Als Knochenstoffwechsel werden jene biologische Prozesse bezeichnet, die am Umbau – Auf- und Abbau – der Knochensubstanz beteiligt sind.
Substanzaufbauende Osteoblasten und substanzabbauende Osteoklasten passen die Knochen andauernd an funktionelle Bedürfnisse an und bauen sie jeweils dementsprechend um. Man unterscheidet hier zwischen Knochenaufbau, der Osteogenese, und Knochenabbau, der Osteolyse. Die häufigste Knochenstoffwechsel-Störung ist die Osteoporose, umgangssprachlich Knochenschwund, bei der die Knochenmasse schneller abnimmt beziehungsweise der Abbau der Knochensubstanz schneller voranschreitet, als das normal der Fall ist.
Physiologie des Knochens
Knochen setzen sich aus einer organischen Matrix, der mineralischen Phase und verschiedenen Knochenzellen zusammen. Die Matrix besteht zu 90 Prozent aus Kollagenfasern des Typs I. Die mineralische Phase besteht zum größten Teil aus Kalzium, Phosphat und Karbonat, die in kristalliner Hydroxyapatitform vorliegen.
Osteoblasten und Osteoklasten
Osteoblasten und Osteoklasten sind die eingangs erwähnten beiden Zelltypen, die am dynamischen Knochenabbau und Knochenabbau beteiligt sind:
- Osteoklasten sind für die Knochenresorption zuständig – der Auflösung der mineralischen Phase und der Knochenmatrix. Dabei entstehen so genannte Resorptionslakunen.
- Osteoklasten sind multinukleäre Zellen, die aus mononukleären Knochenmarkszellen gebildet werden. Sie sind reich an lysosomalen Enzymen und besitzen eine als Bürstensaum bezeichnete spezialisierte Zellmembran, an der der Knochenabbau stattfindet.
Verschiedene Hormone und Wachstumsfaktoren steuern die Differenzierung, Aktivierung und Hemmung der Osteoklasten. Hauptaufgabe der viel kleineren, einkernigen Osteoblasten ist die Synthese neuer Knochenmatrix (Osteoid).
Die von den Osteoblasten abstammenden Osteozyten spielen eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung des Knochens. Diese Osteozyten stellen fixe Bestandteile der entstehenden Knochen dar. Sie vermitteln über zahlreiche Fortsätze, mit denen sie mit anderen Osteozyten kommunizieren, Signale zur Regelung eines geordneten Knochenstoffwechsels.
Knochenstoffwechsel – Umbauprozess und Abbau der Knochensubstanz
Der Knochenumbau startet mit Stimulierung von Prä-Osteoklasten durch den granulocyte-macrophage-colony-stimulating-factor und der daran anknüpfenden Differenzierung der Prä-Osteoklasten durch andere Zytokine und Wachstumsfaktoren zu aktiven, reifen Osteoklasten. Letztere sammeln sich dann an einer bestimmten Stelle der Knochenoberfläche ansammeln.
Parathormon, Schilddrüsenhormone und Calzitriol erhöhen, Sexualhormone und Calcitonin senken die Aktivierungsfrequenz. Bei der Resorption werden von den Osteoklasten Säuren und proteolytische Enzyme aus zytoplasmatischen Ausstülpungen der Osteoklastenmembran sezerniert, wodurch an der Knochenoberfläche eine Resorptionshöhle entsteht.
Der Boden dieser Resorptionshöhle wird durch mononukleäre Zellen geglättet und eine zementartige, proteinreiche, aber kollagenarme Substanz abgelagert.
Osteoblasten gelangen an die Resorptionsstelle und bilden eine Osteoidmatrix, bestehend aus nichtmineralisiertem Knochengewebe und Matrixproteinen. Für die Mineralisierung des neu gebildeten Osteoids mit Kalziumhydroxyapatitkristallen sind zwei Faktoren von entscheidender Bedeutung:
- Vitamin D3 führt zu Osteomalazie – der Begriff beschreibt eine erhöhte Weichheit des Knochens durch mangelhaften Einbau von Knochenmineralien
- Natriumfluorid organisiert die Kristalle und erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen die Osteoklasten-Aktivität
Literatur:
Park-Min KH. Metabolic reprogramming in osteoclasts. Semin Immunopathol. 2019 Sep;41(5):565-572. doi: 10.1007/s00281-019-00757-0. Epub 2019 Sep 24. PMID: 31552471; PMCID: PMC7671717.
Datta HK, Ng WF, Walker JA, Tuck SP, Varanasi SS. The cell biology of bone metabolism. J Clin Pathol. 2008 May;61(5):577-87. doi: 10.1136/jcp.2007.048868. PMID: 18441154.
Quelle:
Der Knochenstoffwechsel, MEDMIX 6/2008.
