Das Skelettsystem übernimmt wichtige Aufgaben als Stütze und Schutz, bei der Bewegung, im Mineralienhaushalt, der Blutproduktion und der Speicherung von Triglyceriden. Dabei schenken uns die Knochen (lateinisch: Os, Griechisch:  Ost-, Oste- oder Osteo-) Stabilität und Form. Und wie viele Knochen hat der Mensch eigentlich? Das lässt sich leicht mit 206 beantworten. Für Mediziner ist es in der Prüfung aber wichtiger, den Aufbau und die Struktur eines Knochens zu verstehen.

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Osteon development and structure


Aufbau des Knochens: die Knochenstruktur

Eine makroskopische Knochenstruktur der einzelnen Knochensegmente kann durch die nähere Betrachtung am Langknochen (z.B. Humerus oder Femur) beschrieben werden. Ein Röhrenknochen bzw. Langknochen ist länger als breit und setzt sich aus folgenden Bestandteilen zusammen:

Knochenaufbau

Bild: “A typical long bone shows the gross anatomical characteristics of bone.” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0

Diaphyse

Die Diaphyse ist der lange, zylindrische Hauptanteil des Knochens. Sie besteht im Wesentlichen aus einem knöchernden Mantel aus eng aufeinander geschichteten Knochenlamellen, der Kortikalis oder Kompkata, die einen großen Hohlraum, die Markhöhle umschließt.

Epiphyse

Die Epiphysen sind die proximalen und distalen Enden des Knochens. Sie sind mit Knorpel überzogen und gelenkig mit angrenzenden Knochen verbunden. Die Epiphyse eines Röhrenknochen sollte NICHT mit der Hormondrüse Epiphyse (Zirbeldrüse) des Gehirns verwechselt werden.

Den Übergangsbereich zwischen den Enden der Diaphyse und den sich anschließenden Epiphysen nennt man während des Wachstumsalters Wachstumsfuge, Epiphysenfuge oder auch Metaphyse.

Auch die Epiphysen besitzen als äußere Umhüllung eine Kortikalis, die sog. Spongiosa, die aus zarten Knochenbälkchen (Trabeculae) und –lamellen besteht und eine Struktur eines Schwammes darstellt. Die Knochenbälkchen sind nicht wahllos angeordnet, sondern garantieren dem Knochen maximale Stabilität. Durch die entstehenden Hohlräume in der Spongiosa wird Platz für das blutbildende Knochenmark geschaffen.

Die besondere Struktur der Spongiosa mit den zahlreichen Hohlräumen tragen wie die großen Markhöhlen der Diaphyse ganz wesentlich zur Gewichtseinsparung des Körpers bei. Die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit des Knochens bleibt ungeachtet dieser „Leichtbauweise“ erhalten.

Metaphyse

Die Metaphyse besteht aus einer Lage hyalinen Knorpel, die für das Längenwachstum an der Diaphyse verantwortlich ist. Im Alter von ca. 18-21 Jahren beendet der Knochen sein Wachstum. In dieser Zeit wird der Knorpel der Epiphysenfuge durch Knochen ersetzt und die daraus entstandene Linie wird als Epiphysenlinie bezeichnet

Gelenkknorpel

Der Gelenkknorpel (Cartilago articularis) besteht aus einer dünnen Schicht hyalinen Knorpels, der die Enden der Epiphyse überzieht und somit mit einem anderen Knochen ein Gelenk bilden. Der Gelenkknorpel hat wichtige Aufgaben bei der Absorption der Stoßkräfte in den Gelenken sowie bei der Reduktion der Reibung zwischen den Knochen.

Periost

Die Knochenhaut bzw. das Periost überzieht die Knochen an den Stellen, wo sie nicht durch den Gelenkknorpel geschützt sind und besteht aus einem dichten unregelmäßigen Bindegewebe. Das Periost ist für das Dickenwachstum verantwortlich d.h. die Knochen formenden Zellen können den Knochen nur in die Breite und nicht in die Länge wachsen lassen. Das Periost dient also zum Schutz des Knochens, unterstützt bei der Frakturheilung, ist an der Ernährung des Knochens beteiligt und ist Ansatzpunkt für Bänder und Sehnen.

Markraum

Im Hohlraum der Diaphyse im sog. Markraum befindet sich das blutbildende Knochenmark. Ab dem frühen Erwachsenenalter aufgrund von Überkapazitäten vollzieht sich allmählich eine Umwandlung des Knochenmarks in Fettgewebe, somit wird aus roten Knochenmark gelbes Fettgewebe. Das gelbe Fettmark hat eher ernährende und schützende Aufgaben. Es kann aber unter besonderen Umständen z.B. bei großen Blutverlusten oder Leukämien in rotes Knochenmark umgewandelt werden. Besonders wichtig ist hierbei zu erwähnen, dass das rote Knochenmark keine Aufgabe des Immunsystems übernimmt, sondern der Blutbildung dient.

Endost

Das Endosteum oder Endost (endon = innen) umgibt den Markraum und besteht aus einer dünnen Membran. Sie beinhaltet eine geringe Menge an Bindegewebe und besteht aus einer einfachen Schicht Knochen bildenden Zellen.

Peristeum und Endosteum

Bild: “The periosteum forms the outer surface of bone, and the endosteum lines the medullary cavity.” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0 Es wurden Änderungen vorgenommen: Übersetzung ins Deutsche.

Zusammensetzung des Knochens

Jeder Knochen enthält einen kleineren organischen und einen größeren anorganischen Anteil. Der Knochen besteht aus folgenden Anteilen:

  • 25 % Wasser
  • 25 % organischer Substanz
  • 50 % anorganischer Substanz

Zellen, Blutgefäße, Nerven, Grundsubstanz und ein dichtes Gerüst aus Kollagen bildet die organische Substanz. Calciumphospat bildet dagegen die Hauptmasse der anorganischen Substanz. Calciumcarbonat und Magnesiumsalze kommen in größeren Mengen, zahlreiche weitere Mineralien und Spurenelementen in geringen Anteilen vor.

Betrachtet man ausschließlich die Mineralien Calcium, Phosphat und Magnesium stellt der Knochen das mit Abstand größte Speicherorgan des menschlichen Körpers dar. Ca. 1,2 Kg oder 98% des Körpercalciums befinden sich in unseren Knochen.

Histologie des Knochengewebes

Knochengewebe gehört zu den Bindegeweben des Körpers. Zum Aufbau von normalen Bindegewebe wird lediglich eine einzige Zellsorte zum Aufbau und Erhalt benötigt, die Fibrozyten bzw. Fibroblasten.

Beim Knochen allerdings ist eine weitere Zellart erforderlich, die für den Abbau der organischen Matrix inklusive Auflösung der anorganischen Calciumphosphatkristalle (Appatit) verantwortlich ist. Dies geschieht während eines ständigen Umbauvorgangs.

Osteon – Entstehung und Struktur

Man unterscheidet folgende Knochenzelltypen voneinander:

  • Osteoblasten
  • Osteozyten und die weitere Zellart, die
  • Osteoklasten
Merke: „Osteoblasten bauen Knochen auf.“

Sie sind Knochen bildende Zellen und werden insbesondere für den Aufbau der extrazellulären Matrix gebraucht. Osteoblasten befinden sich überwiegend in der äußeren und inneren Oberfläche des Knochens, integriert in die Kambiumschicht vom Periost. Sie synthetisieren sowie sezernieren Kollagenfasern und andere organische Komponenten und müssen sich zusätzlich bemühen, die Calcifizierung einzuleiten. Um das Calciumphosphat für die Calcifizierung lösen zu können, ist eine hohe Konzentration der beteiligten Ionen erforderlich. Zum einen wird es durch das Protein Osteocalcin bewirkt, zum anderen besitzen Osteoblasten membranumgebene Vesikel, die ein Enzym enthalten, das Phosphat abspaltet. Nun können mit den bereits im Osteoid (organische Grundsubstanz) angereicherten Caliumionen erste Kristalle gebildet werden, weitere Apatitkristalle anlagern bis das gesamte Osteoid verkalkt ist.

Um die Osteoblasten herum häuft sich die extrazelluläre Matrix, die quasi eingeschlossen werden und sich nun zu Osteocyten entwickeln.

Merke:Osteocyten unterhalten das Gewebe.“

Osteocyten sind die Hauptzellen im Knochengewebe, die ihren täglichen Metabolismus in Form von Nahrungsaustausch mit dem Blut ermöglichen. Wie die Osteoblasten sind die reifen Knochenzellen des Knochengewebes nicht zur Zellteilung fähig.

Merke: „Osteoklasten kauen Knochen ab.“

Sie haben die Aufgabe, die extrazelluläre Matrix abzubauen. Dies geschieht unter ständiger Abstimmung mit den Osteoblasten, da sie auch gleichzeitig eine Reihe von Botenstoffen sezernieren. Dies ist ein Bestandteil der normalen Entwicklung, Aufrechterhaltung und Reparatur des Knochens.                                                                                          Osteoklasten sind spezialisierte Makrophagen bzw. Riesenzellen, die sich im Endosteum konzentrieren und aus bis zu 50 Monozyten bestehen. Die zweite wesentliche Funktion der Osteoklasten ist die Aufrechterhaltung des Calcium- Serumspiegels. Beim Knochenabbau wird das gebundene Calcium und Phosphat freigesetzt und der Serumspiegel erhöht.

Was sind Osteone?

Der Knochen besitzt viele kleine Zwischenräume zwischen seinen Zellen und den Bestandteilen der extrazellulären Matrix (u.a. Kollagenfassern, Wasser, Elektrolyte, Glykosaminoglykane). Wie wir bereits kennen, besteht der Knochen aus dem Periost, der Kortikalis, der Spongiosa, dem Endost und dem Knochenmark.

Die kleinste Baueinheit des Knochens finden wir in der Kortikalis. Durch eine konzentrierte Anordnung der Knochenlamellen entstehen dünne mehrere Zentimeter lange Zylinder, die Osteone oder auch Havers- System genannt.

Die konzentrierten Lamellen verlaufen um eine Aussparung, entlang der Knochenlängsachse durch den Knochen, das als Havers Kanal oder Zentralkanal (canales centrales) bezeichnet wird. In diesem zentral befindlichen Havers- Kanal führen die Blutgefäße und die einzelnen Nerven entlang sowie eine knöchernde Hülle, welche die Osteozyten enthält, die für den Erhalt der Struktur notwendig sind. Senkrecht zu den Haverschen Kanälen verlaufen die Volkmann- Kanäle (canales perforantes), in denen die Arterien, Venen und Nerven von dem Periost kommend in das Zentrum der Osteone gelangen.

Stabilität in der Kortikalis bzw. im Knochen

Lakunen (lacunae = kleine Seen) sind schmale Zwischenräume, die zwischen den Lamellen liegen und Osteozyten enthalten. Von den Lakunen, die mit extrazellulärer Flüssigkeit gefüllt sind, strahlen kleine feine Kanäle (Canaliculi) in alle Richtungen aus. Fingerförmige Ausläufer der Osteocyten befinden sich in der Canaliculi, die die Lakunen und die Zentralkanäle untereinander verbindet. Benachbarte Osteocyten kommunizieren somit über eine sogenannte gap junctions. Ein kompliziertes Netzwerk, welches aus winzigen miteinander verbundenen Kanälen besteht, durchzieht den ganzen Knochen. Dieses Netzwerk ermöglicht ein Versorgungsnetz für Nährstoffe und Sauerstoff sowie den Abtransport von Stoffwechselprodukten.

Die Stabilität in der Kortikalis wird erreicht durch sich ständig wiederholenden Einheiten, den Osteonen, die sich aus einem Zentralkanal mit angeordneten Lamellen, Lakunen, Osteocyten und Canaliculi zusammensetzen. Ein Baumstamm ist vergleichbar mit den Osteonen eines Langknochens. Um ein Baumstamm zu durchbrechen, erfordert es eine immense Kraft, dadurch, dass sie ringförmig aus harten Material aufgebaut sind. Um ständigen Belastungen gerecht zu werden wie z.B. laufen lernen oder Krafttraining, verändern sich die Belastungslinien eines Knochens.

Knochenbildung (Ossifikation)

Den Prozess der Knochenbildung nennt man Ossifikation (os= Knochen und ficare= machen) oder Osteogenese. Dabei unterscheidet man zwischen

  • chondrale (endochondrale) Ossifikation und
  • desmale (membranöse) Ossifikation

Sie stellen zwei unterschiedliche Wege der Knochenentwicklung bzw. der Verknöcherung dar.

Chondrale Ossifikation – Aus Knorpel entsteht Knochen

Bei der chondralen Ossifikation findet die Bildung der Knochen überwiegend erst nach der Geburt aus vorgeformten hyalinen Knorpel statt, der sich aus dem Mesenchym (embryonales Bindegewebe) entwickelt hat.

Beim Wachstum und Verknöcherung des angelegten Knorpels der kurzen und platten Knochen, die wir unter anderem an den Hand- und Fußwurzelknochen sowie in Form des Brustbeins (Sternum) finden, findet die Ossifikation

  • perichondral und
  • enchondral

statt.

Knochenbildung (Chondrale Ossifikation)

Bild: “Endochondral ossification follows five steps. ” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0 Es wurden Änderungen vorgenommen: Übersetzung ins Deutsche.

1. Phase: Perichondrale Ossifikation

Bei der perichondralen Ossifikation erfolgt die Verknöcherung von außen, also an dessen Oberfläche, in dem sich im Bereich der Diaphyse aus dem perichondralen Bindegewebe Osteoblasten bilden. Aufgrund der Ausdehnung in Richtung der Epiphysen entsteht eine Knochenhülse, die die Knorpelmatrix wie eine Manschette bzw. Schiene umschließt.

Der Knorpel wird regelrecht von seiner Umgebung „abgeschottet“ und leitet dadurch die Knorpelumwandlung im Inneren des Knochens (enchondrale Ossifikation) ein. Am Ende wird das Perichondrium zum Periost.

2. Phase: Enchondrale Ossifikation

Bei der enchondralen Ossifikation erfolgt die Verknöcherung des Knochens von innen, von der Mitte der Knorpelmatrix.

Blutgefäße sprießen in das Knorpelgewebe ein und werden von Mesenchymzellen begleitet. Um das Knorpelgewebe schrittweise zu Knochen umzuwandeln, wandeln sich die Mesenchymzellen zu Chondroklasten und Osteoblasten um.

Diese Form der Ossifikation findet beim wachsenden Knochen im Bereich der Epiphysenfugen statt und lässt sich am besten beim Langknochen bzw. Röhrenknochen beobachten.

Das Längenwachstum eines Röhrenknochens beginnt in definierten Wachstumszonen, den Epiphysenfugen (Wachstumsfugen) als Bestandteil der Metaphysen. Hyaliner Knorpel wird in der Epiphysenfuge gebildet und nach „Fertigstellung“ schrittweise in die Diaphyse abgeschoben, die dadurch immer länger wird. Das primäre Ossifikationszentrum eines Langknochens liegt in der Diaphyse.

Der neu gebildete Knorpel ist zunächst säulenartig angeordnet, um in Richtung Diaphyse größere blasig aussehende Zellen auszubilden. Am darauffolgenden Knorpel, also der „ältesten“ Struktur im Mittelteil der Diaphyse beginnt dann die Verknöcherung des bis dahin lediglich aus Knorpel vorgeformten „Knochens“ durch Einlagerung von Calciumsalzen. Die Metaphyse wandelt sich abschließend in Spongiosa um und der größere Teil der Struktur im Inneren der Diaphysen wird resorbiert und bildet eine Knochenmarkhöhle. Der Knorpel degeneriert und hinterlässt dabei Hohlräume, die sich zur Markhöhle erweitern.

Während diese Knochenmatrix wächst, wird der Knorpel durch Chondroklasten kontinuierlich abgebaut und mit Hilfe von Osteoblasten durch Knochen ersetzt, mit Ausnahme der Epiphysenfuge.

Bis zum Ende der Pubertät befindet sich im Wesentlichen nur noch in der Wachstumsfuge calciumfreier Knorpel, da sich auch die Epiphysen selbst zunehmend verknöchern. Aufgrund des hohen Serumspiegels während des Wachstumsschubs gegen Ende der Pubertät schließt sich auch hier die Verknöcherung und ein körperliches Wachstum ist nicht mehr möglich.

Desmale Ossifikation

Bild: “Intramembranous ossification follows four steps.” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0 Es wurden Änderungen vorgenommen: Übersetzung ins Deutsche.

Desmale Ossifikation – Knochenbildung direkt aus dem Mesenchym

Die desmale Ossifikation stellt die einfachste Art der Knochenbildung dar.

Bei dieser direkten Knochenbildung, entsteht der Knochen nicht aus vorgeformten Knorpel, sondern wird direkt aus dem embryonalen Bindegewebe, dem Mesenchym gebildet. Dabei differenzieren sich aus dem Mesenchym zunächst Osteoprogenitorzellen, aus denen dann Osteoblasten werden und eine Vorstufe des Knochens bilden, das sogenannte Osteoid. Knochenspangen entstehen durch die Verkalkung des Osteoids, was schließlich das Knochengerüst bildet.

Einige Schädelknochen und das Schlüsselbein werden so z.B. gebildet.

Die desmale Ossifikation unterscheidet sich von der chondralen Ossifikation davon, dass sich die Osteoblasten aus Vorläuferzellen des Bindegewebes (Osteoprogenitorzellen) anstatt aus Chondroblasten entstehen. Ansonsten stimmt der Mechanismus der Knochenbildung weitgehend mit demjenigen der chondralen Ossifikation überein.

Knochenkrankheiten

Die Gesamtheit aus Knochen und Knorpel macht das Skelettsystem aus. Dabei leisten Knochen und Gelenke Schwerstarbeit und können aufgrund von Mangel an Bewegung oder falsche Ernährung geschädigt werden.

Eine besondere Knochenkrankheit stellt die Osteoporose dar.

Osteoporose

Osteoporose

Osteoporosis

Bei der Osteoporose (Osteon =Knochen, poros =pore) dominiert die Knochenresorption gegenüber dem Knochenaufbau d.h. in weiten Teilen verliert der Körper mehr Calcium als das er über die Nahrung wieder aufnehmen kann. Es ist sozusagen ein Zustand eines porösen Knochens, wo die Knochenmasse so weit reduziert wird, dass die Knochen häufig brechen und Spontanfrakturen entstehen.

Osteoporose ist besonders in den Bereichen der Hüfte, Handgelenk und der Wirbelkörper zu finden. Höhenminderung der Wirbelkörper, Verlust an Körpergröße, Verkrümmung der Wirbelsäule oder Knochenschmerzen sind Folgen der Erkrankung. Meist Menschen mittleren und gehobenen Alters leiden an Osteoporose. Dabei sind vor allem Frauen (ca. 80%) betroffen, da die Knochen weniger massiv sind als die der Männer und die Östrogenproduktion in der Menopause drastisch sinkt. Das Testosteron des Mannes dagegen schwindet nur allmählich und geringfügig.

Die Osteoblastenaktivität und die Produktion der extrazellulären Knochenmatrix werden durch Östrogene und Testosteron stimuliert.

Risikofaktoren eines homöostatisches Ungleichgewichts können eine positive Familienanamnese, europäische oder asiatische Herkunft, dünner Körperbau, wenig aktiver Lebensstil, Zigarettenkonsum, Alkohol, Vitamin D- und calciumarme Ernährung sowie die Einnahme von bestimmten Medikamenten sein.

Bei erhöhten Risikofaktoren sollte bei der Osteoporose besonderen Wert auf die Prävention gelegt werden. Regelmäßige körperliche Belastung und eine stetige Calciumaufnahme, insbesondere bei jungen Frauen, können mehr Gutes bewirken als Medikamente oder Calciumsubstitutionen im Alter.

Weitere Knochenerkrankungen (Osteopathien) sind:

  • Achondroplasie
  • Fibrodysplasia ossificans progressiva
  • Fraktur (Knochenbruch)
  • Hypophosphatasie
  • Knochenmarködem
  • Morbus Ahlbäck
  • Morbus Paget (Osteodystrophia deformans)
  • Osteochondrosis dissecans
  • Osteogenesis imperfecta
  • Osteomyelitis (Knochenentzündung)
  • Panostitis der Hunde
  • Spongiosaödem

Beliebte Prüfungsfragen zu Knochen

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Wie heißt die Zone in einem Röhrenknochen aus der das Längenwachstum des Knochens entsteht?

  1. Metaphyse
  2. Epiphysenfuge
  3. Diaphyse
  4. Epiphyse
  5. Periost

2. Welche Zuordnung stimmt nicht zu?

  1. Osteoblasten bauen Knochen auf
  2. Osteocyten unterhalten das Gewebe
  3. Osteoklasten kauen Knochen ab
  4. Osteone sind kleine Baueinheit des Knochen
  5. Canaliculi sind schmale Zwischenräume

3. Welche Aussage zur Ossifikation trifft zu?

  1. Den Prozess des Knochenabbaus nennt man Ossifikation
  2. Die chondrale Ossifikation ist ein Teil der desmalen Ossifikation
  3. Die perichondrale Ossifkation ist eine Phase der chondralen Ossifikation
  4. Bei der desmalen Ossifikation entsteht aus Knorpel Knochen
  5. Die chondralen Ossifikation wird als direkter Weg der Knochenbildung bezeichnet

Quellen

G.J. Tortora und B.H. Derrickson, Anatomie und Physiologie, Wiley- VCH Verlag

Rudolf Schweitzer, Bewegungsapparat, 2. Auflage, Urban & Fischer

Andreas Wöge, Ein Kahnbein fährt im Mondschein, 2 Auflage, Selbstverlag- Bornheim

 Bilder:

Anatomy and Physiology by Phil Schatz

Lösungen zu den Prüfungsfragen: 1B, 2E, 3C

 

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