Aufbau der Knochen

Überblick

Definition

Knochen besteht aus:

• Knochengewebe: Bindegewebe, das durch die Einlagerung von Mineralien (hauptsächlich Calcium und Phosphat) verhärtet ist.
• Blut
• Knochenmark
• Knorpel und faserigem Bindegewebe
• Fettgewebe
• Nervengewebe

Funktion der Knochen

• Schutz (z. B. Schutz des Gehirns durch die Schädelknochen, Schutz von Herz und Lunge durch die Rippen)
• Stützfunktion
• Funktion als passiver Bewegungsapparat
• Bildung von Blutkörperchen
• Speicherfunktion:
  • Calcium
  • Phosphat

Einteilung der Skelettknochen

Knochen des Achsenskeletts:

• Schädel
• Wirbelsäule und Os sacrum
• Thorax: Rippen und Brustbein

Knochen des Extremitätenskeletts:

• Clavicula und Scapula
• Knochen der oberen Extremitäten
• Becken
• Knochen der unteren Extremitäten

Einteilung der Knochentypen

• Röhrenknochen (Ossa longa): Länge > Breite
  • Obere Extremität: Humerus, Radius, Ulna, Ossa metacarpi und Phalangen
  • Untere Extremität: Femur, Tibia, Fibula, Ossa metatarsi und Phalangen
• Kurze Knochen (Ossa brevia): Länge entspricht ungefähr der Breite
  • Handwurzelknochen (Ossa carpi)
  • Fußwurzelknochen (Ossa tarsi)
• Platte Knochen (Ossa plana): bedecken und schützen weiche Organe
  • Großteil der Schädelknochen
  • Rippen
  • Sternum
  • Scapula
• Luftgefüllte Knochen (Ossa pneumatica): mit Schleimhaut ausgekleidete Hohlräume
  • Nasennebenhöhlen
  • Cavum tympani (Paukenhöhle)
  • Processus mastoideus (Warzenfortsatz)
• Unregelmäßige Knochen (Ossa irregularia): Knochen, die nicht in andere Kategorien passen
  • Wirbelknochen
  • Einige Schädelknochen (z. B. Keilbein, Gesichtsknochen)

Knochenstruktur

Arten von Knochengewebe

Substantia compacta:

• Feste, äußere Gewebeschicht des Lamellenknochens
• Vorkommen:
  • In jedem Knochen des Körpers vorhanden
  • Bei Röhrenknochen: Bildung der Diaphyse mit Umfassung der Markhöhle
• Funktion: Festigkeit zum Standhalten von Druckkräften

Substantia spongiosa:

• Locker organisiertes, inneres Gewebe des Lamellenknochens
• Aufbau aus einem Gitter kleiner, dünner Knochenbälkchen, die Trabekel genannt werden:
  • Übertragung der Kräfte auf die Substantia compacta
  • Ständige Anpassung an die Bedürfnisse des Körpers (z. B. führt Belastung zum Wachstum der Knochenbälkchen, längere Schwerelosigkeit wiederum zum Abbau)
• Vorkommen: Innerer Anteil des Lamellenknochens
  • Enden der Röhrenknochen
  • Im Inneren der Ossa brevia, plana und irregularia

Knochenhüllen

Zwei Hüllen umgeben das Knochengewebe: Das äußere Periost und das innere Endost

Periost:

• Vaskularisierte und innervierte Knochenhülle, die den Knochen an seinen Außenflächen umgibt
  • Ausnahme: Anteile, die mit Gelenkknorpel oder von der Synovialmembran bedeckt sind
• Aufbau aus zwei Schichten:
  • Stratum fibrosum
  • Stratum osteogenicum
• Stratum fibrosum:
  • Äußere, robuste Kollagenschicht
  • Sharpey-Fasern: Kollagenfasern der Faserschicht des Periosts
    • Ansatzfläche für Sehnen und Bänder
    • Feste Verankerung von Periost und Muskulatur durch Einstrahlen bis in die Compacta
• Stratum osteogenicum:
  • Innere, vaskularisierte und innervierte Schicht mit knochenbildenden Zellen:
    • Osteoblasten
    • Osteoklasten
    • Osteoprogenitorzellen
  • Kritische Bedeutung für das Knochenwachstum und die Heilung nach Verletzungen

Endost:

• Knochenhülle, die den Knochen an seinen Innenflächen bedeckt:
  • Auskleiden der Markhöhle in Röhrenknochen
  • Überziehen der Knochenbälkchen der Substantia spongiosa
• Beherbergung der gleichen knochenbildenden Zellen wie das Stratum osteogenicum des Periosts

Aufbau der Röhrenknochen

Abschnitte des Röhrenknochens:

• Diaphyse:
  • Knochenschaft, der die Längsachse der Röhrenknochen bildet
  • Aufbau aus einer dicken Schicht Compacta, die die zentrale Markhöhle mit Knochenmark umgibt
• Epiphyse:
  • Vorkommen an den proximalen und distalen Knochenenden
  • Breitere Form als die Diaphyse:
    • Stärkung der Gelenke
    • Vergrößerung der Ansatzfläche für Sehnen- und Bänder
  • Aufbau hauptsächlich aus Spongiosa mit äußerer Schicht aus Compacta
  • Bedeckung mit Gelenkknorpel:
    • Art hyaliner Knorpel
    • Gelenkknorpel + Gleitflüssigkeit → Geringere Reibung → Leichtere Gelenkbewegung
    • Wirkung als Stoßdämpfer
• Metaphyse:
  • Verbindung zwischen Epiphyse und Diaphyse
  • Überbleibsel der Epiphysenfuge: Knorpel ermöglicht das Knochenwachstum im Kindesalter

Struktur der Ossa brevia, plana und irregularia

• Äußere Schichten: Dünne Platten aus periostbedeckter Compacta
• Innere Schicht: Mit Endost bedeckte Spongiosa
  • Bezeichnung der Spongiosa als Diploë in Schädelknochen
  • Zwischen 2 Schichten kompakten Knochens eingebettet

Markante Knochenstrukturen

An Knochen finden sich markante Strukturen, an denen u. a. Sehnen, Bänder und Faszien befestigt sind.

• Gelenkstrukturen:
  • Condylus: Gelenkfortsatz, Gelenkfläche tragender Knochenteil
  • Epicondylus: dem Muskelansatz dienender, an der Gelenkbildung nicht teilnehmender Knochenfortsatz am Kondylus
  • Facies: Gelenkfläche
• Fortsätze:
  • Cresta: Knochenkamm
  • Processus: Fortsatz
  • Protuberantia: Hervorragung
  • Spina: Spitzer Processus
  • Tuberculum: kleiner, abgerundeter Processus
  • Tuberositas: Raue Oberfläche
• Löcher:
  • Canalis: Kanal, Röhre, Rinne
  • Foramen: Loch, Durchbohrung
  • Fossa: Grube
  • Sulcus: Furche
  • Sinus: unregelmäßig geformter, kavernöser Raum

Knochenzellen und Matrix

Die zwei Hauptbestandteile des Knochengewebes sind die Knochenzellen und die Knochengrundsubstanz.

Knochenzellen

Das Knochengewebe enthält eine relativ kleine Anzahl von Zellen im Vergleich zur Menge an Grundsubstanz. Nebst anderen Funktionen synthetisieren und resorbieren die Zellen den Knochen. Es gibt vier Haupttypen von Knochenzellen:

• Osteoprogenitorzellen:
  • Stammzellen aus embryonalen Fibroblasten
  • Mögliche Differenzierung zu Osteoblasten → Stimulation durch Belastung (z. B. durch Sport) und Frakturen
  • Vorkommen im Endost und Stratum osteogenicum des Periost
• Osteoblasten:
  • Synthese der Kollagenmatrix (organischer Anteil der Knochengrundsubstanz)
  • Mineralisierung durch Ablagerung von Calcium
  • Teilungsunfähigkeit → alle neuen Osteoblasten gehen aus Osteoprogenitorzellen hervor
  • Vorkommen im Endost und Stratum osteogenicum des Periost
• Osteozyten:
  • Osteoblasten, die im Knochen eingemauert sind
  • Lokalisation in Lacunae ossae, Hohlräumen innerhalb der mineralisierten Matrix
  • Keine direkte Rolle bei der Knochensynthese oder -resorption
  • Funktion: Regulation des Knochenumbaus
• Osteoklasten:
  • Abbau und Resorption des Knochens
  • Zweck der Knochenresorption:
    • Entfernung von altem, verletztem oder überschüssigem Knochengewebe
    • Freisetzung von gespeichertem Calcium (Aufrechterhaltung des Calciumspiegels)
  • Bildung durch Fusion von Monozyten im Knochenmark → Entstehung großer, vielkerniger Zellen mit „ruffled border“ (Tiefe Faltung der Plasmamembran zur Vergrößerung der Oberfläche)

Knochenmatrix

Die Knochenmatrix besteht aus organischen und anorganischen Bestandteilen:

• Organischer Anteil (ein Drittel der Matrix nach Gewicht):
  • Kollagenfasern
  • Proteoglykane
  • Glykoproteine
• Anorganischer Anteil (zwei Drittel der Matrix nach Gewicht):
  • Hydroxyapatit-Kristalle: Calciumphosphatsalze (85 % des Gewichts der anorganischen Bestandteile)
  • Calciumcarbonat (10 % des Gewichts der anorganischen Bestandteile)
  • Andere Ionen: Magnesium, Natrium, Kalium, Fluoride, Sulfate und Hydroxide (5 % des Gewichts der anorganischen Bestandteile)
• Die Kombination aus organischen (Proteinen) und anorganischen (mineralischen) Bestandteilen lässt die Knochen stark und fest, aber nicht zu spröde sein.

Mikroskopische Struktur

Mikroskopische Struktur der Substantia compacta

In Röhrenknochen sind die meisten Zellen und die Matrix in funktionellen Einheiten angeordnet, die Osteone genannt werden.

Osteone:

Ein Osteon ist ein Zylinder aus Zellen und Knochenmatrix, der in Längsrichtung innerhalb der Compacta verläuft. Ein Osteon besteht aus einem zentralen Kanal, der von konzentrischen Lamellen aus Osteozyten und Knochenmatrix umgeben ist.

• Havers-Kanal:
  • Zentraler Längskanal im Kern jedes Osteons
  • Inhalt:
    • Blutgefäße
    • Lymphgefäße
    • Nerven
  • Auskleidung mit Endost
  • Transport von Nähr- und Abfallstoffen der Osteozyten, die unmittelbar neben dem Zentralkanal liegen
• Volkmann-Kanal (Canales perforantes):
  • Führung von Nervenfasern und Gefäßen
  • Verlauf senkrecht zu den Haverskanälen und Verbindung dieser mit:
    • Externen Nerven und Gefäßen
    • Einander
• Lamellen:
  • Konzentrische Ringe aus verkalkter Knochenmatrix
  • Lokalisation der Osteozyten zwischen den Lamellen in Hohlräumen, die als Lacunae ossae bezeichnet werde.
  • Canaliculi (winzige Kanäle in der Matrix) ermöglichen Verbindung der Osteozyten miteinander über Gap Junctions an ihren dünnen, fingerartigen Fortsätzen:
    • Ermöglichung der Zufuhr von Nährstoffen und Entfernung von Abfallstoffen aus Osteozyten in den äußeren Ringen, ohne unmittelbar an das Gefäßsystem angrenzen zu müssen
    • Übertragung von Belastungssignalen
• Kollagenfasern:
  • Korkenzieher-ähnlicher Verlauf in der Matrix einer Lamelle
  • Gegensätzliche Drehrichtung der Spiralen aus Kollagenfasern in benachbarten Lamellen:
    • Rechtsdrehende vs. linksdrehende Spiralen
    • Unterschiedliche Dichte der Spiralen
  • Bildung eines Netzwerks aus sich überkreuzenden Kollagenfasern → deutlich ↑ Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegung und Kompression

Generallamellen:

• Parallel zur Knochenoberfläche verlaufende Lamellen um den gesamten Knochen
• Kein Bestandteil einer Osteon-Einheit
• Vorkommen:
  • Lokalisation innerhalb des Stratum osteogenicum des Periosts
  • Auskleidung des inneren Markraums

Schaltlamellen:

• Unregelmäßige verteilte Bereiche des Knochengewebes zwischen den Osteonen
• Reste alter Osteone, die beim Knochenumbau teilweise abgebaut wurden

Mikroskopische Struktur der Spongiosa

In der Spongiosa bilden die Lamellen mit ihren konzentrischen Ringen Knochenbälkchen statt Osteone aus.

Gemeinsamkeiten von Spongiosa und Compacta:

• Bildung konzentrischer Ringe in den Lamellen
• Vorkommen von Osteozyten in den Lakunen zwischen den Lamellen
• Verbindung der Osteozyten miteinander über Canaliculi

Unterschiede zwischen Spongiosa und Compacta:

• Anordnung der Trabekel entlang der Kraftlinien (Osteone sind parallel zueinander angeordnet).
• Bildung eines gitterartigen Netzwerkes durch die Trabekel, das einen mit Knochenmark gefüllten Raum innerhalb des Knochens schafft.
• Kein Vorhandensein von Haverskanälen → nicht erforderlich, da die Osteozyten durch das umgebende Mark versorgt werden

Hämatopoetische Gewebe in Knochen

Definitionen

Knochenmark: Allgemeiner Begriff für hämatopoetisches Weichgewebe, das die Räume innerhalb des Knochens ausfüllt.

• Rotes Knochenmark: myeloisches Gewebe (hämatopoetisch aktiv)
• Gelbes Mark: Fettmark (hämatopoetisch inaktiv)

Vorkommen von Knochenmark

• Markhöhlen langer Röhrenknochen
• Zwischenraum der Spongiosa/Diploë der platten Knochen
• Trabekelhöhlen der Spongiosa

Veränderungen des Knochenmarks im Laufe des Lebens

• Bei Säuglingen und Kindern: Fast alle Knochenhöhlen enthalten rotes Mark.
• Bei jungen Erwachsenen:
  • Umwandlung eines Großteils des roten Knochenmarks zu gelbem Mark
  • Vorkommen des roten Knochenmarks in:
    • Wirbel
    • Rippen
    • Sternum
    • Teilen des Beckens
    • Caput femoris, Caput humeri
  • Umwandlung des gelben Knochenmarks bei Bedarf in rotes Mark (z. B. schwere oder chronische Anämie)

Klinische Relevanz

• Osteoporose: Abnahme der Knochenmasse und -dichte, die zu einer erhöhten Frakturanfälligkeit führt. Osteoporose wird meist durch die Abnahme des Östrogen- und/oder Testosteronspiegel im späteren Leben, Immobilisierung, andere zugrunde liegende Erkrankungen oder die langfristige Einnahme bestimmter Medikamente verursacht. Klinisch auffällig wird sie vorwiegend durch häufige Frakturen und die Abnahme der Wirbelkörperhöhe. Die Diagnose wird durch die Messung der Knochendichte gestellt. Therapeutische Maßnahmen umfassen Änderungen des Lebensstils, die Aufrechterhaltung angemessener Kalzium- und Vitamin-D-Spiegel und den Einsatz von Bisphosphonaten.
• Osteomalazie und Rachitis: Störung der Knochenmineralisierung, die bei Kindern Rachitis und bei Erwachsenen Osteomalazie genannt wird. Die Ursache ist oft ein Vitamin-D-Mangel. Rachitis führt zu Skelettdeformitäten und Wachstumsanomalien. Osteomalazie kann zu Knochenschmerzen, Gehbeschwerden und pathologischen Frakturen führen. Die Behandlung besteht vorwiegend in der Substitution von Vitamin-D und Calcium.
• Osteodystrophia deformans: fokale Störung des Knochenstoffwechsels, die häufig den Schädel, die Wirbelsäule, das Becken und die langen Röhrenknochen der unteren Extremität betrifft. Die wichtigsten klinischen Manifestationen sind Knochenschmerzen und die Folgen von Knochendeformierungen (z. B. Frakturen, Einklemmungen von Nerven). Die Therapie umfasst Bisphosphonate, Calcitonin und die Operation von Frakturen oder Deformitäten.
• Hyperparathyreoidismus: Erkrankung, die mit erhöhten Blutspiegeln des Parathormons (PTH) einhergeht. Hyperparathyreoidismus kann auf eine inhärente Erkrankung der Nebenschilddrüse oder auf Anomalien des Calciumstoffwechsels zurückzuführen sein. Häufige Manifestationen sind Nephrolithiasis, eine verminderte Knochendichte, unspezifische Unterleibsschmerzen und neuropsychiatrische Symptome. Die Diagnose wird anhand des Serum-PTH, der Serumcalcium- und Serumphosphatspiegel sowie des Calciumspiegels im Urin gestellt. Die Therapie besteht in der Behandlung der zugrundeliegenden Erkrankungen – in der Regel durch chirurgische Eingriffe.
• Knochenbrüche: teilweise oder vollständige Unterbrechung der Kontinuität eines Knochens aufgrund einer mechanischen Belastung (typischerweise Verletzungen oder Stoffwechselstörungen des Knochens). Die Klinik variiert je nach Ursache und Ort der Verletzung und umfasst im allgemeinen Deformitäten, Schmerzen, Ödeme und Entzündungen. Die Diagnose wird klinisch gestellt und durch Bildgebung bestätigt. Zur Behandlung kommen eine Schienung oder Operationen infrage.