Knochen: Anatomie, Funktion, Pathologie

Einteilung nach Entstehung

Desmale Ossifikation (intramembranöse Ossifikation)

Bei der desmalen Ossifikation entsteht Knochengewebe direkt aus mesenchymalem Gewebe, ohne eine knorpelige Zwischenstufe. Dieser Prozess ist typisch für flache Knochen.

• Beispiele: Schädelknochen, Schlüsselbein (Clavicula)

Chondrale Ossifikation (endochondrale Ossifikation)

Bei der chondralen Ossifikation erfolgt die Knochenbildung über eine knorpelige Zwischenstufe. Der Knorpel wird zunächst gebildet und dann durch Knochengewebe ersetzt. Diese Art der Ossifikation ist typisch für lange Knochen.

• Beispiele: Femur (Oberschenkelknochen), Humerus (Oberarmknochen), Wirbelkörper

Einteilung nach Morphologie

Kortikaler (kompakter) Knochen

Kortikaler Knochen (Substantia compacta) bildet die äußere Schicht aller Knochen und ist dicht und fest. Er ist hauptsächlich für die mechanische Unterstützung und den Schutz verantwortlich.

• Eigenschaften: Hohe Dichte, geringe Porosität, hohe Festigkeit

Spongiöser (trabekulärer) Knochen

Spongiöser Knochen (Substantia spongiosa) hat eine gitterartige Struktur und befindet sich im Inneren der Knochen. Er ist leichter und dennoch stark und ermöglicht den Austausch von Stoffen und die Produktion von Blutzellen.

• Eigenschaften: Geringere Dichte, hohe Porosität, Leichtigkeit und Flexibilität

Einteilung nach Form

Lange Knochen (Ossa longa)

Lange Knochen sind länger als breit und bestehen aus einer Diaphyse (Schaft) und zwei Epiphysen (Enden). Sie enthalten hauptsächlich kompaktes Knochengewebe und eine Markhöhle.

• Beispiele: Femur (Oberschenkelknochen), Tibia (Schienbein), Humerus (Oberarmknochen)

Kurze Knochen (Ossa brevia)

Kurze Knochen sind ungefähr gleich lang und breit, sie sind würfel- oder quaderförmig und bestehen hauptsächlich aus spongiösem Knochen, umgeben von einer dünnen Schicht kompaktem Knochen.

• Beispiele: Handwurzelknochen (Carpalia), Fußwurzelknochen (Tarsalia)

Platte Knochen (Ossa plana)

Platte Knochen sind dünn und flach und bestehen aus zwei Schichten kompaktem Knochen, die eine Schicht spongiösen Knochens einschließen. Sie bieten Schutz und breite Oberflächen für den Muskelansatz.

• Beispiele: Schädelknochen, Sternum (Brustbein), Scapula (Schulterblatt), Rippen

Irreguläre Knochen (Ossa irregularia)

Irreguläre Knochen haben komplexe Formen, die nicht in die anderen Kategorien passen. Sie bestehen aus einer variablen Mischung aus kompaktem und spongiösem Knochen.

• Beispiele: Wirbel, Gesichtsknochen, Becken (Os coxae)

Sesambeine (Ossa sesamoidea)

Sesambeine sind kleine, in Sehnen eingebettete Knochen, die den Druck und die Reibung an den Gelenken verringern und die Hebelwirkung der Muskeln verbessern.

• Beispiele: Patella (Kniescheibe), einige Knochen in den Händen und Füßen

Aufbau eines Knochens

Ein typischer Knochen lässt sich in verschiedene Abschnitte unterteilen, die jeweils spezifische Funktionen haben:

• Diaphyse
  ➜ Dies ist der lange, zentrale Schaft eines Knochens. Er besteht hauptsächlich aus kompaktem (kortikalem) Knochen, der für seine Festigkeit und Unterstützung bekannt ist. Die Diaphyse enthält den Markraum, der das Knochenmark beherbergt.
• Epiphyse
  ➜ Die beiden Enden eines langen Knochens werden als Epiphysen bezeichnet. Sie bestehen hauptsächlich aus spongiösem (trabekulärem) Knochen, der eine gitterartige Struktur aufweist und das Gewicht gleichmäßig verteilt. Die Epiphysen sind mit einer dünnen Schicht aus kompaktem Knochen bedeckt und enthalten das rote Knochenmark, das für die Blutbildung zuständig ist.
• Metaphyse
  ➜ Dieser Bereich liegt zwischen der Diaphyse und der Epiphyse. Bei wachsenden Knochen enthält die Metaphyse die Wachstumsplatte (Epiphysenfuge), die für das Längenwachstum des Knochens verantwortlich ist. Bei Erwachsenen verschmilzt die Wachstumsplatte zu einer Linie (Epiphysenlinie).
• Periost
  ➜ Das Periost ist eine dichte, faserige Membran, die die äußere Oberfläche des Knochens bedeckt, mit Ausnahme der Gelenkflächen. Es ist reich an Blutgefäßen, Nerven und Lymphgefäßen und spielt eine wichtige Rolle bei der Ernährung und Reparatur des Knochens. Das Periost ist auch der Ansatzpunkt für Sehnen und Bänder.
• Endost
  ➜ Das Endost ist eine dünne Membran, die den inneren Markraum des Knochens auskleidet. Es enthält Knochenbildungszellen (Osteoblasten) und knochenabbauende Zellen (Osteoklasten) und ist aktiv an der Knochenerneuerung und -reparatur beteiligt.
• Knochenmark
  ➜ Im Inneren der Knochen befindet sich das Knochenmark. Es gibt zwei Arten: rotes Knochenmark, das für die Produktion von Blutzellen verantwortlich ist, und gelbes Knochenmark, das hauptsächlich aus Fettgewebe besteht und als Energiespeicher dient. Bei Erwachsenen ist das rote Knochenmark hauptsächlich in den spongiösen Knochen der Epiphysen und in platten Knochen zu finden.

Mikroskopische Struktur des Knochens

Unter dem Mikroskop zeigt der Knochen eine komplexe Struktur, die auf verschiedenen Ebenen organisiert ist:

• Osteone (Havers-System)
  ➜ Dies sind zylindrische Strukturen im kompakten Knochen, die aus konzentrischen Lamellen (Knochenplatten) bestehen. In der Mitte jedes Osteons verläuft ein Havers-Kanal, der Blutgefäße und Nerven enthält.
• Lamellen
  ➜ Die Lamellen sind dünne Schichten von Knochenmatrix, die um die Havers-Kanäle angeordnet sind. Sie bestehen aus kollagenen Fasern und Hydroxylapatit-Kristallen, die dem Knochen Festigkeit und Flexibilität verleihen.
• Volkmann-Kanäle
  ➜ Diese Kanäle verlaufen quer zu den Havers-Kanälen und verbinden sie miteinander, wodurch ein Netzwerk von Blutgefäßen im kompakten Knochen entsteht.
• Lakunen
  ➜ Kleine Hohlräume in der Knochenmatrix, die Osteozyten (reife Knochenzellen) enthalten. Osteozyten sind durch feine Kanälchen, die Canaliculi, miteinander verbunden, die den Austausch von Nährstoffen und Abfallprodukten ermöglichen.
• Trabekel
  ➜ Im spongiösen Knochen bilden die Trabekel ein gitterartiges Netzwerk, das den Knochen leicht und dennoch stark macht. Die Zwischenräume zwischen den Trabekeln sind mit Knochenmark gefüllt.

Gelenkflächen und Knochenverbindungen

Die Enden der Knochen sind häufig an Gelenken beteiligt, die Bewegungen ermöglichen:

• Gelenkknorpel (Hyaliner Knorpel)
  ➜ Bedeckt die Gelenkflächen der Knochen und sorgt für eine reibungsarme Bewegung in den Gelenken. Der Knorpel ist elastisch und widerstandsfähig, um den mechanischen Belastungen standzuhalten.
• Synovialmembran
  ➜ Eine dünne Membran, die die Innenseite der Gelenkkapsel auskleidet und die Synovialflüssigkeit produziert. Diese Flüssigkeit schmiert und nährt den Gelenkknorpel.
• Ligamente (Bänder)
  ➜ Bindegewebsstränge, die Knochen miteinander verbinden und die Stabilität der Gelenke gewährleisten.

Blutversorgung und Innervation

Die Blutversorgung und Innervation des Knochens sind entscheidend für seine Funktion und Gesundheit:

• Arterien und Venen
  ➜ Der Knochen wird durch verschiedene Arterien versorgt, darunter die epiphysäre, metaphysäre und diaphysäre Arterie. Diese Gefäße verzweigen sich in kleinere Gefäße, die durch die Havers- und Volkmann-Kanäle verlaufen. Venen führen das Blut zurück aus dem Knochen.
• Nerven
  ➜ Knochen sind reich an Nerven, die hauptsächlich im Periost verlaufen. Diese Nerven sind empfindlich auf Schmerzreize, was bei Verletzungen oder Erkrankungen zu starken Schmerzen führen kann.

Wachstum und Entwicklung

Das Wachstum und die Entwicklung der Knochen erfolgen durch zwei Hauptprozesse:

• Längenwachstum
  ➜ Findet in den Epiphysenfugen (Wachstumsplatten) statt. Chondrozyten (Knorpelzellen) proliferieren und werden anschließend durch Knochengewebe ersetzt, was das Längenwachstum des Knochens ermöglicht.
• Dickenwachstum
  ➜ Erfolgt durch Apposition (Anlagerung) von neuem Knochengewebe unter dem Periost. Osteoblasten synthetisieren neue Knochensubstanz, wodurch der Knochen dicker wird.

Reparatur und Heilung

Bei einer Fraktur (Knochenbruch) durchläuft der Knochen einen komplexen Heilungsprozess:

• Hämatomphase
  ➜ Ein Bluterguss bildet sich an der Frakturstelle, gefolgt von einer Entzündungsreaktion.
• Bildung eines weichen Kallus
  ➜ Fibroblasten und Chondroblasten bilden einen Knorpel-Kallus, der die Fraktur überbrückt.
• Bildung eines harten Kallus
  ➜ Osteoblasten ersetzen den Knorpel-Kallus durch spongiösen Knochen.
• Remodellierung
  ➜ Der spongiöse Knochen wird in kompakten Knochen umgewandelt und die ursprüngliche Knochenstruktur wiederhergestellt.

Knochenzellen

Es gibt vier Haupttypen von Knochenzellen, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen:

Osteoblasten

• Funktion
  ➜ Osteoblasten sind für die Knochenbildung verantwortlich. Sie synthetisieren und sezernieren die organische Matrix (Osteoid), die hauptsächlich aus Kollagen Typ I besteht.
• Merkmale
  ➜ Osteoblasten sind kubische bis prismatische Zellen, die auf der Knochenoberfläche angeordnet sind. Sie haben einen großen, basophilen Zellkern und ein gut entwickeltes endoplasmatisches Retikulum und Golgi-Apparat, die für die Proteinproduktion notwendig sind.

Osteozyten

• Funktion
  ➜ Osteozyten sind reife Knochenzellen, die aus Osteoblasten hervorgehen und in der mineralisierten Knochenmatrix eingemauert sind. Sie sind für die Erhaltung des Knochengewebes und die Regulation des Mineralhaushalts verantwortlich.
• Merkmale
  ➜ Osteozyten befinden sich in kleinen Hohlräumen, den Lakunen, und kommunizieren über lange zytoplasmatische Fortsätze (Canaliculi) miteinander und mit den Osteoblasten an der Knochenoberfläche.

Osteoklasten

• Funktion
  ➜ Osteoklasten sind große, mehrkernige Zellen, die für den Knochenabbau (Resorption) verantwortlich sind. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Knochenremodellierung und im Kalziumstoffwechsel.
• Merkmale
  ➜ Osteoklasten haben eine unregelmäßige Form mit einer ruffled border (gezackte Begrenzung), die an der Resorptionsfläche des Knochens liegt. Sie setzen Enzyme und Säuren frei, die die Knochenmatrix auflösen.

Osteoprogenitorzellen

• Funktion
  ➜ Osteoprogenitorzellen sind Vorläuferzellen, die sich zu Osteoblasten differenzieren können. Sie sind entscheidend für das Wachstum und die Regeneration von Knochen.
• Merkmale
  ➜ Diese Zellen sind spindelförmig und kommen im Periost und Endost vor.

Extrazellulärsubstanz

Die Extrazellulärsubstanz der Knochen besteht aus organischen und anorganischen Komponenten:

Organische Komponente

• Kollagenfasern
  ➜ Hauptsächlich Kollagen Typ I, das etwa 90% der organischen Matrix ausmacht. Diese Fasern verleihen dem Knochen Zugfestigkeit.
• Nicht-kollagene Proteine
  ➜ Dazu gehören Proteoglykane, Glykoproteine (wie Osteocalcin, Osteopontin und Sialoprotein), die an der Mineralisierung und Zelladhäsion beteiligt sind.

Anorganische Komponente

• Mineralien
  ➜ Der Hauptbestandteil ist Hydroxylapatit (Ca10(PO4)6(OH)2), ein kristallines Kalziumphosphatsalz, das etwa 70% des Knochengewichts ausmacht und dem Knochen seine Härte und Druckfestigkeit verleiht.
• Wasser
  ➜ Etwa 10% der Knochenmasse besteht aus Wasser, das in der Matrix gebunden ist.

Knochenbildung

Die Knochenbildung erfolgt durch zwei Hauptprozesse: desmale Ossifikation und chondrale Ossifikation.

Desmale Ossifikation

• Prozess
  ➜ Auch als intramembranöse Ossifikation bekannt, findet diese Art der Knochenbildung direkt im mesenchymalen Gewebe statt. Mesenchymale Zellen differenzieren sich zu Osteoblasten, die dann die Knochenmatrix synthetisieren.
• Beispiele
  ➜ Diese Art der Ossifikation ist typisch für flache Knochen wie die Schädelknochen, das Schlüsselbein und das Gesichtsskelett.

Chondrale Ossifikation

• Prozess
  ➜ Auch als enchondrale Ossifikation bekannt, beginnt diese Art der Knochenbildung mit einer knorpeligen Zwischenstufe. Der Knorpel wird allmählich durch Knochen ersetzt, beginnend mit der Bildung eines primären Ossifikationszentrums in der Diaphyse und sekundären Ossifikationszentren in den Epiphysen.
• Beispiele
  ➜ Diese Art der Ossifikation ist typisch für lange Knochen wie den Femur, den Humerus und die Wirbelsäule.

Organische Matrix

Die organische Matrix macht etwa 30% der Knochenmasse aus und besteht hauptsächlich aus Kollagen und nicht-kollagenen Proteinen.

Kollagen

• Typ I Kollagen
  ➜ Hauptbestandteil der organischen Matrix, macht etwa 90% der organischen Komponenten aus. Kollagenfasern verleihen dem Knochen Zugfestigkeit und Flexibilität.
• Funktion
  ➜ Kollagen bietet eine Gerüststruktur, auf der die Mineralisation stattfindet, und spielt eine entscheidende Rolle bei der mechanischen Stabilität des Knochens.

Nicht-kollagene Proteine

• Osteokalzin
  ➜ Ein vitamin-K-abhängiges Protein, das bei der Regulation der Knochenmineralisierung hilft.
• Osteonectin
  ➜ Bindet Kalzium und Kollagen, fördert die Mineralisation.
• Osteopontin
  ➜ Beteiligt an der Bindung von Zellen an die Knochenmatrix.
• Proteoglykane
  ➜ Beteiligen sich an der Organisation der Matrix und beeinflussen die Mineralisation.

Anorganische Matrix

Die anorganische Matrix macht etwa 70% der Knochenmasse aus und besteht hauptsächlich aus mineralischen Komponenten, die dem Knochen seine Härte und Festigkeit verleihen.

Hydroxylapatit

• Chemische Formel
  ➜ Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.
• Funktion
  ➜ Hauptmineral in Knochen, das die mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Kompression bietet.
• Eigenschaften
  ➜ Hydroxylapatitkristalle lagern sich entlang der Kollagenfasern an und mineralisieren die organische Matrix.

Andere Mineralien

• Kalzium
  ➜ Wichtiger Bestandteil der anorganischen Matrix, entscheidend für die Knochenhärte.
• Phosphor
  ➜ Essenziell für die Bildung von Hydroxylapatit und die Knochengesundheit.
• Spurenelemente
  ➜ Magnesium, Natrium und Kalium, die ebenfalls zur Mineralisation beitragen.

Knochenkrankheiten

• Frakturen
  ➜ Eine Fraktur ist eine Unterbrechung der Kontinuität des Knochens, die durch direkte oder indirekte Gewalt, pathologische Prozesse oder Überbeanspruchung verursacht werden kann.
• Osteoporose
  ➜ Osteoporose ist eine systemische Skeletterkrankung, die durch eine niedrige Knochenmasse und eine Verschlechterung der Knochenstruktur charakterisiert ist, was zu einer erhöhten Anfälligkeit für Frakturen führt.
• Osteomalazie/Rachitis
  ➜ Osteomalazie ist eine Erkrankung, die durch eine unzureichende Mineralisierung der Knochenmatrix bei Erwachsenen gekennzeichnet ist, während Rachitis das Äquivalent bei Kindern ist.
• Arthritis
  ➜ Arthritis ist eine Entzündung der Gelenke, die sowohl durch degenerative als auch durch entzündliche Prozesse verursacht werden kann. Osteoarthritis (OA) und rheumatoide Arthritis (RA) sind die häufigsten Formen.
• Osteomyelitis
  ➜ Osteomyelitis ist eine Infektion des Knochens, die durch Bakterien, meist Staphylococcus aureus, verursacht wird.
• Knochenkrebs
  ➜ Knochenkrebs kann primär (z.B. Osteosarkom, Ewing-Sarkom) oder sekundär (Metastasen von anderen Krebsarten) sein.

Diagnostik

Bildgebende Verfahren

• Röntgen
  ➜ Erste Wahl bei der Diagnose von Frakturen, Osteoporose, Knochentumoren und Osteomyelitis.
• CT (Computertomographie)
  ➜ Detaillierte Querschnittsbilder, nützlich bei komplexen Frakturen und zur Tumorbeurteilung.
• MRT (Magnetresonanztomographie)
  ➜ Hochauflösende Bilder von Weichteilen und Knochen, besonders bei Verdacht auf Tumoren, Infektionen und Weichteilverletzungen.
• Knochenszintigrafie
  ➜ Radioaktive Marker zur Detektion von Knochenmetastasen, Infektionen und anderen Knochenanomalien.

Knochendichtemessung

• DEXA-Scan
  ➜ Goldstandard zur Diagnose von Osteoporose und zur Beurteilung der Frakturrisikos.

Biochemische Tests

• Bluttests
  ➜ Bestimmung von Kalzium-, Phosphat-, Vitamin-D- und Parathormonspiegeln zur Diagnose von Stoffwechselerkrankungen der Knochen.
• Spezifische Marker
  ➜ Rheumafaktor, Anti-CCP-Antikörper bei Verdacht auf rheumatoide Arthritis; Tumormarker bei Verdacht auf Knochenkrebs.

Behandlung

Medikamentöse Therapie

• Kalzium- und Vitamin-D-Supplemente
  ➜ Essenziell bei Osteoporose und Osteomalazie.
• Bisphosphonate
  ➜ Hemmen den Knochenabbau und erhöhen die Knochendichte bei Osteoporose.
• Antirheumatika (DMARDs)
  ➜ Zur Behandlung entzündlicher Gelenkerkrankungen wie RA.
• Antibiotika
  ➜ Langzeittherapie bei Osteomyelitis.
• Chemotherapie und Strahlentherapie
  ➜ Bei der Behandlung von Knochenkrebs.

Chirurgische Eingriffe

• Osteosynthese
  ➜ Interne und externe Fixierung zur Stabilisierung von Knochenbrüchen.
• Gelenkersatz
  ➜ Endoprothetik bei schweren Gelenkzerstörungen durch Arthritis.
• Tumorresektion
  ➜ Chirurgische Entfernung von Knochentumoren, oft kombiniert mit Rekonstruktionstechniken.

Physiotherapie

• Rehabilitation
  ➜ Zur Wiederherstellung der Beweglichkeit und Stärke nach Frakturen, Operationen oder bei chronischen Erkrankungen wie Arthritis.