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Teil 3: Biomechanische Aspekte des Halte- und Bewegungssystems

In einer auf insgesamt vier Teile angelegten Artikelserie gibt uns Priv.-Doz. Dr. med. Klaus Abendroth, Internist und Rheumatologe aus Jena, einen historischen Abriss über Meilensteine in der Geschichte der Osteologie – mit aller Sorgfalt zusammengestellt, aber ausdrücklich aus individueller Sicht und ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Biomechanik ist nach Benno Kummer (2005) die Anwendung der Gesetze der Mechanik auf ein biologisches Substrat, vor allem die Reaktion des Organismus und seiner Bauteile auf die mechanische Inanspruchnahme. Dabei handelt es sich um­ Stoffwechsel- und Wachstums-Vorgänge, die zur Ausbildung einer bestimmten Gestalt und Struktur führen. Diese Rückkoppelung unterscheidet grundsätzlich die Bio­mechanik von der technischen Mechanik.

Knochenstrukturen

Für die Biomechanik bedeutsam sind zum einen kompakte, kortikale meist röhren-/ringförmige Knochen, die den Ansatz für Muskeln und Sehnen bieten, und zum anderen leichter verformbare, knorpelfreundliche Knochenbereiche mit vorwiegend trabekulären Strukturen.

Kortikalis / Kompakta

Neben rein mechanischen Eigenschaften der Röhrenknochen (s. Abb 1.) spielt die spezielle Form des Remodeling im kompakten Knochen wie im Schema von Kummer (s. Abb. 2) für dessen Bruchfestigkeit eine Rolle.

Die zunehmende Spongio­sierung der Kompakta im Altersgang wie sie Zebace 2010 beschrieben hat (s. Abb. 3) sind für die mechanische Stabilität in der Praxis bedeutsam.

Spongiosa

Die vernetzte Struktur der Spongiosa als Hauptbestandteil der Wirbelkörper ist im Vergleich zur Kompakta weniger steif. Der Grad und die ­ Richtung der Vernetzung sind entscheidend für deren Knochenstabilität, wie Mosekilde 1993 und Felsenberg an Beispielen zeigten (s.Abb. 4). Aber auch die gelenknahe Spongiosa unterliegt ähnlichen Veränderungen wie beispielhaft der SINGH-Index am proximalen Femur mit Zug- und Drucktrabekeln zeigt. Die Form der zellulären Umbaueinheit im Remodeling und mögliche Folgen im Altersgang für die Strukturdichte zeigen die Abb. 5 und 6.

 

Die gelenknahen Knochenstrukturen

Für die Biomechanik bedeutsam sind Knochen mit unterschiedlichen­ Kompakta- und Spongiosa-­ Anteilen, wie die in Abb. 7 ausgewählten Beispiele zeigen. Die beiden differenten Knochen-Anteile dienen mit ihrem Übergang von kompakten zu­ trabekulären Knochen (s. Abb. 8) der Kraft- und Last-Verteilung von der engen, sehr stabilen, ringförmigen Struktur auf eine großflächige­ trabekuläre Schwammstruktur. Dadurch wird die punktförmig hohe Last auf eine wesentlich größere, weniger steife Fläche verteilt und damit auf das normale Belastungsniveau des Knorpels und der Epiphyse reduziert.

Die Metaphyse

Die Metaphyse ist der Bereich zwischen der Epiphyse (Gelenkbereich) und der Diaphyse der Röhrenknochen. Es ist der Übergangsbereich zwischen der enchondralen und der rein periostalen Wachstumszone eines Knochens. Es ist der Ort

• typischer Osteoporose-assoziierter Frakturen,

• mit eigenen Frakturheilungsstrukturen (meist ohne Callus!),

• der bevorzugten Lokalisation von Tumoren und Metastasen,

• des Bereichs der enchondralen Wachstumszonen –> Epiphysenfuge,

• mit meist eigenem Blutversorgungssystem.

 

Muskelkraft und Knochenadaptation

Knochen, Gelenke und Muskeln sind genetisch geprägt, embryonal eine strukturelle und funktionelle Einheit des Bewegungssystems, durch Wachstum bis zur Peak Bone Mass ent­wickelt und im Laufe des Lebens an die jeweiligen Beanspruchungen durch zelluläre Umbau­prozesse­ adaptiert. Folgende Eckpunkte sehe ich in der Entwicklung dieser­ Erkenntnis:

• Der Knochen wird durch einwirkende Kräfte geformt und kann sich entsprechend­ adaptieren (Wolff’sches Gesetz, 1869)

• Muskelkräfte dominieren dabei die Gravitationskräfte (Pauwels 1965) (s. Abb. 11).

• Formen der Knochen sind durch Genetik determiniert, werden dann direkt durch Muskelkräfte final geformt (Kummer 2005) (s.Abb. 12).

• Muskelkraftveränderungen (unter Immobilisierung oder Training) erfolgen schneller als die folgenden Knochenmasse-/-struktur- Veränderungen.

• Die mechanisch ausgelösten Adaptationsprozesse werden durch nichtmechanische (z.B. endokrine) Prozesse moduliert –> Utah-Paradigma (H. Frost / W. Jee 1996).

Im Wolff‘schen Transformationsgesetz (s. Abb. 10) wird die­ Anpassung an Belastungs-Veränderungen sowohl in der  Gesamtform der betroffenen Knochen als auch in deren Spongiosa-Anteilen beschrieben. Pauwels (s. Abb. 11) entwickelte die biomechanischen Grundlagen des Skelettsystems, die Biomechanik der Knochenheilung, und prägte so die funktionelle Orthopädie.

Sein Schüler Prof. Benno Kummer erweiterte als Anatom experimentell die biomechanische Grundlagenforschung, bezog embryonale Aspekte in seine Beobachtungen ein (s. Abb. 12) und bestätigte die Rolle der ­Muskelkraft für die Knochenentwicklung.

Die moderne Knochenphysiologie hat Harold Frost (s. Abb. 13) nicht nur in den USA geprägt. Als Orthopäde hat er sich wissenschaftlich mit der Knochenhistologie und dann mit der Interaktion von Knochen und Muskelkraft beschäftigt. Seine­ Mechanostat-Hypothese (1987) entwickelte er in den legendären Sun Valley Workshops zum Utah-Paradigma. An selbigem Ort begann auch die Freundschaft zu dem deutschen Unternehmer Hans Schießl (s. Abb. 16), der als Techniker kongenial die Ideen und Erkenntnisse von Harold Frost in ­ praxisrelevante Maschinen umsetzte.

Er trug so dazu bei, in Deutschland die Vorstellungen zur biomechanischen Entstehung einer Osteoporose zusammen mit Prof. Dieter Felsenberg zu etablieren, der mit seinen Bed Rest Studien der Weltraummedizin wichtige, auf den Erkenntnissen des­ Utah-Paradigmas basierende Impulse gab.

Utah-Paradigma (1992): das ­ Mechanostat-Theorem der ­ Knochenphysiologie

Knochenadaptation und -umbau werden biomechanisch über Verformung der Knochen geregelt und hormonell gesteuert – formuliert vom Orthopäden Harold Frost (s. Abb. 13) und dem Radiologen Webster Jee. Es gibt dabei eine physiologische Verformungsschwelle zum Erhalt der über die Peak Bone Mass erreichten­ Knochenstruktur. Hier haben Östrogen und Testosteron einen bestimmenden Einfluss. Die Stärke der Verformung bestimmt die jeweilige Reaktion des Knochengewebes (s. Abb. 14). Die zentrale Rolle für Verformungen der Knochenstruktur spielt die Muskelaktivität, die die Schwerkraft überwinden muss.

Am Beispiel eines Wirbelkörpers wird der notwendige ­ Verformungsgrad in Abb. 14 abgebildet. Bei Überschreiten der physiologischen Verformungsschwelle – dem Steady state / Remodeling-Bereich – wird der Knochenanbau/­ Modeling stimuliert (z.B. bei Therapie mit Krafttraining). Bei weiterer Steigerung der Verformung reicht der ­Knochen-Anbau nicht mehr, es kommt zu Mikro- und Makrofrakturen.

Bei Unterschreiten der physiologischen Verformungsschwelle – z.B. bei körperlicher Inaktivität – wird die nicht mehr erforderliche Knochenfestigkeit über eine negative Bilanz im Remodeling zurückgebaut. Diese biomechanische Regelung des ständigen Erneuerungsprozesses der Knochen wird mit der Anhebung der Verformungsschwelle durch den Ausfall der Sexualhormone moduliert. Das klinische Problem ist, dass z.B. die postmenopausale Frau mehr Verformungsenergie zum Erhalt ihrer Knochenstruktur aufwenden muss. (s. Abb. 15).