Knochenentwicklung und Ossifikation

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:

• Chondrale Ossifikation: Ein hyalines Knorpelmodell wird aus dem Mesenchym gebildet, das dann durch Knochen Knochen Aufbau der Knochen ersetzt wird.
• Desmale Ossifikation: Knochen Knochen Aufbau der Knochen entwickeln sich direkt aus Mesenchym.

Wiederholung: Aufbau des Knochens

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

• Periost Periost Aufbau der Knochen
• Kompakta und Spongiosa
• Enost
• Knochenmark Knochenmark Knochenmark: Zusammensetzung und Hämatopoese

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“)
  • Innere Schicht bestehend aus einem Gitter dünner Knochengewebestücke (Trabekel/”Knochenbälkchen”), welches ein dreidimensionales, durchgehendes Röhrensystem bildet
  • Als Tubuli ossei bezeichnet und beinhalten Knochenmark Knochenmark Knochenmark: Zusammensetzung und Hämatopoese
  • Vorzufinden an den Enden langer Röhrenknochen und in der Mitte von Ossa plana (flachen Knochen Knochen Aufbau der Knochen), Ossa brevia (kurzen Knochen Knochen Aufbau der Knochen) und Ossa irregularia (unregelmäßigen Knochen Knochen Aufbau der Knochen)

Chondrale Ossifikation

Überblick über die chondrale Ossifikation

• Durch chondrale Verknöcherung gebildete Knochen Knochen Aufbau der Knochen: alle Knochen Knochen Aufbau der Knochen unterhalb des Schädels außer den Klavikulae
• Hyaliner Knorpel dient als Vorlage für die Knochenbildung.
• Überblick des Ablaufs:
  • Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe bilden ein hyalines Knorpelmodell des Knochens.
  • Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe innerhalb des Modells reifen und hypertrophieren → ermöglicht Mineralisierung.
  • Mineralisierung → ↓ Chondrozytenernährung → Chondrozytentod
  • Das Absterben von Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe schafft einen Raum im Knochen Knochen Aufbau der Knochen, der als Lacunae (Lakunen) bezeichnet wird.
  • Gefäße mit Osteoblasten (die neuen Knochen Knochen Aufbau der Knochen aufbauen) dringen in die Lakunen ein.
  • Neuer Knochen Knochen Aufbau der Knochen wird zu reifem Knochen Knochen Aufbau der Knochen umgebaut.

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:
  • In Diaphyse Diaphyse Aufbau der Knochen (Schaft) von Röhrenknochen
  • Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe nahe der Mitte des Knorpelmodells reifen und hypertrophieren.
  • Hypertrophierte Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe verändern den Matrixinhalt (fügen Kollagen Kollagen Bindegewebe X und Fibronektin hinzu) → ermöglicht den Beginn der Mineralisierung.
• Matrixmineralisierung:
  • Führt zu ↓ Nährstoffzufuhr zu Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe → Chondrozyten-Apoptose
  • Löcher (genannt Lakunen) entwickeln sich in der Matrix, wo früher Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe waren.
• 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:
    • Osteoblasten bilden neuen Knochen Knochen Aufbau der Knochen.
    • Osteoklasten bauen Knochen Knochen Aufbau der Knochen und Matrix ab.
  • 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)

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

Ablauf:

• Mesenchymale Zellen kondensieren und differenzieren sich in:
  • Osteogene Zellen → differenzieren sich weiter zu Osteoblasten
  • Kapillaren Kapillaren Kapillaren
• 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:
  • Mittlerer Teil: wird zu einem dauerhaften spongiösen Knochen Knochen Aufbau der Knochen (mittlere Schicht aus flachen Knochen Knochen Aufbau der Knochen)
  • Oberflächenanteile:
    • Verkalken weiter, bis alle Lücken ausgefüllt sind → kompakter Knochen Knochen Aufbau der Knochen
    • Der Umbau erfolgt über Osteoklasten und Osteoblasten, um Lamellenknochen zu bilden.
• Oberflächenmesenchym:
  • Bleibt unverkalkt
  • Wird immer faseriger
  • Differenziert schließlich zu Periost Periost Aufbau der Knochen

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:
   • Am weitesten vom Mark entfernt gelegen
   • Besteht aus ruhendem Knorpel
   • Die Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe verschwinden nach der Pubertät Pubertät Pubertät → „Schließen“ der Wachstumsfugen.
2. Proliferationszone:
   • Chondrozyten Chondrozyten Knorpelgewebe lagern sich in vertikalen Säulen und teilen sich.
   • Führt zu Längenwachstum
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

Knochenmineralisierung

• Calcium (Ca²⁺) und Phosphat Phosphat Elektrolyte (PO₄^3–) verbinden sich zu Hydroxylapatitkristallen auf der Knochenmatrix.
• Kristalle können sich erst bilden, wenn bestimmte Schwellenwerte für Ca²⁺ und PO₄^3– 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 ↑ PO₄^3– -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.