Die Geschichte der Osteologie – ausgewählte Episoden (Teil 2)
Teil 2: Der Knochen lebt
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.
Zur Osteoporose
Gustav Adolf Pommer analysierte 1925 in einer umfangreichen Literaturanalyse das histopathophysiologische Wissen zur Osteoporose. Klinische und experimentelle Beobachtungen und die mühsame Histologie mittels Knochen-Schliff-Präparationen bildeten die Datenbasis. Seine Grunderkenntnisse
zur Physiologie und Pathologie des Knochens formuliert er in zwei Thesen:
- „Apposition und Resorption am Knochen dauern das ganze Leben hindurch an, sie bedingen auch beim Erwachsenen einen langsamen, aber ständigen Umbau des Knochens.“
- „Das Wesen der einfachen Knochenatrophie besteht nicht in einer vermehrten Resorption des Knochens, sondern in einer Verminderung, einer Hemmung der physiologischen Apposition, bei fortdauernder physiologischer Resorption.“
Bei der Osteoporose besteht für ihn ein Missverhältnis von Knochenapposition und Knochenabbau. Das ursächliche Primat sieht er in der Störung des Knochenaufbaus. Hier sind Ernährung/Hunger und Hormone aus seiner Sicht in erster Linie zu diskutieren.
Die Aktivität des Knochenabbaus verbindet er mit dem ossären Gefäßsystem. Er beobachtete die Entwicklung der Osteoklasten aus Zellen im Gefäßwandbereich. Der gestörte Blutfluss im Knochen, die vaskuläre Hyperämie, sei eine entscheidende Komponente, die mit einer Steigerung der osteoklastischen Resorption verbunden ist (hier wird Looser zitiert).
Die intraossäre, vaskuläre Hyperämie sei auch eine Erklärung der örtlich begrenzten Osteoporosen, vor allem bei der Inaktivitätsatrophie (z.B. nach akuter Nervenlähmung), bei entzündungsbedingten lokalen Osteoporosen wie den von Sudeck beschriebenen und bei der gelenknahen Osteoporose bei einer rheumatoiden Arthritis.
Alle Prozesse, die zur Verminderung der Knochenmasse führen, werden unabhängig von ihrer Ursache und Lokalisation als Osteoporose gedeutet.
Das Gefäßsystem des Knochens
Die Aussagen zur Histologie des Knochens waren nach der Knochenschlifftechnik oder nach der Entkalkung von Knochenproben vor der Schnittpräparation durch die dabei auftretende Gewebeschrumpfung eingeschränkt.
Durch die Einführung der Kunststoff/ Metacrylat-Einbettung von Knochenproben und der Knochen-Hartschnitt-Technik wurden die Strukturen der Zellen des Knochenmarks und der gesamte Gewebezusammenhang zum Knochen und dessen Gefäßsystem bei entsprechend schonender Biopsie-Technik wesentlich verbessert.
Aus seinen histologischen Befunden zum Gefäßsystem im Mark und Periost leitete Burkhardt ab, dass
das Blut aus dem Gefäßsystem des Knochens durch die Muskelaktivität abgesaugt / gemolken werden müsse. Er bezog sich dabei auf M. Brookes, der einmal die differente diaphysäre, metaphysäre und epiphysäre Blutversorgung an einem Röhrenknochen darstellte und dazu das Gefäßgeflecht im Mark-Knochen-Periost-Muskelansatz beschrieb, dass die Basis für die von Burkhardt formulierte Muskelpumpe bildet. Es wird bei Kontraktion aufgeweitet und bei Erschlaffung ausgepresst. Seine eigenen histologischen Befunde vom Periost-Bereich mit kleinen, relativ muskelkräftigen Gefäßen bilden dazu das Ventil gegen den Rückstrom in den Markbereich.
Außerdem stellt Burkhardt die besondere Bedeutung der intratrabekulären Bälkchen-Sinus heraus, die durch kapilläre Wandstrukturen als Austausch-Reservoir für Volumen, Botenstoffe und Zellen dienen. Besonders vollgestopfte Sinus waren schon bei Pommern beschrieben (s.o.), mit der Hartschnitttechnik konnte Burkhardt diesen Bereich gut darstellen.
Endostale Oberflächen – Ort des Knochenumbaus / Einführung der Histomorphometrie in die Diagnostik
Prof. Dr. Günther Delling entwickelte die Knochen-Hartschnitttechnik mit der Einführung der systematischen Histomorphometrie mit dem von Merz entwickelten Messokular weiter. Diagnostische Aussagen wurden durch morphometrischen Befunde belegt. Die Darstellung von Parametern für Spongiosa-Volumen und die endostalen Trabekel-Oberflächen und deren Besatz mit zellulären Aktivitäten bildeten die quantifizierbaren Belege für Knochenveränderungen im Altersgang und bei endokrinen und metabolischen Erkrankungen.
Neben den Knochenveränderung bei Endokrinopathien ist besonders Dellings bahnbrechende Klassifikation der renalen Ostopathie zu nennen mit der der Pathologe dem Kliniker gezielte therapeutische Hinweise geben kann.
Remodeling mit Coupling und BMU
Die dänische Schule der Knochen-Histologie in Aarhus entwickelte die Histomorphometrie mit dem zeitlichen Ablauf des normalen Knochenumbaus, das Remodelling, weiter, stellte die Verbindung – das Coupling – von Knochen-Abbau zu -Aufbau als Bone structural unit und den zeitlichen Ablauf mit der Umbaubilanz dar. Die unterschiedlichen Veränderungen in diesem Remodeling-Prozess charakterisieren die verschiedenen Osteopathien, so wird die Osteoporose durch Störungen/Leistungs-Minderung in den Phasen 3 und 4 (des Übergangs vom Abbau zum Knochenanbau, dem Coupling und der Osteoblasten-Aktivität) und der damit verbundenen negativen Bilanz charakterisiert. Besonders auffällig sind die Unterschiede bei Hyper- und Hypothyreose sowie beim Hyperparathyreoidismus.
Botenstoffe: zelluläre Interaktion im Coupling des Remodeling – Das RANK-RANKL-OPG-System
William J Boyle et al. fassten 2003 in der Zeitschrift NATURE das Wissen um die Funktion des 1997 identifizierten „Receptor Activator of NF-κB Ligand“ (RANKL) aus der Familie der Tumornekrosefaktoren (TNF) bei der Regulation des Knochenumbaus zusammen. Damit wurde ein neues Therapie-Ziel in der Osteologie eröffnet.
Mit dem Rezeptor-Aktivator-κB (RANK) in den Oberflächen-Membranen der Osteoklasten stellt der von den Osteoblasten gebildete Ligand (RANKL) eine funktionssteuernde Verbindung zwischen Knochen-Aufbauzellen und -Abbauzellen her. Es kann so die Osteoklastogenese und die Aktivität der Osteoklasten zur Bildung osteolytischer Enzyme stimuliert werden. Gleichzeitig bilden die Osteoblasten zur Steuerung dieses Prozesses den Botenstoff Osteoprotegerin (OPG), der den RANK-Liganden vor der Rezeptorbindung blockieren kann.
Die Osteoblasten selbst werden in ihrer Aktivität hauptsächlich von Parathormon und Vitamin D-Hormon stimuliert. Hier spielen auch bei der Knochenresorption freigesetzte Zytokine eine Rolle. Es wird auch eine mögliche Rolle der Osteozyten in dem Regelsystem angedacht.
Osteozyten: Regelnetzwerk zur Adaptation des Bone Remodeling an biomechanische Anforderungen
Die Osteozyten wurden lange als funktionslose „einge- mauerte Osteoblasten-Reste“ gedeutet. Dann wurde diesen intraossären Zellen mit ihren Zellfortsätzen und Verbindun- gen zu der endostalen Oberfläche und den dort gelagerten Liningzellen – auch Zellen osteoblasteren Ursprungs – eine Rolle bei der Regelung des Calciumspiegels zugeordnet, wie es auch von Prof. Robert Schenk aus Bern in seiner Graphik gezeigt wird. Den zahlreichen Zellfortsätzen der Osteozyten, die die einzelnen Zellen im Knochen miteinander verbinden, und deren mit Gewebsflüssigkeit gefüllten intraossären Räumen wurde einmal die Vermittlung von intraossären Druckveränderungen (Shear stress) zugeordnet, die die Adaptation der Knochenstruktur und ihrer Festigkeit auslösen.
Zum anderen fanden sich auf den Zelloberflächen auch auf den Fortsätzen der Osteozyten Parathormon-Rezeptoren, die bei Aktivierung eine intrazelluläre Reaktion des Sost-Gens und damit einen Knochenabbau auslösen. Die von Amling und Schulz beobachtete Parifizierung des Osteozyten-Netzwerkes im Altersgang signalisiert die im Alter verminderte Knochenadaptation an biomechanische Belastungsänderungen.
In den abschließenden Abbildungen 21 und 22 werden die geschilderten Mechanismen graphisch zusammengefasst.
