Gefäßversorgung und -zirkulation

Knochenresorption und -erneuerung

Während die Erneuerung in Geweben wie dem Muskel weitgehend auf molekularer Ebene erfolgt, findet die Erneuerung des Knochens auf Gewebeebene statt und ähnelt dem Umbau von Gebäuden, indem die lokale Entfernung (Resorption) des alten Knochens der Neubildung von Knochen vorausgehen muss. Der Umbau ist während der Jahre des aktiven Wachstums am stärksten, wenn die Ablagerung gegenüber der Resorption überwiegt. Danach nimmt der Umbau allmählich ab, beim Menschen bis etwa zum Alter von 35 Jahren, danach bleibt die Rate unverändert oder nimmt leicht zu. Ab dem vierten Lebensjahrzehnt übersteigt die Resorption die Bildung, was zu einem ungefähren Verlust von 10 Prozent der Knochenmasse pro Jahrzehnt führt, was einem täglichen Verlust von 15 bis 30 mg Kalzium entspricht.

Abgesehen von der Hinzufügung der Verknöcherungsmechanismen innerhalb des Knorpels, beinhalten Wachstum und Entwicklung genau die gleiche Art von Umbau wie die des erwachsenen Skeletts. Beide erfordern eine kontinuierliche, wahrscheinlich irreversible Differenzierung von Osteoklasten und Osteoblasten, erstere aus zirkulierenden Monozyten im Blut und letztere aus dem undifferenzierten Knochenmesenchym. Die Lebensdauer der Osteoklasten beträgt einige Stunden bis höchstens einige Tage, die der Osteoblasten einige Tage bis höchstens einige Wochen.

Resorption wird durch Cluster von Osteoklasten erzeugt, die entweder freie Knochenoberflächen erodieren oder „Schneidkegel“ bilden, die sich durch kompakten Knochen tunneln und die zylindrischen Hohlräume bilden, die anschließend von Osteonen gefüllt werden können. Osteoklastische Zellen sezernieren Enzyme und Wasserstoffionen auf die Knochenoberfläche, wodurch das Mineral aufgelöst und die Matrix praktisch im selben Moment verdaut wird. Der Prozess ist mit einer lokal verstärkten Durchblutung und mit einer größeren Oberflächenazidität als anderswo im Knochen verbunden, obwohl der Prozess der Apatitauflösung Wasserstoffionen verbraucht. Die Resorption ist normalerweise ein viel schnellerer Prozess als die Bildung. Es wurde beobachtet, dass osteoklastische Schneidekegel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 Mikrometern oder Mikron pro Tag vorrücken (1 Mikron = 1 × 10-6 Meter).

Knochen wird auf zuvor resorbierten Oberflächen durch Ablagerung eines unmineralisierten Proteinmatrixmaterials (Osteoid) und dessen anschließender Mineralisierung gebildet. Osteoblasten bauen die Matrix als kontinuierliche Membran auf, die die Oberfläche, auf der sie arbeiten, mit einer linearen Rate bedeckt, die sowohl mit dem Alter als auch mit der Spezies variiert, aber bei großen erwachsenen Säugetieren in der Größenordnung von einem Mikrometer pro Tag liegt. Die unmineralisierte Matrix bildet einen Osteoid-Saum oder -Rand, der während der aktiven Knochenbildung durchschnittlich 6 bis 10 Mikrometer dick ist. Die biochemische und physikalische Abfolge von Ereignissen, die die Matrix für die Mineralisierung vorbereiten, umfasst die intrazelluläre Biosynthese von Kollagen durch Osteoblasten, die Extrusion von Kollagen extrazellulär in löslicher Form, die Reifung oder Polymerisation von Kollagen zu einer Anordnung von Fibrillen (in zufälliger Orientierung in schnell abgelagertem Knochen, in einem hoch geordneten regelmäßigen Muster in langsam gebildetem lamellarem Knochen), die Bindung von Kalzium an Kollagenfibrillen und die Bildung von Protein-Glykaminoglykan-Komplexen.

Die Mineralisierung selbst hängt von der Etablierung von Kristallkernen innerhalb der Matrix ab; dieser Prozess benötigt 5 bis 10 Tage und steht unter der Kontrolle des Osteoblasten, aber seine genaue Chemie ist unklar. Sobald die Kerne eine kritische Größe erreicht haben, erfolgt die weitere Mineralisierung spontan in Gegenwart der üblichen Kalzium- und Phosphorkonzentrationen der Körperflüssigkeit. Andere kollagene Gewebe, wie z. B. Dermis, Sehnen und Bänder, verkalken normalerweise nicht, obwohl sie von denselben Körperflüssigkeiten wie Knochen umspült werden. Obwohl die extrazelluläre Flüssigkeit eine hochgradig übersättigte Lösung in Bezug auf Hydroxylapatit ist, werden Kalzium und Phosphor bei normalem physiologischem pH-Wert nicht spontan in dieser kristallinen Form ausgefällt, so dass ein und dieselbe Flüssigkeit in nicht knochenbildenden Regionen unbegrenzt stabil ist und dennoch die Mineralisierung bei Vorhandensein geeigneter Kristallkerne reichlich unterstützt. Die Einlagerung von Mineralien in den neuen Knochen erfolgt anfänglich schnell und erreicht in kompaktem Knochen etwa 70 Prozent der vollen Mineralisierung innerhalb weniger Stunden nach der Keimbildung der Matrix. Diese Mineralablagerung beinhaltet den Ersatz des Wassers, das die Hälfte des ursprünglichen Matrixvolumens einnahm. Mit abnehmendem Wassergehalt wird die weitere Mineraldiffusion behindert, und die endgültige Mineralisierung erfolgt zunehmend langsamer über einen Zeitraum von vielen Wochen. Bei einem normalen erwachsenen Menschen nimmt die Knochenneubildung etwa 400 mg Kalzium pro Tag auf, eine Menge, die in etwa der des zirkulierenden Blutes entspricht.

Osteozyten, die früher als ruhende Zellen betrachtet wurden, sind heute anerkanntermaßen metabolisch aktiv und besitzen, zumindest in latenter Form, die Fähigkeit, Knochen an ihren lakunären Wänden zu resorbieren und neu zu bilden. Obwohl Osteozyten nur einen kleinen Teil des gesamten Knochenvolumens ausmachen, sind sie innerhalb des Knochens so angeordnet und das Netzwerk ihrer protoplasmatischen Ausläufer ist so umfangreich, dass es im Grunde kein Volumen an Knochenmaterial gibt, das mehr als den Bruchteil eines Mikrometers von einer Zelle oder ihren Prozessen entfernt ist. Von den mehr als 1.200 Quadratmetern anatomischer Oberfläche innerhalb des Skeletts eines erwachsenen Menschen entfallen etwa 99 Prozent auf die lakunären und kanalikulären Oberflächen. Resorption und Ablagerung auf dieser Oberfläche dienen sowohl der Regulierung der Plasmakalziumkonzentration als auch der Erneuerung von Knochenmaterial. Diese Erneuerung kann besonders wichtig sein, da sich alle Verbundmaterialien mit der Zeit in ihren physikalischen Eigenschaften verändern. Es ist nicht bekannt, ob sich die Knocheneigenschaften ausreichend ändern, um eine biologische Konsequenz zu haben, aber in dem Maße, in dem eine solche Änderung auftritt, würde die Erneuerung um die Osteozyten für die physische Erhaltung des Knochenstrukturmaterials sorgen.