Osteoklasten, Knochenumbau und Längenwachstum
Wie mehrkernige Osteoklasten entstehen, Knochen in einem abgedichteten Raum auflösen, von Osteoblasten und Östrogenen gesteuert werden und mit ihnen den lebenslangen Knochenumbau tragen.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Osteoklast ist eine mehrkernige, knochenabbauende Zelle, die durch Fusion einkerniger Vorläufer aus der Monozyten-Makrophagen-Linie entsteht, nicht aus Osteoblasten.
- Über die Versiegelungszone dichtet der Osteoklast einen Abbauraum ab, in den er \(\ce{H+}\) und \(\ce{Cl-}\) abgibt; die Säure löst Hydroxyapatit.
- Die organische Matrix spalten lysosomale Enzyme wie Cathepsin K nach Exocytose; die Bruchstücke nimmt der Osteoklast auf.
- Osteoblasten fördern über RANKL Differenzierung und Aktivierung der Osteoklasten; Östrogene können deren Apoptose auslösen.
- Der Knochenumbau läuft lebenslang, wobei auf osteoklastären Abbau an derselben Stelle osteoblastärer Aufbau folgt; das Längenwachstum erfolgt in der Epiphysenfuge der Röhrenknochen.
Worum es geht
Knochen ist kein fertiges Bauteil, sondern wird ständig abgebaut und erneuert. Die abbauenden Zellen sind die Osteoklasten, das Gegenstück zu den Osteoblasten. Wer ihre Arbeitsweise kennt, versteht Osteoporose und Arzneistoffe wie Denosumab.
Entstehung der Osteoklasten
Ein Osteoklast ist eine große, knochenabbauende Zelle mit vielen Zellkernen. Diese Mehrkernigkeit entsteht nicht durch Kernteilung ohne Zellteilung. Mehrere einkernige Vorläuferzellen verschmelzen vielmehr zu einer einzigen Riesenzelle.
Die Vorläufer stammen aus dem blutbildenden Knochenmark, aus der Linie der Monozyten und Makrophagen. Osteoklasten haben damit eine ganz andere Herkunft als Osteoblasten, die aus mesenchymalen Stammzellen hervorgehen. Eine Verschmelzung von Osteoblasten bringt also keine Osteoklasten hervor. Aufbauende und abbauende Zelle sind zwei getrennte Zelllinien, die eng zusammenarbeiten.
Mechanismus des Knochenabbaus
Knochen besteht aus zwei Anteilen. Das Mineral Hydroxyapatit macht ihn hart, die organische Matrix aus Kollagen Typ I macht ihn zäh. Der Osteoklast greift beide getrennt an, und zwar in einem abgeschlossenen Raum.
Ringförmige Kontaktzone, mit der sich der Osteoklast über einen Aktinring fest an die Knochenoberfläche heftet. Sie dichtet den darunterliegenden Abbauraum gegen die Umgebung ab, sodass Säure und Enzyme nur dort wirken.
Man kann sich das wie eine Saugglocke vorstellen, unter der ein Ätzbad angesetzt wird. Innerhalb des Rings faltet sich die Zellmembran zum Faltensaum. Diese große Oberfläche gibt die Abbaustoffe in den Raum ab.
- Säure bilden: Die Carboanhydrase II erzeugt aus \(\ce{CO2}\) und \(\ce{H2O}\) Protonen und Hydrogencarbonat. \(\ce{HCO3-}\) verlässt die Zelle basolateral im Austausch gegen \(\ce{Cl-}\).
- Säure abgeben: Eine V-ATPase pumpt \(\ce{H+}\), ein Chloridkanal \(\ce{Cl-}\) in den Abbauraum. Dort sinkt der pH-Wert auf etwa 4,5.
- Mineral lösen: Im sauren Milieu löst sich Hydroxyapatit, Calcium und Phosphat werden frei.
- Matrix verdauen: Per Exocytose gelangen lysosomale Enzyme, vor allem Cathepsin K, in den Raum und spalten das Kollagen.
- Reste aufnehmen: Der Osteoklast nimmt die Bruchstücke per Endocytose auf und schleust sie durch die Zelle zur Gegenseite.
Die Auflösung des Minerals lässt sich so formulieren:
\[\ce{Ca10(PO4)6(OH)2 + 8 H+ -> 10 Ca^2+ + 6 HPO4^2- + 2 H2O}\]
Die Enzyme stammen aus Lysosomen, wirken hier aber außerhalb der Zelle. Zurück bleibt eine Grube, die Howship-Lakune. Der Osteoklast baut also nur ab. Organische Matrix bildet er nicht, das ist Aufgabe der Osteoblasten.
Regulation der Osteoklasten
Ausgerechnet die Osteoblasten bestimmen, wie viele Osteoklasten entstehen. Sie fördern deren Differenzierung und Aktivierung. Dazu tragen sie den Liganden RANKL auf ihrer Oberfläche und geben den Wachstumsfaktor M-CSF ab. RANKL bindet an den Rezeptor RANK der Vorläuferzellen und löst deren Reifung und Fusion aus.
Als Bremse bilden Osteoblasten zusätzlich Osteoprotegerin (OPG). Dieser lösliche Köderrezeptor fängt RANKL ab, bevor es an RANK binden kann. Das Verhältnis von RANKL zu OPG entscheidet also über das Ausmaß des Abbaus.
Östrogene schützen den Knochen. Sie können die Apoptose von Osteoklasten auslösen und verkürzen so deren Lebensdauer. Außerdem steigern sie die OPG-Bildung. Sinkt der Östrogenspiegel nach der Menopause, überwiegt der Abbau, und es droht Osteoporose. Mehr zu den Sexualhormonen steht an anderer Stelle.
Der monoklonale Antikörper Denosumab bindet RANKL und wirkt damit wie OPG. Er hemmt die Bildung neuer Osteoklasten und wird bei Osteoporose subkutan gespritzt.
Knochenumbau und Wachstumsfuge
Der Knochenumbau (Remodeling) ist der ständige Ersatz alter Knochensubstanz durch neue. Er endet nicht mit dem Wachstum. Auch beim Erwachsenen wird Knochen lebenslang umgebaut, etwa um Mikroschäden zu beheben und das Gerüst an Belastungen anzupassen. Zugleich dient der Knochen als Calciumspeicher, den Hormone wie Parathormon nutzen.
Die Reihenfolge ist fest: Erst bauen Osteoklasten ab, dann bauen Osteoblasten auf. Nach einer Umkehrphase füllen Osteoblasten die Lakune an derselben Stelle mit Osteoid, das anschließend mineralisiert. Abbau und Aufbau sind örtlich gekoppelt. Osteoklasten locken die Osteoblasten also nicht an, damit diese in andere Knochenabschnitte wandern.
Vom Umbau zu unterscheiden ist das Längenwachstum. Es findet in der Epiphysenfuge statt, der Wachstumsfuge der Röhrenknochen. Diese Knorpelplatte liegt zwischen Epiphyse und Metaphyse, also an den Enden langer Knochen wie Femur oder Tibia. Im Schädelinneren gibt es keine Epiphysenfuge. In der Fuge teilen sich Knorpelzellen, werden größer und verkalken, bevor Knochen den Knorpel ersetzt. Nach der Pubertät verknöchert die Fuge, und das Längenwachstum ist beendet.
Quiz
Aussage 1
Reife Osteoklasten entstehen, indem mehrere Osteoblasten miteinander verschmelzen.
Osteoklasten entstehen durch Fusion einkerniger Vorläuferzellen aus der Monozyten-Makrophagen-Linie. Osteoblasten sind eine eigene, mesenchymale Zelllinie.
Aussage 2
Im Abbauraum unter dem Osteoklasten löst sich Hydroxyapatit, weil die Zelle \(\ce{H+}\) und \(\ce{Cl-}\) dorthin abgibt.
V-ATPase und Chloridkanal säuern den abgedichteten Raum auf etwa pH 4,5 an, wodurch das Mineral in Lösung geht.
Aussage 3
Mit dem Schluss der Epiphysenfugen endet auch der Knochenumbau.
Mit dem Fugenschluss endet nur das Längenwachstum. Der Knochenumbau aus Abbau und anschließendem Aufbau läuft lebenslang weiter.
Aussage 4
Osteoblasten fördern über RANKL die Differenzierung und Aktivierung von Osteoklasten.
RANKL auf Osteoblasten bindet an RANK der Vorläufer und löst Reifung und Fusion aus; OPG fängt RANKL als Köderrezeptor ab.
Aussage 5
Östrogene können die Apoptose von Osteoklasten auslösen und wirken so dem Knochenabbau entgegen.
Deshalb überwiegt nach der Menopause bei sinkendem Östrogenspiegel der Abbau, und es droht Osteoporose.
Aussage 6
Osteoklasten scheiden nach dem Abbau neue organische Knochenmatrix in die Howship-Lakune ab.
Osteoklasten bauen nur ab. Die neue Matrix (Osteoid) bilden die Osteoblasten.
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