Knochenentwicklung und Ossifikation

Der Vorgang der Knochenbildung wird als Ossifikation bezeichnet. Die zwei Arten der Ossifikation sind die desmale Ossifikation, bei der Knochen Knochen Aufbau der Knochen direkt aus Mesenchymzellen entwickelt wird, und die chondrale Ossifikation, bei der zuerst ein hyalines Knorpelmodell erzeugt und später durch Knochen Knochen Aufbau der Knochen ersetzt wird. Der Knochen Knochen Aufbau der Knochen wächst bis ins frühe Erwachsenenalter an den Epiphysenfugen weiter, wo sich Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe weiter teilen, absterben und durch mineralisierten Knochen Knochen Aufbau der Knochen ersetzt werden. Voraussetzung der Knochenmineralisierung ist die von den Osteoblasten zugelassene und kontrollierte Ansammlung hoher Calcium- und Phosphatspiegel im Knochen Knochen Aufbau der Knochen über den kritischen Schwellenwert hinaus.

Aktualisiert: 07.07.2023

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

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Überblick über die Knochenentwicklung

Definition

Die Bildung von Knochen Knochen Aufbau der Knochen wird als Ossifikation oder Osteogenese bezeichnet.

Arten der Ossifikation

Die 2 Hauptarten der Ossifikation sind:

Wiederholung: Aufbau des Knochens

Knochen Knochen Aufbau der Knochen besteht von außen nach innen aus folgenden Knochenschichten:

Die 2 Hauptarten von Knochen sind Substantia compacta und Substantia spongiosa.

  • Substantia compacta („Kompakta“)
    • Harte, dichte äußere Knochenschicht
    • In funktionellen Einheiten angeordnet = Osteone: ein zentraler Kanal (Haver’sche Känale), der Nerven und Gefäße enthält, umgeben von konzentrischen Ringen aus verkalkter Knochenmatrix und Osteozyten
    • Verbindung der Haver’schen Känalen durch quer verlaufende Volkmann’sche Kanäle
  • Substantia spongiosa („Spongiosa“)

Chondrale Ossifikation

Überblick über die chondrale Ossifikation

Detaillierter Ablauf der chondralen Ossifikation

  1. Perichondrale Ossifikation: appositionelles Knochenwachstum (sukzessives Anlagern von Material an eine äußere Grenzfläche):
  • Mesenchym differenziert sich zu Chondroblasten.
  • Chondroblasten sezernieren eine hyaline Knorpelmatrix:
    • Bildung eines Modells des Knochens
    • Knorpelmodell umgeben von einer Membran (Perichondrium)
    • Chondroblasten in der Matrix werden zu Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe.
  • Bildung des primären Ossifikationszentrums:
  • Matrixmineralisierung:
  • Invasion von Blutgefäßen:
    • Gefäßknospen (so genannte Periostknospen) erwachsen aus dem Perichondrium.
    • Wachsen in Richtung der Lakunen im primären Ossifikationszentrum (Zentrum der Diaphyse Diaphyse Aufbau der Knochen)
    • Tragen osteogene Zellen mit sich in die Lakunen:
    • Eindringende Periostknospen bauen Wände zwischen Lakunen ab und schaffen den primären Markraum (der schließlich zur Markhöhle wird).
  • Verteilung von osteogenen Zellen:
    • Durch Periostknospen Ablagerung von Osteoblasten im Markraum
    • Gleichzeitig verknöchert das Perichondrium zu einem knöchernen Kragen, der den sich bildenden Knochen Knochen Aufbau der Knochen umgibt → nun als Periost Periost Aufbau der Knochen bezeichnet.
  • Osteoblasten bilden Geflechtknochen:
    • Osteoblasten, die jetzt die Markräume auskleiden, legen Osteoidgewebe (organische Bestandteile der Knochenmatrix) ab und verkalken es → Geflechtknochen genannt.
    • Knochenremodellierung (über Osteoklasten und Osteoblasten) ersetzt Geflechtknochen durch reifen trabekulären (schwammartigen/spongiosen) Knochen Knochen Aufbau der Knochen.
  • Wachstum der Knochenlänge:
    • Zellteilung des Knorpels an den Epiphysen weiterhin → ↑ Knochenlänge
    • Der Bereich wird als Epiphysenfuge (Wachstumsfuge) bezeichnet.
    • Sorgt für kontinuierliches Längswachstum bis ins frühe Erwachsenenalter

2. Enchondrale Ossifikation:

  • Sekundäre Ossifikationszentren:
    • Innerhalb der Epiphysen gelegen
    • Erscheinen um die Zeit der Geburt
    • Folgen dem gleichen Muster wie das primäre Ossifikationszentrum:
      • Matrixmineralisierung
      • Chondrozytentod → Bildung von Lakunen
      • Invasion von Blutgefäßen
      • Verteilung von Osteoblasten in den Lakunen, was Knochen Knochen Aufbau der Knochen bildet
  • Nach der Geburt verbleibt der Knorpel in:
    • Gelenkflächen
    • Epiphysenfugen:
      • Auch als Wachstumsfugen bezeichnet
      • Verknöchern nach der Pubertät Pubertät Pubertät (dadurch kein weiteres Längenwachstum mehr möglich)
Prozess der enchondralen Ossifikation

Prozess der chondralen Ossifikation

Bild : “Process of endochondral ossification” von CNX OpenStax. Lizenz: CC BY 4.0

Desmale Ossifikation

Die desmale Ossifikation ist eine direkte Umwandlung von mesenchymalen Zellen zu Knochengewebe.

Knochenbildung durch desmale Ossifikation

Folgende Knochen Knochen Aufbau der Knochen haben eine mittlere Schicht aus spongiosem Knochen Knochen Aufbau der Knochen, die zwischen Schichten aus kompaktem Knochen Knochen Aufbau der Knochen gelegen ist:

  • Flache Schädelknochen
  • Gesichtsknochen
  • Mandibula
  • Klavikulae
Aufbau eines flachen Knochens

Aufbau eines flachen Knochens

Bild : “This cross-section of a flat bone shows the spongy bone (diploë) lined on either side by a layer of compact bone von OpenStax College. Lizenz: CC BY 4.0

Ablauf:

  • Mesenchymale Zellen kondensieren und differenzieren sich in:
  • Zwischen Mesenchymblättern:
    • Osteogene Zellen/Osteoblasten kondensieren zu Ossifikationszentren.
    • Beginn der Osteoblasten Osteoid zu sezernieren: weiche kollagene Knochenmatrix (weiche Trabekel)
    • Trabekel wachsen → Osteoblasten lagern Calciumphosphat auf der Matrix ab.
  • In der mineralisierenden Matrix eingeschlossene Osteoblasten verwandeln sich in Osteozyten.
  • Mineralisierte Trabekel:
  • Oberflächenmesenchym:
Intramembranöse_Ossifikation

Prozess der desmalen Ossifikation mit folgenden Schritten: a) Es entstehen mesenchymale Zellcluster, welche die Ossifikationszentren bilden. b) Sezerniertes Osteoid ummauert Osteoblasten, die dann zu Osteozyten werden. c)Trabekuläre Matrix und Periost bildet sich. d) Die Kompakta bildet sich oberflächlich zur Spongiosa, und Blutgefäße kondensieren zu rotem Knochenmark.

Bild: “Intramembranous ossification follows four steps. (a) Mesenchymal cells group into clusters, and ossification centers form. (b) Secreted osteoid traps osteoblasts, which then become osteocytes. (c) Trabecular matrix and periosteum form. (d) Compact bone develops superficial to the trabecular bone, and crowded blood vessels condense into red marrow.” von OpenStax College. Lizenz: CC BY 4.0

Knochenwachstum und Mineralisierung

Knochenwachstum

Die Epiphysenfugen befinden sich in der Metaphyse Metaphyse Aufbau der Knochen der Röhrenknochen, dem Übergangsbereich zwischen Diaphyse Diaphyse Aufbau der Knochen (Schaft) und Epiphysen (Enden). Es gibt 5 unterschiedliche histologische Zonen:

  1. Reservezone:
  2. Proliferationszone:
  3. Hypertrophe Zone:
    • Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe hypertrophieren, reifen und transformieren sich (genau wie bei der chondralen Ossifikation).
    • Ermöglicht Mineralisierung und zusätzliches Längswachstum
  4. Ossifikationszone: Matrix wird mineralisiert
  5. Eröffnungszone:
    • Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe sterben ab und bilden Längskanäle, die von Gefäßen mit osteogenen Zellen durchdrungen werden.
    • Osteoklasten lösen den verkalkten Knorpel auf.
    • Osteoblasten säumen die Kanalwände und legen konzentrische Matrixlamellen ab, bis nur noch ein schmaler Kanal übrig bleibt → der zentrale Kanal eines reifen Osteons
Histologische Zonen der Epiphysenfugen

Histologische Zonen der Epiphysenfugen

Bild von Lecturio.

Knochenmineralisierung

  • Calcium (Ca2+) und Phosphat Phosphat Elektrolyte (PO43–) verbinden sich zu Hydroxylapatitkristallen auf der Knochenmatrix.
  • Kristalle können sich erst bilden, wenn bestimmte Schwellenwerte für Ca2+ und PO43– überschritten werden:
    • Die meisten Gewebe haben Inhibitoren, die dies verhindern.
    • Knochenbildende Zellen sezernieren Osteocalcin, das extrazelluläres Ca2+ bindet → ermöglicht die Ansammlung von Ca2+.
  • Osteoblasten reagieren auf ↑ Ca2+ mit der Sekretion von alkalischer Phosphatase, wodurch ↑ PO43– -Ionen.
  • Bei ↑ Level kristallisieren sich Calcium und Phosphat Phosphat Elektrolyte zu Hydroxyapatit-Kristallen (Ca10(PO4)6OH2) auf der organischen Matrix.

Klinische Relevanz

  • Achondroplasie: autosomal-dominante Erkrankung, die durch Varianten im FGFR3-Gen verursacht wird, die die Chondrozytenproliferation hemmt und die chondrale Knochenbildung beeinträchtigt. Klinisch zeigt sich Achondroplasie bei Säuglingen mit Kleinwuchs, Verkürzung der Gliedmaßen, charakteristischem Gesicht, Anomalien der Wirbelsäulenkrümmung und langsamer motorischer Entwicklung. Die geistige Entwicklung ist normal. Das Management zielt auf die Optimierung der Leistungsfähigkeit und die Behandlung von Komplikationen wie wiederkehrende Ohrenentzündungen, Schlafapnoe, Beinverkrümmungen (“O”- oder “X”- Beine) und Spinalkanalstenose Spinalkanalstenose Spinalkanalstenose ab.
  • Osteogenesis imperfecta Osteogenesis Imperfecta Osteogenesis Imperfecta: auch als „Glasknochenkrankheit“ bekannt. Osteogenesis imperfecta Osteogenesis Imperfecta Osteogenesis Imperfecta ist eine seltene genetische Bindegewebserkrankung, die durch schwere Knochenbrüchigkeit gekennzeichnet ist. Obwohl es sich um eine einzelne Krankheit handelt, umfasst sie über 16 Genotypen, wobei die häufigsten Typen Varianten im Typ-1-Kollagen verursachen. Einige Formen sind in utero tödlich. Es gibt keine endgültige Heilung; die Behandlung ist supportiv, in der Regel mit Bisphosphonaten, und konzentriert sich auf die Verringerung von Schmerzen, Frakturhäufigkeit und Knochendeformität sowie auf die Verbesserung der Gehfähigkeit.
  • Rachitis Rachitis Osteomalazie und Rachitis: Verminderte Knochenmineralisierung bei Kindern. Bei Rachitis Rachitis Osteomalazie und Rachitis durchlaufen die hypertrophen Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe in den epiphysären Wachstumsfugen keine Apoptose. Dies führt zu einer unzureichenden Mineralisierung des Knorpels und ist am häufigsten auf einen Mangel an Vitamin D Vitamin D Fettlösliche Vitamine und deren Mangelerscheinungen zurückzuführen, dem Vitamin, das die Knochenmineralisierung fördert. Rachitis Rachitis Osteomalazie und Rachitis zeigt sich mit Skelettdeformitäten, einschließlich verkrümmten Beinen, und Wachstumsanomalien. Die Behandlung umfasst eine Vitamin-D-, Kalzium- und Phosphatsupplementierung.
Rachitis

Rachitis

Bild : “X-Rays of both lower limbs showing severe bowing of the legs and diffuse osteopenia also shows dense transverse lines in the tibia suggestive of looser’s zones indicative of rickets” von Al-Sharafi BA et al. Lizenz: CC BY 4.0

Quellen

  1. Saladin, K.S., Miller, L. (2004). Anatomy and physiology, 3rd ed. pp. 218–224. McGraw Hill Education.
  2. Manolagas, S.C. (2020). Normal skeletal development and regulation of bone formation and resorption. UpToDate. Zugriff am 4. August 2021, von https://www.uptodate.com/contents/normal-skeletal-development-and-regulation-of-bone-formation-and-resorption 
  3. Breeland, G. (2021). Embryology, bone ossification. StatPearls. Zugriff am 6. August 2021, von https://www.statpearls.com/articlelibrary/viewarticle/36128/ 
  4. OpenStax College, Anatomy and Physiology. OpenStax CNX. Zugriff am 5. August 2021, von https://philschatz.com/anatomy-book/contents/m46301.html 
  5. Bartl, R., Bartl, C. (2021). Knochenstruktur. In: Das Osteoporose Manual. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-62528-6_2

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Simon Veiser

Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

Dr. Frank Stummer

Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

Sobair Barak

Sobair Barak hat einen Masterabschluss in Wirtschaftsingenieurwesen absolviert und hat sich anschließend an der Harvard Business School weitergebildet. Heute ist er in einer Management-Position tätig und hat bereits diverse berufliche Auszeichnungen erhalten. Es ist seine persönliche Mission, in seinen Kursen besonders praxisrelevantes Wissen zu vermitteln, welches im täglichen Arbeits- und Geschäftsalltag von Nutzen ist.

Wolfgang A. Erharter

Wolfgang A. Erharter ist Managementtrainer, Organisationsberater, Musiker und Buchautor. Er begleitet seit über 15 Jahren Unternehmen, Führungskräfte und Start-ups. Daneben hält er Vorträge auf Kongressen und Vorlesungen in MBA-Programmen. 2012 ist sein Buch „Kreativität gibt es nicht“ erschienen, in dem er mit gängigen Mythen aufräumt und seine „Logik des Schaffens“ darlegt. Seine Vorträge gestaltet er musikalisch mit seiner Geige.

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Holger Wöltje ist Diplom-Ingenieur (BA) für Informationstechnik und mehrfacher Bestseller-Autor. Seit 1996 hat er über 15.800 Anwendern in Seminaren und Work-shops geholfen, die moderne Technik produktiver einzusetzen. Seit 2001 ist Holger Wöltje selbstständiger Berater und Vortragsredner. Er unterstützt die Mitarbeiter von mittelständischen Firmen und Fortune-Global-500- sowie DAX-30-Unternehmen dabei, ihren Arbeitsstil zu optimieren und zeigt Outlook-, OneNote- und SharePoint-Nutzern, wie sie ihre Termine, Aufgaben und E-Mails in den Griff bekommen, alle wichtigen Infos immer elektronisch parat haben, im Team effektiv zusammenarbeiten, mit moderner Technik produktiver arbeiten und mehr Zeit für das Wesentliche gewinnen.

Frank Eilers

Frank Eilers ist Keynote Speaker zu den Zukunftsthemen Digitale Transformation, Künstliche Intelligenz und die Zukunft der Arbeit. Er betreibt seit mehreren Jahren den Podcast „Arbeitsphilosophen“ und übersetzt komplexe Zukunftsthemen für ein breites Publikum. Als ehemaliger Stand-up Comedian bringt Eilers eine ordentliche Portion Humor und Lockerheit mit. 2017 wurde er für seine Arbeit mit dem Coaching Award ausgezeichnet.

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Yasmin Kardi ist zertifizierter Scrum Master, Product Owner und Agile Coach und berät neben ihrer Rolle als Product Owner Teams und das höhere Management zu den Themen agile Methoden, Design Thinking, OKR, Scrum, hybrides Projektmanagement und Change Management.. Zu ihrer Kernkompetenz gehört es u.a. internationale Projekte auszusteuern, die sich vor allem auf Produkt-, Business Model Innovation und dem Aufbau von Sales-Strategien fokussieren.

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