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Das Skelett gibt dem Körper Halt. Doch dieses Gerüst ist alles andere als statisch: Ständig werden Knochen erneuert und bei mechanischer Belastung umgebaut. Was dabei genau geschieht und welche Struktur die Knochen steif und fest macht.

von Catarina Pietschmann

Die Röntgenstrahlung war noch nicht entdeckt, als Julius Wolff 1892 das Gesetz der Transformation der Knochen formulierte. Feine Knochenschnitte, hergestellt mit einer Elfenbeinsäge und gegen das Licht gehalten, hatten ausgereicht zu erkennen, dass die feinen Bälkchen im Knocheninneren sich entsprechend der mechanischen Belastung umbauen. Form folgt Funktion, würde man heute sagen. Bei der Knochenarchitektur ist die Designrichtlinie besonders wörtlich zu nehmen. Um Spannung abzubauen und maximale Stabilität zu erreichen, reagiert Knochen aktiv und permanent auf mechanische Reize. Und zwar so, dass in stärker belasteten Bereichen Material angebaut, in entlasteten hingegen entfernt wird. Aber wie und wodurch das ausgelöst wird, darüber rätselt die Wissenschaft auch noch 130 Jahre später.

In der Abteilung Biomaterialien des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam sind zwei österreichische Wissenschaftler mit modernsten Methoden tief in die Thematik eingestiegen – und kommen der Lösung immer näher. Der eine, Richard Wein­kamer, Mathematiker und Physiker, aus Interesse an der Mechanobiologie des Knochens. Der andere, Wolfgang Wagermaier, weil er als Werkstoffwissenschaftler vom natürlichen Hybridmaterial Knochen fasziniert ist. Es geht um grund­legende Erkenntnisse, die einerseits helfen, Knochenkrankheiten besser zu verstehen, andererseits aber auch zu synthetischen Materialien mit interessanten neuen Eigenschaften führen.

Knochen bestehen aus einer an sich weichen Kollagenmatrix, in die feinste Plättchen aus Calciumphosphat eingebettet sind. Dieses Konstrukt verleiht dem Material Festigkeit und Steifigkeit – aber auch eine gewisse Elastizität. «Hybridmaterialien aus Proteinen und Mineralien sind in der Natur weit verbreitet, Perlmutt, Kieselalgen oder Zähne oder eben an Knochen», sagt Wagermaier. «Wären die nur ein weicher Gewebshaufen, wäre Fortbewegung gar nicht möglich. Zugleich dienen Knochen dem Körper auch als Calciumreservoir.» Ein sehr nachhaltiges Materialmanagement also, das auch äusserst sinnvoll ist. Denn die mehr als 200 Knochen eines Erwachsenen, die etwa zehn Prozent des Körpergewichts ausmachen, sind ständig im Umbau. Über die Nahrung immer wieder neu entsprechende Mineralienmengen aufzunehmen wäre kaum machbar.

Innerhalb von zehn Jahren hat sich ein kompakter Knochen wie etwa das Schienbein komplett erneuert. Bei schaumartigen Knochen wie den Wirbelkörpern dauert es sogar nur etwa fünf Jahre. Die Arbeit erledigen Bau- und Abrisskolonnen aus spezialisierten Zellen. 95 Prozent aller Knochenzellen sind jedoch Osteozyten. Als wären sie einer Novelle von Edgar Allan Poe entsprungen, sitzen sie Jahre, teils sogar Jahrzehnte lebendig eingemauert in kleinen Höhlen im Knochen – etwa 30 Millionen Zellen pro Kubikzentimeter. Weil sie an den Umbauprozessen nicht direkt beteiligt und in ihren Höhlen nur schwer zugänglich sind, hatten viele Forschende diesen Zelltyp lange Zeit nicht auf dem Schirm. Richard Weinkamer und Wolfgang Wagermaier interessieren sich umso mehr für sie. Denn Osteozyten haben wichtige Aufgaben, die in Potsdam durch die Kombination verschiedener optischer Methoden, materialwissenschaftlicher Charakterisierungen, mathematischer Berechnungen und Simulationen erforscht werden. Osteozyten sind zum Beispiel am Mineralhaushalt beteiligt, schütten sogar Hormone aus und dienen als Drucksensoren, wie die Forscher kürzlich herausgefunden haben.

Manche ihrer Funktionen können die Osteozyten nur ausüben, weil sie in einem knöchernen Gefängnis sitzen. Und dorthin gelangen sie durch eigenes Zutun. «An diesen Stellen haben Osteoklasten irgendwann einmal kleine Tunnel in den Knochen gefressen. Dann kamen Osteoblasten, mauerten sie Schicht für Schicht wieder zu, sich dabei selbst mit ein und differenzierten zu reifen Knochenzellen – den Osteozyten», erklärt Richard Weinkamer.

Um die eingesperrten Osteozyten zu untersuchen, sägen die Forschenden zunächst eine Probe aus einem Knochen heraus, betten sie in Kunststoff ein und betrachten sie im Elektronenmikroskop. Als Erstes fallen grosse dunkle Flecken auf. Es sind Kanäle, die den Knochen durchziehen und durch die Blutgefässe laufen. Sie sind umgeben von den Osteonen – konzentrische Strukturen ähnlich den Jahresringen einer Baumscheibe und nur eine Nuance dunkler als der helle Teil der Knochenprobe. «Hier um den Blutkanal herum ist der Knochen noch jünger und weniger stark minera­lisiert», erklärt Wolfgang Wagermaier. «Die kleinen, dunklen Flecken mittendrin sind die Lakunen. Und in diesen etwa 15 Mikrometer langen, ovalen Höhlen sitzen die Osteozyten.»

Schaut man sehr genau hin, erkennt man bereits eine feine Struktur, die von den Blutgefässen weg nach aussen verläuft: ein Labyrinth aus Kanälen. Wenn die Forscher die Knochenprobe nun in eine Lösung mit dem fluoreszierenden Farbstoff Rhodamin eintauchen und dann unter ein konfokales Laserrastermikroskop legen, wird die helle, filigrane Struktur auf schwarzem Grund ganz deutlich, wie feinstes Häkelmuster: das lakuno-kanalikuläre Netzwerk. Auch wenn die Zellkörper der Osteozyten fest in den Lakunen sitzen, sind sie über das Kanalnetzwerk und bis zu 80 fingerartige Zellausstülpungen mit ihren Nachbarzellen verbunden. Es erinnert an das neuronale Netzwerk im Gehirn. «Würde man die Kanälchen aus nur einem Kubikzentimeter Knochen aneinanderreihen, würden sie sich zu einer Strecke von etwa 74 Kilometern summieren! Das ist wirklich spektakulär.»

Das Gesetz von Julius Wolff besagt, dass Knochen genau dort verstärkt wird, wo es mechanisch nötig ist. Aber wo befindet sich der Sensor, der diesen Prozess steuert? Dass Zellen mechanisch sensitiv sind, ist bekannt. Doch der Druck, der von aussen auf den recht steifen Knochen wirkt und diesen kaum deformiert, ist nicht ausreichend, um Osteoblasten und Osteoklasten zu aktivieren. Die Osteozyten könnten hier eine wichtige Rolle spielen – so die bereits Anfang der 1990er-Jahre formulierte Fluid-Flow-Hypothese. Die Idee: Das gesamte Netzwerk aus Kanälchen und Höhlen der Osteozyten ist mit Flüssigkeit gefüllt. «Es ist im Grunde wie bei einem nassen Schwamm. Drückt man ihn zusammen, geht die Flüssigkeit dorthin, wo sie rauskann. Bei mechanischer Belastung des Knochens wird die Flüssigkeit des Netzwerks in die breiten Kanäle um Blutgefässe gedrückt», erklärt Weinkamer. Grob gilt: Je stärker der Knochen belastet wird, desto schneller fliesst die Flüssigkeit. «Und diese Information geben die Osteozyten über das Netzwerk bis an die Knochenoberfläche weiter. Dort sitzen die Osteoblasten und Osteoklasten und übernehmen dann.»

Testen liess sich die Hypothese jetzt, weil die Potsdamer Forschenden das Kanalnetz im Knochen abbilden konnten. Mit seiner Kollegin Bettina Willie von der McGill University im kanadischen Quebec untersuchte Weinkamer dafür drei genetisch identische Mäuse. Die Nager wurden narkotisiert, eines ihrer Hinterbeinchen wie im Fitnessstudio in eine Beinpresse gelegt und ein wenig mechanischer Druck auf die Längsachse ausgeübt. Das untrainierte zweite Bein diente als Kontrolle. Anschliessend wurden die Nager für Knochenaufnahmen in den Computertomografen geschoben und wieder aufgeweckt. Das ganze Prozedere durchliefen die Mäuse mehrmals. Die Auswertung aller Daten ergab ein genaues Bild davon, wo nach dem Fitness­training neuer Knochen gebildet wurde und wo nicht. Und tatsächlich: Die Umbauten traten genau dort auf, wo die Simulation es vorhersagte.

Die Knochenbildung vom Embryo bis hin zum ausgewachsenen Wirbeltier folgt einem ausgeklügelten Programm. Der ständige Umbau ist von Anfang an Teil davon. «Alles beginnt mit einer Knorpelanlage. Sobald ein wenig Knochen da ist, wird von innen etwas ab- und aussen angebaut», erklärt Richard Weinkamer. Generell gilt für Knochen: Fehlt der mechanische Reiz, dann schwindet Masse. Ein Problem, das nicht nur durch Bewegungsmangel im Alter auftritt, das vielmehr auch Astronauten während langer Raumflüge zusetzt. Bei Probanden, die für eine NASA-Studie vier Wochen das Bett nicht verlassen durften, schwand neben der Muskel- auch Knochenmasse. Knochen können sich lebenslang umbauen und erneuern. Trotzdem geht es ab etwa dem 35. Lebensjahr mit der Knochendichte bergab. «Warum, das wissen wir nicht. Vielleicht wird auch das Mechanosensing-System der Knochen mit zunehmendem Alter unempfindlicher? Genau wie unsere anderen Sinnesorgane – die Augen, die Ohren – schwächer werden», sagt Wagermaier. Prophylaktisch mit Medikamenten nachzuhelfen hält er nicht für sinnvoll. Lieber durch Bewegung und leichtes Krafttraining gegensteuern. So lässt sich der Druck auf die Knochen aufrechter­halten, damit ihre Restaurierung bis ins hohe Alter nicht ins Stocken gerät.

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