, aber auch neuartige Jagdwerkzeuge wieZähne und Klauen für die „Jäger“. Die Hartteile der Tiere aus derZeit der „kambrischen Explosion“, einem geologisch kurzen Zeit-raum von nur 10 bis 20 Millionen Jahre, finden sich in den Beckenehemaliger Meere als meterdicke Sedimentschichten. Biologischerfolgreiche Modelle wie die Monoplacophora, primitive Vorläuferder Schnecken, haben 450 Millionen Jahre nahezu unverändertüberdauert. Man findet zum Beispiel Neopilina immer noch alslebendes Fossil im Pazifik in 3000 Meter Tiefe.

Ein großer Nachteil der Tiere mit Panzern und Schalen liegt in dergeringen Beweglichkeit und im geringen Fluchtpotential gegenüberden zunehmend schneller werdenden Jägern. Die Nachfolger derChordatiere, die heutigen Wirbeltiere, verlagerten das stützende Au-ßenskelett (Ektoskelett) nach innen, ersannen ein ausgeklügeltes Mus-kelsystem und gewannen dadurch eine höhere Beweglichkeit. In derTat brachte die Umstellung vom Außen- zum Innenskelett einen ent-scheidenden Vorteil für die Entwicklung des Bewegungsapparatesund vergrößerte vor allem den Aktionsradius. Die Geschwindigkeitder Fortbewegung wurde entscheidend für das Überleben und damitzur Triebfeder der weiteren Evolution.

Ein weiterer Fortschritt in der Entwicklung eines stabilen, aberleichten Innenskelettes (Endoskelett) und für Beweglichkeit liegt imchemischen Bereich: das in den Hartteilen eingebaute Kalziumkarbo-nat wird durch kristallines Kalziumphosphat ersetzt. In den Organis-men wird Kalzium durch Pyrophosphat komplex gelöst und transpor-tiert. Durch enzymatische Spaltung des Pyrophosphats in Phosphat-moleküle konnte Kalziumphosphat in Form von Hydroxylapatit [Ca10(PO4)6OH] in die neu entwickelte Knochenmatrix eingelagert werden(Abb. 1.1). Dieses Baumaterial bestehend aus Kollagen und wenigenNanometer großen Kalziumphosphatkristallen ist gegenüber demunelastischen, brüchigen Kalziumkarbonat der Schalentiere fester,elastischer und säureresistenter: der ideale Baustoff für die Anforde-rungen der Leichtbauweise.

Nachdem an der Grenze Silur/Devon (etwa vor 400 Millionen Jah-ren) die Pflanzen das Festland zunehmend besiedelten, konnten in derFolge nun auch die tierischen Organismen auf das Land folgen. Im

Mit der Entwicklung eines

Innenskelettes werden Jäger

und Gejagte schneller,

ein entscheidender Vorteil

für das Überleben.

Die Umstellung von

Kalziumkarbonat auf Kalzium-

phosphat schuf einen elastischen

Baustoff für das Skelett:

die Basis für die Leichtbau-

weise des Knochens.


Kapitel 1 Knochen4

ausgehenden Devon (vor etwa 350 Millionen Jahren) spalteten sich dieAmphibien aus der Gruppe der Knochenfische ab und begannen dasFestland zu besiedeln. Aus ihnen entwickelten sich die Reptilien, diedie Hauptvertreter der Wirbeltiere ab dem Karbon darstellten. DieBelastung durch die Schwerkraft auf dem Lande stellte besondereAnsprüche auf die Belastbarkeit des Knochens, die mit vielfältigenNeuerungen bezüglich einer Leichtbauweise des Knochens gemeistertwurde: die Spongiosierung und die Lamellierung des Knochengewe-bes. Zusätzlich wurde durch die Entwicklung von Markhöhlen Raumfür die Blutbildung, für das Knochenmark geschaffen.

Abb. 1.1. Enzymatische Spaltung von Kalzium-Pyrophosphat im extrazellulärenRaum und Einbau von kristallinem Kalziumphosphat in Form von Hydroxylapatitin die Knochenmatrix

Kalzium-Phosphat gab

es reichlich im Meerwasser,

das Ausgangsmaterial

für den hochwertigen

Knochenbaustoff

Hydroxylapatit.

Erst die Entwicklung

eines leichten, elastischen

Knochens ermöglichte das

Verlassen der Ozeane

und die Besiedelung

des Festlandes.


Funktion des Knochens 5

Die nächste Entwicklungsstufe waren die Dinosaurier, die bis Endeder Kreidezeit (etwa vor 60 Millionen Jahren) Herrscher auf der Erdewaren. Vor ihrem Aussterben entwickelten sich die Vögel. Der bisheute anhaltende Siegeszug der Säugetiere begann mit dem Massen-sterben der Dinosaurier vor etwa 60 Millionen Jahre.

Diese Stadien der Entwicklung des Lebens auf Erden lassen sichdurch Fossilienfunde belegen. Dabei lässt sich die Entwicklung desintelligenten inneren Skelettes aus einfachen äußeren Schalen undPanzern in den Versteinerungen eindrucksvoll chronologisch nach-vollziehen. Das derzeitige moderne Skelett der Säugetiere bestichteinerseits durch Belastbarkeit und Elastizität (Widerstand gegen dieallgegenwärtige Schwerkraft), andererseits durch niedriges Gewicht(Vorteile für Beweglichkeit und schnelle Fortbewegung). So bestichtinsbesondere das Vogelskelett durch die Raffinesse seiner Leichtbau-weise. Das heutige menschliche Skelett ist in allen Strukturordnungen– vom molekularen über den mikroskopischen bis zum makroskopi-schen Bereich – ein über 500 Millionen Jahre weiterentwickeltes Meis-terwerk der Bioarchitektur!

Funktion des Knochens

Das menschliche Skelett – bestehend aus 208 bis 214 einzelnen Kno-chen (ohne die etwa 50 Sesambeine) – macht etwa 15% des Körperge-wichtes aus, mit folgender Zusammensetzung:

� 29 Schädelknochen (davon 6 Gehörknöchelchen und ein Zungen-bein)

� 28–32 Knochen der Wirbelsäule� 25 Knochen des Brustkorbs� 4 Schultergürtelknochen� 2 Hüftbeine (als Beckenknochen Verschmelzungsprodukt aus dem

paarigen Darm-, Scham- und Sitzbein)� 60–62 Knochen der oberen und� 60 Knochen der unteren Extremitäten.

Eine Grobunterteilung unterscheidet etwa das Skelett des Stamms(Rumpfskelett) vom Skelett der Extremitäten (Extremitätenskelett).

Das Skelett des Menschen –

ein über 500 Millionen

Jahre weiterentwickeltes

und getestetes Meisterwerk

der Bioarchitektur, mit dem

Ziel sich gegen die Schwer-

kraft zu behaupten und die

Überlebenschancen im

Sinne der Evolution

zu optimieren!

Das menschliche Skelett –

ein hochkompliziertes

Zusammenspiel von etwa

210 formund funktions-

gerechten Einzelknochen.


Kapitel 1 Knochen6

Als Organ hat das Skelett vier Funktionen zu erfüllen:

� Stütz- und Fortbewegungsorgan: Es gibt unserem Körper die Formund bildet das Gerüst des „Bewegungsapparates“, gemeinsam mitMuskeln, Sehnen und Gelenken.

� Schutzorgan: Es gibt uns Schutz vor äußeren Einwirkungen. Soschützen die Rippen wie ein Panzer Herz und Lunge, der Schädelumgibt wie eine knöcherne Box das Gehirn.

� Knochen-Knochenmark-System: Das Knochengewebe ist mit derHämatopoiese viel enger verknüpft als bisher angenommen. BeideFunktionssysteme – Hämatopoiese und Skelett – haben gemein-same Vorläuferzellen und ein gemeinsames hochspezialisiertesGefäßsystem mit einer hohen Durchblutungsrate.

� Mineraldepot: Der Knochen ist die größte Mineralbank unseresKörpers: 99% des gesamten Kalziums, 85% des Phosphats und 50%des Magnesiums sind im Knochen gespeichert. Ungefähr 1 bis 1,5kgKalzium sind als Hydroxyapatit im Knochen eingebaut. Die mine-ralisierte Knochensubstanz besteht zu 50% aus anorganischenMaterialien, zu 25% aus organischer Grundsubstanz (Matrix) undzu 25% aus Wasser.Die Matrix enthält 90% Kollagen Typ I und 10%andere nicht-kollagene Proteine wie z.B. die Glykoproteine Osteo-calcin,Osteonektin,Bone Sialoprotein,Osteopontin sowie verschie-dene Proteoglykane. Für die lebenswichtige Kalziumhomöostasedient das Skelett als fast unerschöpfliches Depot. Die Mobilisationvon Kalzium aus dem Knochen und die Einlagerung von Kalziumin das Skelett wird über das Parathormon in Verbindung mit akti-vem Vitamin D gesteuert.

Struktur des Knochens

Der Knochen hat zwei mechanische Aufgaben zu erfüllen: Belast-barkeit und Elastizität bei möglichst niedrigem Gesamtgewicht. Diesrealisiert er mit einer durchdachten Architektur (Abb. 1.2a), einer „La-mellierung“ der Matrix nach den Spannungslinien (Abb. 1.2b) und ei-ner speziellen Mischung der Baumaterialien, die wir im Bauwesen alsPrinzip des Spannbetons kennen: die „Zwei-Phasen-Komponente“. Sobesteht der Knochen aus einer elastischen Knochenmatrix, in der lan-ge Kollagenmoleküle wie Seile in Schichten angeordnet sind (Abb. 1.3).Dazwischen wird Kalzium und Phosphat in kristalliner, plattenartiger

Das Skelett – nicht nur mit

mechanischen Aufgaben

betraut, sondern ein richtiges

Multifunktionstalent.

Das Bauwesen kann vom

Knochengewebe lernen, wie

man die beiden wesentlichen

Bau-Eigenschaften Rigidität

und Elastizität vereinen kann

– bei gleichzeitig niedrigem

Gesamtgewicht.


Struktur des Knochens 7

Form eingelagert und verfestigt, wobei die Kristallgröße im Nanobe-reich einzuordnen ist. Tierexperimentelle und klinische Studien ha-ben belegt, dass jede Strukturveränderung, insbesondere Vergröbe-rung der Kristalle eine Qualitätsminderung verursachen kann. Spu-renelemente, Wasser und Riesenmoleküle („Mucopolysaccharide“)dienen als Leim, der die Proteinseile mit den Mineralkristallen festverbindet und an Oberflächen „Zementlinien“ bildet. Das Kollagen istfür die Elastizität, die kristallinen Mineralien für die Festigkeit undRigidität des Knochen zuständig. Die Kollagenbündel sind in parallelangeordneten lamellären Matrixschichten wellenförmig angeordnetund über Kittlinien verknüpft.

Der äußere Anblick des Knochens verbirgt die geniale Architektur.Erst im Röntgenbild oder in der aufgeschnittenen Knochenbiopsie(Abb. 1.4) erkennen wir die beiden Bauelemente:

Abb. 1.2 a, b. Normale Spongiosa im Bereich des Beckenkammes: a Bälkchen-architektur mit zahlreichen „Knotenpunkten“, die für die Belastbarkeit des Kno-chens verantwortlich sind. Anschnitt einer in Plastik eingebetteten Knochen-biopsie, b Lamelläre Anordnung der Kollagenfibrillen in Knochenbälkchen mitzentralem Knotenpunkt (Polarisation)

a b

Kollagen ist neben dem

Hämoglobin eines der

genialen Moleküle, die die

Evolution hervorgebracht

hat. Erst mit der Entwicklung

des Kollagens entstanden

die verschiedenen Formen

des Bindegewebes:

der Startschuß für die

rasante Verbreitung

von Vielzellern.


Kapitel 1 Knochen8

I. Kompakta, Spongiosa II. Bälkchen

VI. Kollagen

III. Lamellen

V. Filamente

IV. Fibrillen

Abb. 1.3. Strukturordnun-gen des Knochens, die fürdie Stabilität und Elastizitätdes Knochens verantwort-lich sind: vom makroskopi-schen über den mikroskopi-schen bis in den molekula-ren Bereich

Das Knochengewebe –

„hightec“ bis in den moleku-

laren Bereich und befähigt

zur Selbstreparatur.


„Modeling“ und „Remodeling“ 9

� Kompakta (Kortikalis, Knochenrinde),� Spongiosa (trabekulärer Knochen, Knochenbälkchen).

Die Gesamtmasse des normalen Skelettes beträgt 5 kg, wobei 4 kg aufkompakten Knochen und nur 1 kg auf Spongiosa entfällt.Dafür hat dieSpongiosa eine 10-fach größere Oberfläche als die Kompakta.

„Modeling“ und „Remodeling“

Bei der Geburt sind nur wenige Knochenteile fertig angelegt undwerden in der Wachstumsphase aus Knorpel oder Bindegewebezum festen, lamellären Knochen umgebaut. Das Knochenwachstum(„modeling“) wird in der Pubertät mit Verknöcherung der Wachs-tumsfugen abgeschlossen: die entgültige Körpergröße ist dann erreicht.

Der alternde Knochen verliert durch Mineralverlust und Matrix-Alterung an Festigkeit und Elastizität, er bricht leichter. Die gesamte

Kompakta Spongiosa

Abb. 1.4. Längshalbierung der Knochenbiopsie mit Darstellung beider Bauele-mente des Knochens: Kompakta als äußere Knochenrinde (links) und Spongiosaals Knochenbälkchen mit Knotenpunkten

Die Mischung von

Knochenrinde und

Knochenbälkchen

macht’s.

Der Knochen –

ein lebenslanger Prozess des

Modellierens und Reparierens,

je nach Bedarf des

Organismus.


Kapitel 1 Knochen10

Knochensubstanz muss daher in regelmäßigen Abständen ausge-tauscht werden. Täglich werden mehr als 400 mg Kalzium aus demKnochen herausgelöst, pro Jahr 10% des Knochens abgebaut. Dasbedeutet, dass das Skelett in unserem Leben 3–4 mal vollständig neuaufgebaut werden muss. Diese Fähigkeit des Materialaustausches unddes Knochenumbaus („remodeling“; Abb. 1.5) dient jedoch nicht alleinder Anpassung und Gesamterneuerung, sondern auch der Reparatureines gebrochenen bzw. angebrochenen Knochens. Dabei handelt essich nicht nur um Ausheilung von Brüchen ganzer Knochen, sondernauch von Tausenden mikroskopisch kleiner Brüche der Knochenbälk-chen („Mikrofrakturen“), die neben der Knochendichte das Frakturri-siko bestimmen.

Knochenzellen

Für diese ständigen Reparaturen bedient sich das Knochengewebespezialisierter Zellen:

� Osteoklasten (knochenabbauende Zellen) bauen alten Knochen innur wenigen Tagen ab (Abb. 1.6). Diese mehrkernigen Riesenzellenleiten sich von Zellen der Hämatopoiese (Monozyten-Vorläufer,

Abb. 1.5. Umbau eines Knochenbälkchens mit osteoklastischer Knochenresorp-tion (oben) und osteoblastischem Knochenanbau (unten). Dieses „Remodeling“verläuft geordnet ohne Zerstörung der vorliegenden Struktur. Ziel ist eine Ände-rung der Krümmung des Bälkchens mit optimaler Anpassung an die Spannungs-linien

Die Belastbarkeit des

Knochens hängt vom fein

abgestimmten Funktionie-

ren der millionenfachen

Bautrupps ab!


Knochenzellen 11

Abb. 1.6. Schematische Darstellung der Struktur, Funktion und Steuerung einesOsteoklasten

Stimulatoren Inhibitoren

Kalzitonin

�-Interferon

TGF-�

PPicAMP

ATPKern

KernKern

E2Ca, Ph, PeptideLT

TGF-�

TNF

IL1

PTH

HCO3

CI-

K+

Na+ TRAP

„Clear zone“ Integrin

CI-H+

Knochen

„Clear zone“ Integrin

PhagozytierteKnochenmatrixMitochondrien

Golgi-Apparat

Protein- asen

Lysosomale Enzyme

TRAP

RuffledBorder

Knochenstück

Vesikel

Protonen- pumpe

K+

Der Osteoklast – der „Bagger“

im Bauunternehmen Knochen:

effizient und schnell, aber auch

brutal zerstörerisch in

krankhaften Situationen.


Kapitel 1 Knochen12

Monozyten, Makrophagen) ab. Selbst im Blut zirkulierende Mono-zyten können sich zu voll funktionsfähige Osteoklasten differen-zieren. Je nach Aktivität haben sie 4–20 Kerne und liegen in ihrenResorptionslakunen (Howshisp’sche Lakunen). Die Lakunentiefeverrät die Aggressivität der Osteoklasten (Abb. 1.7). Charakteris-tisch ist die stark gefaltete Zellmembran („ruffled border“) auf derKnochenoberfläche. Hier werden große Mengen proteolytischerEnzyme (Matrix-Metalloproteinasen, Kathepsine) und H+ Ionensezerniert, die die Mineralkristalle auflösen und die restlicheMatrix verdauen. Der klassische Enzymmarker der Osteoklastenist die tartratresistente saure Phosphatase (TRAP). LysosomaleEnzyme finden sich im endoplasmatischen Retikulum, im Golgi-

Abb. 1.7. a Zahlreiche aktive Osteoklasten auf der Oberfläche des bereits starkzerklüfteten Knochens. Beachte das „ruffled border“ der Osteoklasten (Giemsa).b Mehrere hochaktive Osteoklasten in einer tiefen Resorptionslakune (Gomori)

a

b

Der Osteoklast ist

das Bindeglied zwischen

Knochengewebe und

Hämatopoiese.


Knochenzellen 13

Apparat und in Transportvesikeln. Die zahlreichen Mitochondrienverraten den hohen Energieverbrauch der Knochenresorption. DieKristalle werden vom Kollagen getrennt und im sauren Milieu inKalzium und Phosphat aufgelöst. Die übrigbleibenden Kollagen-fasern werden von Kollagenasen und Kathepsinen bei niedrigempH-Wert zu Aminosäuren (z.B. Hydroxyprolin) verdaut (Abb. 1.8;Osteoklasten haben auch Östrogenrezeptoren, wobei Östrogen vorallem die Rekrutierung der Osteoklasten unterdrückt.

� Osteoblasten (knochenaufbauende Zellen) bauen neuen Knochenlangsam über viele Wochen wieder auf. Die multipotente Stamm-zelle der osteogenen Zell-Linie ist die mesenchymale oder stro-male Stammzelle, nach der hämatopoietischen Terminologie auch„colony forming units-fibroblasts“ oder „CFU-f“ genannt. Kulturenmit Knochenmark-Stromazellen belegen auch eine gemeinsameVorläuferzelle der Adipozyten und der osteogenen Zellen (Osteo-blasten,Osteozyten und „lining cells“).Osteoblasten sind in Schich-ten epithelartig angeordnet (ungefähr 100–400 Zellen im Verband).

Abb. 1.8. a Aktiver Osteoklast (links oben) mit „ruffled border“ (links unten), dergerade das Knochengewebe (rechts) auflöst (EM). b Bei stärkerer VergrößerungNachweis von ganzen Knochenpartikeln in intrazytoplasmatischen Vesikeln(Pfeile) des Osteoklasten (EM)

a b

Der Osteoklast hat mehrere

Funktionssysteme zum

raschen Abbau von Knochen-

material entwickelt.

Die Osteoblasten –

die „Maurer“ im Bauunter-

nehmen Knochen: langsam

arbeitend, aber echte

Facharbeiter.


Kapitel 1 Knochen14

Die Zellkerne liegen der Knochenoberfläche abgewandt (Abb. 1.9).Das Zytoplasma ist stark basophil und reich an alkalischer Phos-phatase, als Ausdruck der Proteinsynthese. Ihre Hauptfunktion istdie Synthese von Knochenmatrix (Osteoid), insbesondere KollagenTyp I, Osteocalcin, Osteonectin und Bone Morphogenic Protein(BMP). Osteoblasten haben Rezeptoren für Östrogen und Parathor-mon, jedoch nicht für Kalzitonin. Viele Hormone und Zytokinesteuern die Osteoblasten: IGFs, TGFbeta, FGFs, PDGF, BMPs undProstaglandine. Fluoride, Statine und PTH aktivieren, Leptin dage-gen hemmt die Knochenproduktion.

� Osteozyten (knochenüberwachende Zellen): Der Osteozyt ist zah-lenmäßig die weitaus bedeutendste Knochenzelle und entwickelt

a

b

Abb. 1.9. a Auskleidung einer engen Markhöhle mit einer Schicht hochaktiverOsteoblasten (Giemsa).b Osteoblastenschicht mit Produktion von Kollagenfasern(schwarz). Im Knochengewebe (unten) Umwandlung von Osteoblasten zu Osteo-zyten (Gomori)

Die Osteozyten –

die „Beamten“ im Bau-

unternehmen Knochen und

zahlenmäßig dominierend.


Knochenzellen 15

sich aus Osteoblasten. Ungefähr jeder zehnte Osteoblast wird aufder Oberfläche des Knochens durch die neugebildete Knochen-matrix „eingemauert“ und in einen Osteozyten umgewandelt. Erbesitzt zahlreiche Rezeptoren für Hormone einschließlich Parat-hormon und Sexualhormone. Die Osteozyten breiten sich in einemKanalsystem des Knochens aus und sind untereinander sowie mitder Oberfläche des Knochens durch kleine Kanäle („Canaliculi“)über lange zytoplasmatische Ausläufer verbunden (Abb. 1.10). Sobilden die Osteozyten im Knochen ein ausgedehntes und komple-xes Zirkulations- und Kommunikationsssystem. Die individuellenOsteozyten sind wie Neurone mit „gap junctions“ untereinanderverbunden und halten auch mit den oberflächlichen „lining cells“

a

b

Abb. 1.10. a Hohe Konzentration aktiver Osteozyten im Knochengewebe, ver-bunden durch ein Kanalsystem (Canaliculi) (Giemsa). b Osteozyt im periosteozy-tären Raum, von dem mehrere Canaliculi mit zytoplasmatischen Ausläufern desOsteozyten ausgehen (EM)

Das Überwachungssystem

der Osteozyten ist allgegen-

wärtig und rasch

reagierend.


Kapitel 1 Knochen16

und Osteoblasten Kontakt. Sie sind daher in idealer Weise in derLage, verschiedenartige Belastungssignale auf Präosteoblasten zuübertragen, die daraufhin zu Osteoblasten differenzieren undOsteoid sezernieren. Die Gesamtoberfläche des Kanalsystems wirdauf etwa 1200 qm geschätzt. Die Funktion der Osteozyten ist nochnicht völlig erforscht, sie spielen jedoch sicher eine Rolle im Trans-port organischer und anorganischer Materialien innerhalb desKnochens. Ihre strategische Lage zeichnen sie auch als mecha-nosensorische Zellen aus, Signale der Knochenbelastung in Kno-chenumbaumaßnahmen umzusetzen. Ebenso erkennen sie Mikro-frakturen und leiten entsprechende Reparaturmaßnahmen ein.Osteozyten erkennen Änderungen der Flussgeschwindigkeit in denCanaliculi sowie Konzentrationen von Hormonen wie z.B. Östro-gene, Glukokortikoide und Raloxifen, die ihrerseits Aktivitäten undÜberlebenszeiten der Osteozyten beeinflussen. Es ist sehr wahr-scheinlich, dass Osteozyten auch Impulse benachbarter Muskel-zellen registrieren, die weiter in Knochenreaktionen auf der Ober-fläche des Knochens umgesetzt werden. Osteozyten erkennenebenfalls das Alter des Knochens und leiten Maßnahmen zur Kno-chenerneuerung ein. Andererseits führen Unterbrechungen desosteozytären Netzwerkes zur Knochenbrüchigkeit. Fasst man dieFunktionen der Osteozyten zusammen, so fällt auf, dass diese Zel-len aktiv im Prozess des Knochenumbaus und in seine Kontrollme-chanismen eingebunden sind. Osteozyten nehmen aktiv am Ionen-austausch teil, sie sind mechanosensorische Zellen, die wesentlichan der funktionellen Adaptation des Knochens beteiligt sind. DieDichte der Osteozyten bestimmt die Knochendichte. Abnahme derOsteozytenzahl im Alter muss unweigerlich zu einer Abnahme derKnochenmasse sowie zu einer Verschlechterung der Knochenqua-lität führen.

� Endostale Belegzellen,„endosteal lining cells“ (schützende Knochen-zellen): Dabei handelt es sich um flache Zellen, die die innere Ober-fläche des Knochens auskleiden (Abb. 1.11). Sie entwickeln sich ausinaktiven Osteoblasten, bilden eine Schutzschicht auf der Oberflä-che des Knochens und stellen zusammen mit den Osteozyten einweitverzweigtes Überwachungssystem des Knochengewebes. Dieendosteal lining cells sind auch bei der Aktivierung von Osteoklas-ten beteiligt. Bestimmte Oberflächenmoleküle auf den lining cellsund den Vorläuferzellen der Osteoklasten reagieren mit demRezeptor RANK und starten damit den Knochenumbauzyklus. Die

Die hormonelle und

nervale Steuerung des

Knochens bedient sich der

Osteozyten als ausfüh-

rendes Zellsystem.

Die „endosteal lining cells“

– der „Schutztrupp“ des

Knochens nach außen.


Phasen des Knochenumbaus 17

endosteal lining cells nehmen auch am Knochenumbauzyklus teil.Sie entfernen Fragmente des Knochenkollagens (Überreste derOsteoklastentätigkeit), säubern damit die Knochenoberfläche vonResorptionsresten und initiieren die nachfolgende Knochenforma-tion.

Von der Abstammung her ist das Knochengewebe ein spezialisierter,„verknöcherter“ Zweig des Knochenmarkstromas. In der Tat stam-men Osteoblasten, Osteoklasten und deren Vorstufen von Zellen desKnochenmarks ab: Osteoblasten und Osteozyten von multipotentenmesenchymalen Stammzellen des Knochenmarkstromas und Osteo-klasten vom Granulozyten-Makrophagen-System. Weitere Zellen wieFibrozyten, Adipozyten, Adventitiazellen und Endothelzellen bildenein strukturell komplexes Netzwerk, das die funktionelle Einheit vonKnochen und Knochenmark bildet und steuert.

Phasen des Knochenumbaus

Für den geordneten Knochenumbau stehen 2–5 Millionen Baueinhei-ten („bone remodeling units“, BRU) bereit. Eine BRU besteht aus einemknochenabbauenden und einem knochenanbauenden Funktionssys-tem, aus wenigen Osteoklasten und aus einer Vielzahl von Osteoblas-

Abb. 1.11. Zwei flache „lining cells“ auf der Oberfläche des Knochens, die das Kno-chengewebe zum Markraum hin abschirmen (EM)

Knochen und Knochenmark

ist ein Funktionssystem mit

gemeinsamen Vorläufer-

zellen und gemeinsamer

Gefäßversorgung.


Kapitel 1 Knochen18

ten (Abb. 1.12). Sie sind vergleichbar mit den Bautrupps der Straßen-reparatur: beschädigter Straßenbelag wird abgetragen und mit neuemAsphalt wieder ausgefüllt. Die Umbauaktivität spiegelt sich in der Kal-ziumausscheidung und in den Abbauprodukten des Kollagens im Urinwider.

Der Knochenumbau läuft in Zyklen von ungefähr 120 Tagen ab.Unterschieden werden folgende Knochenumbauphasen (Abb. 1.13):

� Ruhephase (Bone lining cells als Schutzschicht, quiescence)� Aktivierungsphase (Bereitstellung der Osteoklasten, activation)� Resorptionsphase (osteoklastischer Knochenabbau, resorption)

Osteoklast Monozyt

LymphozytenMesenchymzelle

Bone liningcellsOsteoblasten

Osteozyten

Abb. 1.12. Darstellung einer Knochenumbau-Einheit („Bone Remodeling Unit“,BRU),bestehend aus knochenabbauenden Zellen (Osteoklasten),knochenanbau-enden Zellen (Osteoblasten) und knochenerhaltenden und -regulierenden Zellen(Osteozyten und „bone lining cells“), einschließlich deren Vorläuferzellen

Die Baueinheiten

des Knochens sind hoch-

spezialisierte Zelltrupps und

ständig millionenfach tätig.


Phasen des Knochenumbaus 19

� Umschaltphase (Apoptose der Osteoklasten, Glättung der Resorp-tionslakune mit Bildung von „Zementlinien“ und Bereitstellung derOsteoblasten, reversal)

� Anbauphase mit Osteoidproduktion (formation early)� Anbauphase mit Osteoidmineralisation (formation late)� Ruhephase (Umwandlung der Osteoblasten in bone lining cells,

quiescence).

Die Resorptionsphase ist bereits in 2 Wochen abgeschlossen, wäh-rend die Mineralisationsphase bis zur Bildung reifen KnochensMonate dauert und von der Präsenz aktiver Vitamin D Metabolite

Abb. 1.13. Stadienförmiger Ablauf des geordneten Knochenumbaus („bone re-modeling“)

RuheResorption

Umwandlung

Endostaler Sinus

Monozyt

Hämato-poietischeStammzellen Prä-OK Prä-OB

FormationMineralisation

Ruhe

MesenchymaleStammzelle

Osteoid

Bone lining cells

OsteozytenOsteoklast

MakrophagenOsteoblasten

Alter Knochen

Neuer Knochen

Zementlinie

Der Knochenumbau läuft

nach einer genau festgeleg-

ten Sequenz millionenfach

im Knochen ab und dauert

jeweils etwa 2 Wochen.


Kapitel 1 Knochen20

abhängt. Nach Abschluss eines Umbauzyklus entsteht eine „struktu-relle Knocheneinheit“. Insgesamt werden 35 Millionen strukturelleKnocheneinheiten im Skelett geschätzt. Die Gesamt-Umbaurate desSkelettes beträgt 8% pro Jahr.

Steuerung des Knochenumbaus

Das Skelett besitzt ein effektives Überwachungssystem, um einerseitsdie Kalziumhomöostase, andererseits die Knochenfestigkeit zu opti-mieren (Abb. 1.14). Wie arbeiten die verschiedenartigen Knochenzel-len zusammen, um eine Ausgewogenheit zwischen Resorption undFormation zu erreichen? Bisher sind fünf Gruppen von Mechanismenbekannt, die die Knochenmasse überwachen und regulieren:

Tabelle 1.1. Modulatoren der Knochenresorption. (Nach Fleisch 2000)

Steigerung Hemmung

Systemisch

PTH Calcitonin

PTHrP Östrogen

Calcitriol Testosteron

Thyroxin

Glukokortikoide

Lokal

IL-1 TNFa TGBb

IL-6 TNFb IFNg

IL-11 TGFa IL-4

IL-17 IL-10

FGFs M-CSF IL-13

Prostaglandine GM-CSF IL-18

RANKL SCF Osteoprotegerin

IL-1ra

Die Steuerung des

Knochenumbaus erfolgt

vor allem lokal über

Gewebshormone.


Steuerung des Knochenumbaus 21

� Systemische Hormone: Die wichtigsten Hormone sind Parathor-mon (PTH), Kalzitonin, Schilddrüsenhormone, Insulin, Wachs-tumshormone, Kortison und Sexualhormone, wobei die Östrogeneinsbesondere die Osteoklastenaktivität und damit die Knochenre-sorption regulieren. Die wichtigsten Modulatoren des Knochenab-baus sind in Tabelle 1.1 zusammengefasst. Parathormon und Vita-min D sind die wichtigsten Regulatoren der Kalziumhomöostase.Sie beeinflussen nicht nur das Knochengewebe, sondern auchandere Organe wie die Nieren oder den Magen-Darm-Trakt. AmKnochen steuert das Parathormon insbesondere Mechanismen desKnochenumbaus. Androgene sind ebenfalls für die Knochenfor-mation wichtig. Osteoblasten, Osteozyten sowie mononukleäreZellen und Endothelzellen im Knochenmark besitzen Rezeptoren

Abb. 1.14. Regulation des Knochenumbaus: Hormone, Zytokine, Medikamenteund zelluläre Interaktionen

Hämatopoietische Stammzellen

Rekrutierung

KalzitoninBisphosphonate

Fusion

Prä-OK Monozyt

Coupling

- Parathormon- Vitamin D- Thyroxin- Lokale Faktoren

Osteoid

Bone lining cells

OsteozytenOsteoklast

MakrophagenOsteoblasten

Alter Knochen

Neuer Knochen

Zementlinie

LymphozytenT B

Die Steuerung über Hor-

mone dient vor allem der

Kalziumhomöostase und

umfasst neben den Kno-

chen auch andere Organe

wie die Nieren oder den

Magen-Darm-Trakt.


Kapitel 1 Knochen22

für Androgene, Muster und Expression der Rezeptoren sind ge-schlechtsunabhängig. Auch Fettzellen haben Rezeptoren für Sexu-alhormone, die sie mittels Aromatasen metabolisieren können. Sig-nifikante Spiegel von Östrogenen und Androgenen finden sich imBlut beider Geschlechter. Beide Hormone spielen eine wichtige,wenn auch nicht notwendigerweise identische Rollen im Knochen-metabolismus. So wirken zum Beispiel die Androgene auf Osteo-blasten während der Mineralisationsphase, während die Östrogeneauf Osteoblasten vor allem in früheren Stadien während derMatrixbildung wirken. Sexualhormone wirken unterschiedlich anverschiedenen Orten des Knochengewebes –Androgene sind wich-tig für die Steuerung der periostalen Knochenbildung, verantwort-lich für breitere Röhrenknochen beim Mann. Für Östrogen undTestosteron gibt es Rezeptoren auf Osteoblasten, Osteoklasten undOsteozyten, jedoch keines der Sexualhormone dominiert in denverschiedenen Stadien des Knochenumbauzyklus.So haben Andro-gene einen starken Einfluss auf die Knochenformation und Resorp-tion über lokale Enzyme,Zytokine,Adhäsionsmoleküle und Wachs-tumsfaktoren.

� Lokale Zytokine und Signale: Bedeutend für den Knochenumbausind auch lokale Zytokine, elektromagnetische Potentiale und Sig-nale, die über das interzelluläre Netzwerk des Knochengewebesvermittelt werden. Knochenzellen synthetisieren ganze Familienvon Zytokinen: zum Beispiel IGF-I, IGF-II, b2-Mikroglobulin, IL-1,IL-6, TGF-b, BMPs, FGFs und PDGF. Prostaglandine spielen einewichtige Rolle in der Knochenresorption unter Immobilisation.

� Vitamine und Mineralien: Die Knochenzellen einschließlich derassoziierten Zellsysteme werden von Vitaminen, Mineralien undanderen Faktoren beeinflusst. Die Vitamine D, K, C, B6 und A wer-den benötigt zur normalen Bildung von Kollagen und für diegeordnete Mineralisation des Osteoids. Auch Vitamin B12 ist für dieDNS-Synthese wichtig und beeinflusst die Knochendichte. Einekürzlich erschienene Studie an 2576 Patienten zeigte, dass ein nied-riger Vitamin B12-Spiegel ein Risikofaktor für Osteoporose ist.

� Mechanische Belastung: Körperliche Aktivität verbessert Knochen-masse und Knochenbelastbarkeit und ist vor allem bei Kindernund Heranwachsenden von großer Bedeutung. Dieses osteogenePotential nimmt nach Ende der Pubertät und nach Abschluss desLängenwachstums der Knochen deutlich ab. Das Skelett desErwachsenen ist durch mechanische Belastung nur noch einge-

Knochenzellen sind

bisexuell, mit Rezeptoren

für Östrogen und Testosteron.

Gerade beim Mann spielt

der Östrogenspiegel eine

wichtige Rolle für die

Knochengesundheit.

Druck und Zug am

Knochen ist der beste Anreiz

für starken Knochen.



schränkt beeinflussbar. Ein neuer Weg, um das Knochengewebeaufzubauen, sind hochfrequente „Vibrationen“ kombiniert mitzahlreichen Ausruhphasen. Die Zellen des Knochengewebes kön-nen offensichtlich extrazelluläre mechanische Signale in intrazellu-läre Antworten übersetzen. Inzwischen wurde ein Mechanore-zeptor identifiziert, der aus extra- und intrazellulären Proteinenbesteht und mit transmembranen Kanälen verknüpft ist. Es wurdegezeigt, dass die Osteozyten Ausläufer besitzen, die mit der extra-zellulären Matrix in Kontakt stehen.Wahrscheinlich verursacht derFluss der extrazellulären Flüssigkeit in den Kanälchen Veränderun-gen an der Zellmembran des Osteozyten, die über die Mechanore-zeptoren in das Innere der Osteozyten übertragen werden.

� Transkriptionale Regulation und Gene: Es gibt eine Reihe tran-skriptionaler Faktoren, die die Osteogenese und Differenzierungder Osteoblasten kontrollieren. Diese umfassen runt-related tran-scription factor (Runx), Osterix (Osx) und sex determining regionY-box,„Master“-Regulatoren der Osteogenese. Ferner könnten neuentdeckte Gene, die für angeborene Skeletterkrankungen verant-wortlich sind, als Therapeutika verwendet werden. So konnte kürz-lich gezeigt werden, dass LRP5 ein Schlüsselmolekül der Knochen-regulation darstellt und die osteoblastäre Differenzierung steuert.

� Leptin und zentrales Nervensystem: Die Beobachtung, dass überge-wichtige Personen selten an Osteoporose leiden, weist auf einenZusammenhang zwischen Fettgewebe und Knochenmasse hin.Zunächst wurde vermutet, dass das höhere Gewicht für die hoheKnochenmasse verantwortlich sei. Experimentelle Studien habenjetzt auch die Rolle des Hormons Leptin aufgezeigt: es wird von denFettzellen produziert, wirkt auf Neurone im Gehirn und beeinflusstso das Körpergewicht. In Tierversuchen konnte nachgewiesen wer-den, dass Leptin auch antiosteogenetisch wirkt. Davon wurde abge-leitet, dass die erhöhte Knochenmasse bei adipösen Personen miteiner Resistenz gegenüber der antiosteogenetischen Aktivität desLeptins erklärt werden muss. Der Blutspiegel des Leptins korreliertmit der Menge des Körperfettes. Leptin reguliert den Energiehaus-halt des Körpers sowie die Knochenmasse durch Bindung anbestimmte Rezeptorprotein-spezifische Neurone im Hypothala-mus, die wiederum sympathische Nervenzellen aktivieren. DerenNervenfasern enden im Knochen, wo sie die Ausschüttung vonNoradrenalin stimulieren. Dadurch werden b2-adrenerge Rezepto-ren der Osteoblasten stimuliert und über diesen Weg die osteoblas-

Osteozyten – eine noch

vernachlässigte Knochen-

zelle. Über Mechanosensoren

wandeln sie den mechanischen

Reiz um in einen Wachstums-

impuls.

Wie jedes andere Organ

wird auch der Knochen

über das ZNS überwacht

und gesteuert. Leptin spielt

dabei eine wichtige Rolle.

Wir wissen schon lange, daß

Knochen und Knochenmark

reich an Nervenfasern sind.

Sie versorgen die kleinen

Gefäßen und regulieren die

Durchblutung. Ihre Funk-

tion bei der Knochenregula-

tion wird zur Zeit intensiv

untersucht.


Kapitel 1 Knochen24

täre Aktivität reduziert. Leptin hemmt die Knochenformation überdie Wirkung auf bereits differenzierte Osteoblasten und hat keinenEffekt auf Differenzierung und Aktivität der Osteoklasten. DieserWirkungsmechanismus lässt vermuten, dass Millionen von Patien-ten, die bisher mit Betablockern wie z.B. Propranolol gegen Blut-hochdruck behandelt wurden, auch erhöhte Knochenmasse zeigen– eine Beobachtungsstudie über den Zusammenhang von Betablo-ckern und Knochenmasse sollte daher diese Annahme rasch klä-ren.

Kortikaler und spongiöser Knochen haben unterschiedliche Umbau-raten:

� Der kortikale Knochen (80% der gesamten Knochenmasse) ist sehrdicht, bis zu 90% kalzifiziert und hat ein sehr niedriges Oberflä-chen/Volumen-Verhältnis. Er ist also sehr träge und unterliegteinem sehr langsamen Umbau.

� Der spongiöse Knochen dagegen hat durch die feingliedrige Anord-nung eine viel größere Oberfläche und ist daher einem wesentlichschnelleren Umbau ausgesetzt. Ungefähr 25% des spongiösen Kno-chens wird jährlich umgebaut, dagegen nur 2,5% des kortikalenKnochens

Der Anteil an trabekulären Knochen ist unterschiedlich in den ver-schiedenen Skelettarealen:

� Lendenwirbelsäule 66-75%� Ferse 70%� Proximaler Femur 50–75%� Distaler Radius 25%� Radiusmitte <5%.

Skelettareale mit hohem Anteil trabekulären Knochens weisen einebesonders hohe Knochenoberfläche auf und sind daher für Knochen-schwund besonders anfällig. Dort ist ein Knochenschwund auch amfrühesten messbar.

Auch Betablocker steigern

die Knochendichte und

unterstreichen die Bedeu-

tung der nervalen

Versorgung.

Die unterschiedliche

Empfindlichkeit der Kno-

chenareale für Osteoporose

hängt besonders vom Ver-

hältnis des spongiösen und

kortikalen Knochens ab.



Das RANKL/Osteoprotegerin-System

Eine Schlüsselrolle in der Steuerung und im „coupling“ der Knochen-umbauvorgänge kommt dem RANKL-Osteoprotegerin Zytokin-Sys-tem zu (Abb. 1.15). Die Entdeckung dieses Zytokinsystems stellt zwei-fellos einen Meilenstein für das Verständnis der Osteoklastengenese,der Steuerung der Knochenresorption und der lokalen Umbauvor-gänge dar. Ein wichtiges Mitglied der Tumornekrosefaktor-Rezeptor-familie, die von Osteoblasten produziert wird, ist das Osteoprotegerin(OPG), das die Differenzierung der Osteoklasten aus Vorläuferzellenblockiert und so die Knochenresorption hemmt (auch als RANK-„dummy“ bezeichnet). RANKL (Receptor Activator of NF-kB Ligand,auch als Osteoprotegerin Ligand, OPGL, bekannt), sein zellulärerRezeptor RANK und sein Fängerrezeptor, das Osteoprotegerin (OPG)wurden als Schlüsselkomponenten im körpereigenen Regelkreis desKnochenumbaus identifiziert. RANKL, ein Mitglied der TNF-Familie,ist das Hauptstimulans für die Reifung von Osteoklasten und ist aus-

ProresorptiveZytokine

OsteoklastVorläufer

OPG

OPGM-CSF

c-Fms

c-Fms

PräosteoblastStromazelle

RANKL

RANK

RANK

löslichesRANKL

OPG

- ProliferationUnreifer

Osteoklast

- Fusionierung- Differenzierung- Aktivierung

Knochen

Apoptose

TGF - βSterbenderOsteoklast

Abb. 1.15. Schematische Darstellung des RANK/RANKL/Osteoprotegerin-Sys-tems mit besonderer Wirkung auf die Osteoklasten

Das RANKL/Osteoprotegerin-

System – ein universelles Zyto-

kinsystem und der Durchbruch

im Verständnis lokaler

Umbauvorgänge.


Kapitel 1 Knochen26

schlaggebend für ihr Überleben. Ein Anstieg der Expression vonRANKL führt daher zu gesteigerter Knochenresorption und damit zuKnochenschwund. RANKL wird von den Zellen der Osteoblastenlinieund aktivierten T-Lymphozyten produziert und aktiviert seinen spe-zifischen Rezeptor, RANK, der sich auf der Oberfläche von Osteoklas-ten, dendritischen Zellen, glatten Muskelzellen und Endothelzellenbefindet. Die Produktion von RANKL durch T-Lymphozyten undderen Aktivierung dendritischer Zellen stellt das Bindeglied zwischendem Immunsystem und dem Knochengewebe dar. Das enge Zusam-menspiel des Knochens mit der Hämatopoiese wird darin ersichtlich,dass für die Stimulierung der Osteoklastendifferenzierung M-CSF vonBedeutung ist. Die Wirkung von RANKL wird von OPG gesteuert, dasin verschiedenen Geweben (Knochen, Haut, Leber, Magen, Darm,Lunge, Niere, Plazenta) sezerniert wird und als löslicher endogenerRezeptorantagonist wirkt. Zahlreiche Zytokine, Hormone und Medi-kamente fördern oder hemmen den Einfluss von RANKL oder OPGund bringen – wie bei einer Waage – den Ausschlag zugunsten einesder beiden Zytokine:

� TGF-b (erhöhte OPG Produktion)� PTH (erhöhte RANKL/verminderte OPG Produktion)� Vitamin D3 (erhöhte RANKL Produktion)� Glukokortikoide (erhöhte RANKL/verminderte OPG Produktion)

und� Östrogen (erhöhte OPG Produktion)� Auch BMP-2, Vitamin K, Leptin, Genistein, Raloxifen, Atorvastatin,

Bisphosphonate, Statine und mechanische Kräfte stimulieren dieOPG-Produktion.

Als tierexperimenteller Beleg für die bedeutende Rolle von OPG in derRegulation der Knochenresorption kann angeführt werden, dass beigenetisch manipulierten Mäusen, die OPG überexprimieren, Osteo-petrose und bei OPG-Knockout-Mäusen schwere Osteoporose entste-hen. OPG funktioniert daher als „Bremssystem“ bei den durchRANKL ausgelöste Effekten und wird zukünftig bei einer großenAnzahl von Krankheiten mit erhöhtem Knochenabbau eingesetzt wer-den:

� Postmenopausale und senile Osteoporose� Krankheiten mit lokal erhöhter Knochenresorption

Die Abstimmung des

Verhältnisses von RANKL und

Osteoprotegerin bestimmt

– wie bei einer Waage –

die Knochenbilanz.


Alter und Knochendichte 27

� Morbus Paget des Knochens� Parodontitis� Rheumatoide Arthritis� Transiente Osteoporose� Immunologische Störungen� Multiples Myelom� Knochenmarkkarzinose� Hyperkalzämie und� Knochenschmerz.

Bei der Arthritis hemmt OPG nur die Wirkung der Entzündung aufden Knochenstoffwechsel, nicht aber den Entzündungsprozess selbst.

Alter und Knochendichte

Das Skelett erreicht die maximale Knochendichte – „peak bone mass“– mit 25 bis 30 Jahren (Abb. 1.16). Nach dem 30. Lebensjahr setzt lang-sam eine negative Knochenbilanz ein, bei der durchschnittlich 1%Knochenmasse pro Jahr verloren geht, unabhängig vom Geschlecht.Messungen der trabekulären Knochendichte zwischen dem 20. und80. Lebensjahr haben gezeigt, dass die Knochendichte in diesem Zeit-raum um durchschnittlich 50% abnimmt. Dieser Knochenschwund istoffensichtlich genetisch vorprogrammiert. Die maximale Knochen-masse des jungen Erwachsenen stellt daher ein Kapital dar, das in jun-gen Jahren aufgebaut und später gepflegt werden muss. Ist zum Bei-spiel die Kalziumzufuhr über die Ernährung oder die körperlicheAktivität zu gering, so wird Kalzium stetig aus dem Skelett abgebaut –auf Kosten der Knochenfestigkeit. Kalzium wird während des Tagesim Knochengewebe abgelagert und in der Nacht langsam wieder indie Blutbahn abgegeben.

Eine von uns durchgeführte Knochenbiopsiestudie an Unfalltotenkonnte zeigen, dass der Knochenschwund in allen Regionen des Ske-lettes annähernd gleich erfolgt, allerdings leicht verstärkt in den Wir-belkörpern und im proximalen Femur. Bei der postmenopausalenFrau geht der Ausfall der Ovarfunktion mit einem Knochenschwundbis zu 4% jährlich einher. Dies bedeutet, dass Frauen zwischen dem40. und 50. Lebensjahr bis zu 40% ihrer Knochenmasse verlieren kön-nen. In diesem Zeitintervall verliert der Mann nur ungefähr 12% anKnochenmasse.

Der Einfluss des Knochen-

steuerungssystems auf ent-

zündliche und onkologische

Erkrankungen verdient

größere Beachtung in

den Therapiestrategien.

Die maximale Knochen-

dichte in jungen Jahren ist

das Kapital für stabile

Knochen im Alter.


Kapitel 1 Knochen28

Abb. 1.16. Altersabhängiger Verlauf der Knochenmasse bei Frauen und Männernmit normalem Knochenstatus und fiktiver Frakturschwelle

100%

50%

0%0 20 40 60 80 100

Alter (Jahre)

Frauen

Männer

Frakturschwelle

Wirbelfrakturen

Oberschenkelhalsfrakturen

Kno

chen

mas

se


Documents

Bisphosphonat-Manual - ReadingSample