Knochen und Knorpel sind Teil des spezialisierten Bindegewebes, aus dem das Skelettsystem besteht. Knochen sind ein lebendes Gewebe, das sich ständig erneuert. Die Härte des Knochens eignet sich gut für die mechanische Stützfunktion und die Elastizität des Knorpels für die Beweglichkeit der Gelenke. Sowohl Knorpel als auch Knochen bestehen aus spezialisierten Zellen, die eine Materialmatrix außerhalb der Zellen produzieren und regulieren. Die Matrix ist reich an Kollagenen, Proteoglykanen und nicht-kollagenen Proteinen. Mineralien sind auch in der Knochenmatrix vorhanden.
Der äußere Teil des Knochens wird Cortex genannt und ist kompakter Knochen. Der schwammigere innere Teil (Trabekelknochen) ist mit blutbildendem (hämatopoetischem) Knochenmark gefüllt. Die inneren und äußeren Teile des Knochens haben unterschiedliche metabolische Umsatzraten, mit wichtigen Konsequenzen für Osteoporose im fortgeschrittenen Alter. Trabekulärer Knochen regeneriert sich schneller als kompakter Knochen, weshalb Osteoporose zuerst in den Wirbelkörpern der Wirbelsäule auftritt, die große trabekuläre Anteile aufweisen.
Knochen im Schädel und an anderen ausgewählten Stellen bilden sich direkt durch Knochenbildung (intramembranöse Ossifikation), ohne eine knorpelige Zwischenphase zu durchlaufen. Die langen Knochen der Gliedmaßen entwickeln sich aus Knorpel durch einen Prozess, der als endochondrale Ossifikation bekannt ist. Dieser Prozess führt zum normalen Wachstum langer Knochen, zur Reparatur von Frakturen und im späten Erwachsenenalter zur einzigartigen Bildung von neuem Knochen in einem Gelenk, das arthritisch geworden ist.
Der Osteoblast ist eine Art von Knochenzelle, die für die Synthese der Matrixkomponenten im Knochen verantwortlich ist: das unterschiedliche Kollagen (Typ I) und Proteoglykane. Osteoblasten synthetisieren auch andere nichtkollagene Knochenproteine. Einige dieser Proteine können im Serum gemessen werden, um die Geschwindigkeit des Knochenumsatzes zu bestimmen.
Die andere ausgeprägte Knochenzelle wird Osteoklaste genannt. Der Osteoklaste ist für die Knochenresorption verantwortlich. Unter normalen Umständen wird altes Knochengewebe resorbiert, während neues Knochengewebe gebildet wird. Knochen werden durch die Produktion von Enzymen resorbiert, die Proteine auflösen. Der Knochenumsatz wird Remodeling genannt und ist normalerweise ein ausgewogener und koordinierter Prozess der Resorption und Bildung. Remodeling wird durch Körperhormone und durch lokale Wachstumsfaktoren beeinflusst.
Bewegliche (diarthrodiale) Gelenke entstehen dort, wo zwei Knochen zusammenpassen. Die Gelenkflächen sind für die Gewichtsbelastung und die Anpassung an einen Bewegungsbereich ausgelegt. Das Gelenk ist von einer fibrösen Kapsel umschlossen, deren innere Oberfläche eine Synovialmembran ist, die Synovialflüssigkeit absondert. Die Gelenkoberfläche besteht aus hyalinem Knorpel, unter dem sich eine Unterlage aus hartem (subchondralem) Knochen befindet. Innerhalb des Gelenks sorgen Bänder, Sehnen und faserknorpelige Strukturen (Menisken in bestimmten Gelenken wie dem Knie) für Stabilität und einen engen Sitz zwischen den Gelenkoberflächen. Die spezialisierten Zellen dieser Gelenkkomponenten synthetisieren und erhalten die Matrix-Makromoleküle, deren Wechselwirkungen für die Aufrechterhaltung der Zugfestigkeit von Bändern und Sehnen, des lockeren Bindegewebes, das die Blutgefäße und zellulären Elemente der Synovialmembran stützt, der viskosen Synovialflüssigkeit, der Elastizität des hyalinen Knorpels und die starre Festigkeit des subchondralen Knochens. Diese Gelenkkomponenten sind voneinander abhängig und ihre Beziehungen sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1. Struktur-Funktions-Beziehungen und gegenseitige Abhängigkeit von Gelenkkomponenten.
Komponenten |
Struktur |
Funktionen |
Bänder und Sehnen |
Dichtes, faseriges Bindegewebe |
Verhindert eine Überdehnung der Gelenke, sorgt für Stabilität und Festigkeit |
Synovialmembran |
Areolar, vaskulär und zellulär |
Sekretiert Synovialflüssigkeit, löst (Phagozytose) partikuläres Material in Synovialflüssigkeit auf |
Gelenkschmiere |
Visköse Flüssigkeit |
Liefert Nährstoffe für Gelenkknorpel, schmiert den Knorpel während der Gelenkbewegung |
Knorpel |
Fester hyaliner Knorpel |
Bildet die Gelenkfläche, trägt Gewicht, reagiert elastisch auf Kompression |
Gezeitenmarke |
Verkalkter Knorpel |
Trennt den Gelenkknorpel vom darunter liegenden Knochen |
Subchondraler Knochen |
Harter Knochen mit Markräumen |
Bietet Unterstützung für die gemeinsame Oberfläche; Die Markhöhle versorgt die Basis des Knorpels mit Nährstoffen und ist die Quelle von Zellen mit Potenzial für neue Knochenbildung |
Quelle: Hamerman und Taylor 1993.
Ausgewählte Erkrankungen der Knochen und Gelenke
Osteopenie ist der allgemeine Begriff, der verwendet wird, um eine reduzierte Knochensubstanz zu beschreiben, die auf Röntgenstrahlen festgestellt wird. In frühen Stadien oft asymptomatisch, kann es sich schließlich als Knochenschwäche äußern. Die meisten der unten aufgeführten Erkrankungen induzieren Osteopenie, obwohl die Mechanismen, durch die dies auftritt, unterschiedlich sind. Beispielsweise fördert ein Überschuss an Parathormon die Knochenresorption, während ein Kalzium- und Phosphatmangel, der mehrere Ursachen haben kann und oft auf einen Mangel an Vitamin D zurückzuführen ist, zu einer mangelhaften Mineralisierung führt. Mit zunehmendem Alter kommt es zu einem Ungleichgewicht zwischen Knochenbildung und Knochenabbau. Bei Frauen im Alter der Menopause überwiegt häufig die Resorption, ein Zustand, der als Typ-I-Osteoporose bezeichnet wird. Im fortgeschrittenen Alter kann die Resorption wieder dominieren und zu einer Typ-II-Osteoporose führen. Typ-I-Osteoporose betrifft normalerweise Wirbelknochenverlust und -kollaps, während Hüftfrakturen bei Typ II vorherrschen.
Osteoarthritis (OA) ist die hauptsächliche chronische Erkrankung bestimmter beweglicher Gelenke, und ihre Häufigkeit nimmt mit dem Alter zu. Im Alter von 80 Jahren haben fast alle Menschen vergrößerte Gelenke an den Fingern (Heberden-Knoten). Dies ist normalerweise von sehr begrenzter klinischer Bedeutung. Die hauptsächlichen gewichtstragenden Gelenke, die Osteoarthritis unterliegen, sind die Hüfte, das Knie, die Füße und Facetten der Wirbelsäule. Die Schulter kann, obwohl sie nicht belastet wird, auch an einer Vielzahl von arthritischen Veränderungen leiden, einschließlich Rotatorenmanschettenriss, Subluxation des Humeruskopfes und einem Erguss mit hohem Anteil an proteolytischen Enzymen – ein Krankheitsbild, das oft als „Milwaukee-Schulter“ bezeichnet wird und mit ihm in Verbindung gebracht wird starke Schmerzen und Bewegungseinschränkung. Die Hauptveränderung bei OA ist in erster Linie der Abbau von Knorpel, aber die Bildung neuer Knochen, die Osteophyten genannt werden, ist normalerweise auf Röntgenbildern zu sehen.