Wie die meisten reifen Bindegewebe enthält Knochen pro Volumeneinheit relativ wenige Zellen, wobei sich folgende Zellarten morphologisch abgrenzen lassen. Osteopro genitorzellen oder auch Knochenvorläuferzellen sind pluripotente fibroblastenähnliche mesenchymale Zellen, die sich auf den endostalen und periostalen Knochenoberflächen befinden [3]. In der Entwicklungsreihe folgen dann Präosteoblasten, welche ein bis wenige Zellagen von den Osteoblasten entfernt liegen und noch zur Zellteilung fähig sind. Aus ihnen gehen Osteoblasten, Knochenbelegzellen (lining cells ) und Osteozyten hervor [4].

Osteoblasten sind differenzierte postproliferativ aktive Zellen, die Knochenmatrix synthetisieren [5]. Sie befinden sich überall dort auf der Knochenoberfläche, wo Wachstum und Anbau stattfinden. Sie zeigen sich als typische Protein produzierende Zellen mit prominentem Golgi-Apparat und rauem endoplasmatischem Retikulum (RER). Osteoblasten synthetisieren alkalische Phosphatase, Kollagen I, Osteocalcin, Sialoprotein, Osteopontin, Proteoglykane sowie Rezeptoren für Hormone und Wachstumsfaktoren [4]. Sie regulieren auch die Mineralisierung der organischen Matrix, wobei die Mechanismen im Einzelnen noch nicht geklärt sind. In Geflechtknochen wird ähnlich wie bei der Knorpelmineralisation die Mineralisation durch Matrixvesikel initiiert, welche durch Knospung von der Osteoblastenmembran entstehen [6]. In Lamellenknochen hingegen sind Kollagenanteile bzw. nichtkollagene Proteine für die Initiation der Mineralisation verantwortlich. Diese findet dort im Wesentlichen vesikelunabhängig im gesamten Gebiet überlappender Kollagenfasern statt [7].

Knochenbelegzellen (lining cells) sind flache inaktive Zellen, die die Knochenoberfläche bedecken und weder Knochen resorbieren noch bilden, möglicherweise sind sie Osteoblastenvorläufer bzw. ruhende Osteoblasten [4].

Osteozyten werden die Zellen genannt, die in die Knochenmatrix eingebaut sind [8]. In erwachsenem Knochen gibt es etwa zehnmal mehr Osteozyten als Osteoblasten [9]. Osteozyten gehen aus Osteoblasten hervor und sind für die Ernährung des Knochens und die Signalvermittlung innerhalb des harten Gewebes zuständig. Jeder Osteozyt liegt in einer Lakune. Kontakte zwischen den einzelnen Osteozyten innerhalb der Matrix bestehen durch dendritische Zellausläufer, die in Canaliculi liegen und durch offene Verbindungen (gap junctions ) interzellulären Austausch ermöglichen [ 10 ] . Da die Au s läu fer nicht die Zementlinien benachbarter Osteone überschreiten, bilden die Osteozyten innerhalb eines Osteons ein Synzytium. Um sie herum liegt ein weitverzweigtes extrazelluläres System bestehend aus den Zellzwischenräumen und der mineralisierten Matrix. Diese beiden Systeme dienen als dreidimensionales Sensorsystem und sind möglicherweise die Mechanosensoren, die dafür verantwortlich sind, dass die Form des Knochens von der Funktion beeinflusst wird, wie schon Wolffs Gesetz es beschreibt [11]. Osteozyten haben bis zu einem gewissen Grad die Möglichkeit, sowohl Knochen zu synthetisieren als auch zu resorbieren [12].

Osteoklasten sind große mehrkernige Zellen, die Knochen, Dentin und Kalkknorpel resorbieren [13]. Kalzifiziertes Gewebe abzubauen, scheint ihre einzige Funktion zu sein. Dadurch sind sie verantwortlich für das Remodellieren des Knochens und die Calciumhomöostase des Gesamtorganismus. Sie sind reich an Tartrat resistenter sa u rer Phosphatase (TRAP) und Kathepsinen und exprimieren Calcitoninrezeptoren [14]. Im Kontakt mit der Knochenoberfläche bilden sie eine wellige Zelloberfläche (ruffled border). Dort findet die Resorption statt. Um diese Zone herum liegt eine mikrosk o pisch helle Zone ( clear zone ), welche mikrofilamentreich ist und der Bindung der Osteoklasten an den Knochen dient [15]. Osteoklasten gehen aus der Fusion mononukleärer Vorläufer der Monozyten-Makrophagen-Reihe aus verschiedenen hämatopoetischen Geweben wie Knochenmark, Milz und peripherem Blut hervor [16]. Diese gelangen auf vaskulärem Wege in den Knochen und differenzieren dort durch osteoblastische Einflüsse zu Osteoklasten [17]. Auch mononukleäre Zellen mit osteoklastischem Phänotyp sind bereits in der Lage, Knochen zu resorbieren, bevor sie zu vielkernigen Osteoklasten herangereift sind. Dabei sind größere Zellen effektiver als kleinere [18]. Die osteoklastäre Funktion wird durch Osteoblasten beeinflusst, welche Faktoren produzieren, die zum Teil in die Matrix mit eingebaut werden und zum Teil lokal sezerniert werden [19]. Da die meisten osteolytischen Faktoren auf Rezeptoren, welche auf Osteoblasten und nicht auf Osteoklasten lokalisiert sind, wirken [20], nimmt man an, dass so aktivierte Osteoblasten in der Folge Faktoren freisetzen, durch welche schließlich Osteoklasten zur Knochenresorption stimuliert werden [21]. Möglicherweise sind auch der Fusionsprozess und die Bildung der welligen Osteoklastenoberfläche osteoblaste n gesteuert. Ein erstes Zeichen für die folgende Resorption ist der Rückzug von Knochenbelegzellen von der Knochenoberfläche, unbekannt ist bisher, wie eine R e sorptionsstelle bestimmt wird [22]. Osteoklasten wechseln zwischen Resorptions- und Ruhephasen, da sie in der Lage sind mehrere Resorptionszyklen zu durchlaufen [23].

Die Knochenmatrix besteht aus Mineralien, Kollagen, Wasser und nichtkollagenen Proteinen. Im allgemeinen sind die einzelnen Komponenten der Matrix proportional im Knochen in konstanter Menge vorhanden. Die Zusammensetzung ist dabei allerdings abhängig von Spezies, Geschlecht, Alter und verschiedenen Krankheiten.

Knochenmineral ist kohlenstoffhaltiges gering kristallines Analogon zu natürlich vorkommendem Hydroxylapatit (Ca 10 [PO 4 ] 6 [OH] 2 ) mit geringerem Calciumgehalt. Es unterscheidet sich von geologischen Apatiten durch seine geringere Größe, seine weniger exakte Stöchiometrie und das weniger perfekte atomare Arrangement [24]. Aufgrund seiner geringen Kristallgröße und damit einer pro Gewichtseinheit großen Oberfläche stehen eine große Anzahl von Mineralpartikeln für den Austausch und die Reaktion mit anderen Geweben bzw. Blut zur Verfügung. Die Apatitkristalle lagern sich immer parallel zur langen Achse der Kollagenfibrillen an der organischen Matrix an [25].

Als Osteoid wird die nicht mineralisierte organische Knochenmatrix bezeichnet, welche zu etwa 95 % aus Kollagen I besteht. Osteoblasten produzieren in Zellkulturen ausschließlich Kollagen I. Dieses besteht aus Tropokollagen, welches eine Tripelhelix aus 3 Polypeptidketten darstellt, zwei identischen α-1-Ketten und einer α-2-Kette, die über Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Die Moleküle gelangen vom RER zum Golgi-Apparat und werden in Vesikeln sezerniert. Durch Abspaltung der C- und N-Termini wird die Löslichkeit vermindert. Fibrillen entstehen extrazellulär durch die überlappende Zusammenlagerung der einzelnen Kollagenmoleküle mit definierten Abständen, wobei die intermolekulare Verbindung von Aldehyden des Lysins und Hydroxylysins deren Festigkeit und Zugstabilität erhöht [26]. Es wird angenommen, dass die früheste Mineralisierung in den Zwischenräumen dieser Fibrillen stattfindet [25]. Kollagen dient dabei als passive Vorlage für die gerichtete Mineraldeposition. Die korrekte Bildung von Kollagen I und dessen Anordnung sind essentiell für die Entstehung von mechanisch stabilem Knochen. Normalerweise findet die Matrixablagerung polarisiert in Richtung der Oberfläche des Knochens statt, manchmal jedoch werden die Osteoblasten ringsherum eingebaut und bilden dann die nächste Schicht Osteozyten [26].

Nichtkollagene Proteine spielen eine wichtige Rolle im Knochenmetabolismus. Sie machen etwa 5 % des Osteoidgewichts aus. Von Knochenzellen synthetisierte nichtkollagene Proteine sind Osteonectin, Osteopontin, Osteocalcin (Gla-Protein), Phosphoproteine, Proteoglykane, Sialoprotein und Proteolipid [27].

Osteonectin, ein Phosphoglykoprotein mit einem Molekulargewicht von ca. 35-45 kD, bindet mit hoher Affinität an Hydroxylapatit und Calcium aber auch an Kollagen I. Osteonectin kommt weit verbreitet im Körper vor, wird allerdings im Knochengewebe besonders stark exprimiert. Bindet Osteonectin an Kollagen, so erhöht es die Fähigkeit des Kollagens, Mineralkristalle zu binden, damit stellt es einen Promotor der Mineralisation dar [28].

Osteopontin ist ein saures Phosphoglykoprotein mit einem Molekulargewicht von ca. 44-75 kD, welches während der frühen Osteogenese die Anlagerung von Osteoblasten an die extrazelluläre Matrix fördert [29]. Außerdem kann es die Bindung von Osteoklasten während der Resorption stimulieren [30]. Schließlich wirkt es mit bei der Regulierung der Kristallgröße bei der Mineralisation und soll das Apatitwachstum hemmen, vermehrt findet es sich an der Mineralisationsfront [31]. Osteopontin ist wie auch Osteonectin nicht knochenspezifisch, sondern findet sich noch in weiteren Geweben [29].

Im Gegensatz dazu kommt das mit dem Osteopontin strukturverwandte Sialoprotein außer im Knochengewebe nur noch im Trophoblasten vor. Es findet sich in Osteoid, istaber besonders reichlich an Mineralisationsfronten lokalisiert, sein Effekt auf die Mineralisation allerdings noch nicht geklärt [32].

Osteocalcin wirkt regulierend auf die Aktivität der Osteoklasten und ihrer Vorläufer und somit auf die Knochenresorption [33]. Da ihm auch eine hemmende Wirkung auf das Apatitkristallwachstum zugeschrieben wird, markiert Osteocalcin möglicherweise den Umschlagpunkt von Knochenformation zu Knochenresorption [34]. Beschrieben wird auch eine Komplexbildung zwischen Osteocalcin und Osteopontin [35]. Osteocalcin wird im Serum als Index für den Knochenmetabolismus gemessen, außerdem nimmt man an, dass Osteocalcin eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Knochenhomöostase spielt [36].

Phosphoproteine hemmen zum Teil die Bildung von Hydroxylapatit [37]. Phosphoproteinkonzentrationen sind an der Mineralisationsfront und in ektopen Kalzifikationen erhöht. Außerdem haben einige Phosphoproteine die Fähigkeit, in vitro die Bildung von Hydroxylapatit aus metastabilen Calcium-Phosphat-Lösungen zu fördern [38].

Proteolipide scheinen eine direkte Rolle bei der Mineralbildung zu spielen. Sie sind Bestandteile der Knochenzellmembranen. Proteolipide und ihr Bestandteil, ein saurer Calcium-Phospholipid-Phosphat-Komplex, werden an Zell- oder Matrixvesikelmembranen vor der Mineraldeposition gebildet und rufen dort die Initiation der Mineralablagerung hervor [39].

Proteoglykane (Decorin, Biglykan, u.a.) bestehen aus einem Kernprotein, an das kovalent Glukosaminoglykane gebunden sind, welche aus sich wiederholenden sulphatierten Kohlenhydrateinheiten wie Chondroitinsulphat, Dermatansulphat, Keratansulphat, Heparansulphat und Hyaluronsäure zusammengesetzt sind. Die verschiedenen Proteoglykane beeinflussen die Zell-Matrix-Interaktion und den Zellmetabolismus [40]. Möglicherweise regulieren sie die Hydrierung, Ernährung und Mineralisation des Gewebes [41].

Wachstumsfaktoren spielen bei den lokalen Regelmechanismen der Knochenformation und –reparation eine wichtige Rolle [42,43,44,45]. Die wichtigsten Vertretergruppen werden nachfolgend beschrieben, mit Ausnahme von insulin-like growth factor (IGF), welcher unter 1.2.3 ff. eingehend behandelt wird. Vertreter aus jeder dieser Gruppen beeinflussen auch die Osteogenese während der embryonalen Entwicklung.

Fibroblast growth factors (FGFs) gehören zu einer Familie, welche aus 9 strukturverwandten Proteinen besteht [46]. Saurer und basischer FGF respektive FGF-1 und FGF-2 wurden zuerst entdeckt, weisen eine Homologie von 55 % auf und binden an den gleichen Rezeptor. Saurer FGF ist ein 16 kD und basischer FGF ein 17 kD Polypeptid [47]. Außer von Knochen- und Knorpelzellen werden FGFs auch von Monozyten und Makrophagen gebildet. Bisher hat man vier FGF-Rezeptorgene isoliert, die multiple Isoformen eines FGF-Rezeptors vom Tyrosinkinasetyp kodieren. FGFs sind während der Frakturheilung von Bedeutung [48]. Im Tierversuch zeigte FGF-1 einen positiven Effekt auf die Kallusmenge und den Mineralsalzgehalt [49]. Die Ergebnisse von Studien zu basischem FGF zeigten diesbezüglich widersprüchliche Ergebnisse [50,51].

Platelet derived growth factor (PDGF) ist ein 28-35 kD-Dimer bestehend aus den zu 60 % homologen Peptiden A und B, so dass 3 verschiedene Formen vorkommen. PDGF-AB und BB sind systemische Wachstumsfaktoren, PDGF-AA kommt als lokaler Wachstumsfaktor im Knochen vor [45]. Synthetisiert wird PDGF von Thrombozyten, Monozyten, Makrophagen und Endothelzellen. Die Wirkung von PDGF wird durch einen spezifischen Rezeptor vom Tyrosinkinasetyp vermittelt, welcher aus zwei Untereinheiten gebildet wird, die im Rahmen des Bindungsvorgangs ein Dimer bilden [52]. PDGF-Rezeptoren findet man auf Zellen des Skelettstoffwechsels, sowohl während der embryonalen Skelettbildung, als auch bei Reparationsvorgängen nach Frakturen beim erwachsenen Individuum [53,54]. PDGF wirkt chemotaktisch auf Osteoblasten und vorläuferzellen, stimuliert aber auch die Vermehrung von Fibroblasten [55]. Er ist ein wichtiger Faktor bei der normalen Wund- und Frakturheilung [56].

Transforming growth factors (TGFs- )kennt man fünf Subtypen, die TGFs- 1-5 genannt werden. Sie sind 25 kD Homodimere mit einer 60 bis 80 prozentigen Übereinstimmung der Aminosäuresequenz. Die verschiedenen TGFs- sind, sowohl innerhalb einer Spezies als auch beim Vergleich verschiedener Spezies untereinander sehr ähnlich. Drei TGF--Rezeptortypen I-III findet man auf vielen unterschiedlichen Zelltypen. Eine lösliche Form des Typ III TGF- Rezeptors wurde im Serum gefunden und fungiert als TGF- Bindungsprotein [57]. Osteoblasten weisen die größte Anzahl TGF--Rezeptoren auf ihrer Oberfläche auf [58]. TGF-s steigern die Kollagensynthese und sind in der Lage eine orthotope enchondrale Ossifikation zu induzieren [59,60]. Mesenchymale Stammzellen werden von TGF- zu Proliferation und Differenzierung veranlasst [61,62]. Knochenmatrix ist das größte TGF- Reservoir des Körpers [63]. Tierexperimentelle Untersuchungen zeigen eine Beschleunigung der Frakturheilung bzw. des Implantateinwachsens durch Applikation von TGF-s [64,65,66,67,68].

Bone morphogenetic proteins(BMPs) sind eine Gruppe von mindestens 15 verschiedenen Glykoproteinen, welche in geringen Konzentrationen im Knochen vorkommen und zumeist als Wachstumsfaktoren fungieren. Sie liegen als 30-38 kD Homodimere vor, haben eine Länge zwischen 100 und 140 Aminosäuren und sind sowohl innerhalb einer Spezies, als auch bei verschiedenen Spezies untereinander sehr ähnlich. Sie gehören alle außer BMP-1 mit TGF- einer Superfamilie an [57]. BMPs sind verantwortlich für die osteoinduktiven Eigenschaften von demineralisierter Knochenmatrix [69]. Durch Stimulierung der Proliferation und Differenzierung mesenchymaler Vorläuferzellen zu Osteoblasten und Chondroblasten beeinflussen sie die enchondrale Knochenbildung [70]. BMPs beeinflussen auch pathologische Knochenbildungsprozesse bei heterotopen Ossifikationen und Knochentumoren [71]. TGFs-ß und BMPs werden von Zellen des Knochenstoffwechsels produziert, wirken chemotaktisch auf Osteoblasten und Osteoprogenitorzellen und beeinflussen deren Proliferation und Differenzierung [72,73].

Origination ist der erste Schritt des Remodellierungszyklus. Es ist nicht bekannt, was die Origination einer neuen BMU initiiert, allerdings sind viele Faktoren wie Hormone, Zytokine und Wachstumsfaktoren insbesondere auch IGF-I daran beteiligt, dass die notwendigen Zellen zum Ort des Umbaus gelangen [87]. Zum Teil sind Mikrofrakturen die Ursache oder auch mechanosensorische Signale von Osteozyten oder Knochenbelegzellen [88]. Durch Signale von bereits vorhandenen Zellen der BMU bzw. Osteozyten werden Osteoklasten und –vorläufer aus dem Blut zum Ort der Remodellierung geleitet. Jeder Umbauzyklus beginnt mit der Aktivierung von Osteoklastenvorläufern zu mehrkernigen Osteoklasten, welche die Resorption beginnen [80]. Da die Lebensdauer der einzelnen Zellen einer BMU kürzer ist als die der gesamten BMU, müssen ständig Zellen aktiviert werden, d.h. Origination findet pro BMU nur einmal statt, Aktivierung hingegen kontinuierlich entlang der Ausbreitungsfront der BMU [85].

Während der Resorption werden Wachstumsfaktoren wie TGF- , FGF und IGF aus der Matrix freigesetzt, welche im vorangegangenen Zyklus dort eingelagert worden sind. Diese sind wichtig für die Rekrutierung von Osteoblasten und somit möglicherweise für die Kopplung von Resorption und Formation. Die Resorption wird in 2 Phasen unterteilt: eine etwa 8 Tage dauernde schnelle Resorption durch mehrkernige Osteoklasten und eine ca. 34 Tage dauernde langsamere Resorption durch mononukleäre Zellen [83]. Osteoklasten sind ca. 12 Tage aktiv und gehen dann durch TGF- gesteuerte Apoptose zugrunde [80]. Die Erosionstiefe ist von der Lebensdauer der Osteoklasten abhängig. In kortikalem Knochen dauert die Erosion durch die Osteoklasten 30 Tage, wobei ein Tunnel mit einem Durchmesser von ca. 150 µm entsteht. Diese Phase wird nochmals unterteilt in eine ca. 10 Tage dauernde präosteoklastische Phase und eine ca. 15 Tage dauernde monozytische Phase [83]. Die Erosionsperiode in spongiösem Knochen dauert ca. 43 Tage und wird in eine 7 tägige osteoklastäre Resorptionsphase und eine anschließende 36 tägige mononukleäre Resorptionsphase unterteilt. Die Erosionstiefe beträgt etwa 60 µm [83]. Zwei Varianten von Erosionsoberflächen werden in kortikalem Knochen gefunden: eine kegelförmige mit Osteoklasten und eine eher flache ovale ohne Osteoklasten [89]. Diese flacheren Resorptionslakunen entstehen möglicherweise durch eine zeitlich begrenzte Unterbrechung oder eine vollständige vorzeitige Beendigung der Resorption. Beide Produkte der Resorption werden Howship’sche Lakunen genannt. In ähnlicher Form ist dies auch für spongiösen Knochen beschrieben [90].

Nach Beendigung des Resorptionsvorganges wandern Präosteoblasten in das Gebiet ein, die zu Osteoblasten differenzieren. Diese bilden neue Knochenmatrix, welche in der Folge mineralisiert. Nach einer ca. 5 Tage dauernden Phase der Präosteoblasteneinwanderung folgt die osteoblastische Matrixsynthese [83]. Die Matrix kalzifiziert nach 15 bis 20 Tagen in der gleichen Geschwindigkeit, wie das Osteoid angelagert wird, welche nach Tetrazyklinlabelmessung ca. 1 µm/d beträgt [91]. Dieser Zeitraum wird auch verzögerte Mineralisationszeit genannt ( mineralization lag time ) [ 83 ] . Die Osteoblasten verringern langsam die Osteoidproduktion und werden dabei flacher. Einige werden zu Osteozyten, andere zu Knochenbelegzellen [92]. Die gesamte Formationsphase dauert im kortikalen Knochen ca. 90 Tage. Der neugebildete Knochen füllt den durch die vorangegangene Resorption entstandenen Tunnel mit einer durchschnittlichen Wanddicke von 40 bis 60 µm und lässt einen Zentralkanal von ca. 30 µm Durchmesser frei. Die gesamte Formationszeit beträgt in spongiösem Knochen etwa 145 Tage, wobei die Resorptionslakunen ebenfalls mit ca. 40 bis 60 µm dickem neuen Knochen gefüllt werden [83]. Auch nach abgeschlossenem Remodellierungs zyklus schreitet die Mineralisation weiter fort, wodurch älterer Knochen um bis zu 25 % dichter als jüngerer erscheint [78]. Die Dauer dieses Vorganges ist bislang nicht bekannt.

Man geht davon aus, dass in gesundem Knochen durch die Kopplung ( coupling ) der Formation an die Resorption in den BRUs die resorbierte Menge Knochen durch die gleiche Menge neuen Knochen ersetzt wird. Diese Theorie wird auch Quantumkonzept des Knochenumbaus genannt [81]. Dabei beschreibt der Begriff Kopplung eine zeitliche Folge von Abläufen, wodurch gesichert ist, dass der in der osteoklastären Resorptionsphase entfernte Knochen in der osteoblastären Formationsphase wieder ersetzt wird. Ein Ungleichgewicht entsteht dadurch, dass entweder die Resorptionslakunen nicht vollständig oder über das ursprüngliche Maß hinaus gefüllt werden. Für diesen Kopplungsprozess erweist sich die mechanische Stimulation als wichtig, da z.B. Immobilisation durch Entkopplung von Formation und Resorption zu einer negativen Knochenbilanz führt [ 86 ]

Kortikaler Knochen ist kompakt und dicht wie z.B. die Diaphysen langer Röhrenknochen oder die Grund- und Deckplatten von Wirbelkörpern. Der Umbau findet durch BRUs statt, die in kortikalem Knochen ca. 400 µm lang und 200 µm breit sind [97]. Eine BRU bohrt sich wie ein Kegel durch die Kortikalis und hinterlässt neugebildeten Knochen. Eine komplette BRU wird auch als Haverssystem oder Osteon bezeichnet, welches aus konzentrisch angeordneten Knochenlamellen besteht. Im Zentrum befindet sich der Havers’sche Kanal, der Blutgefäße enthält. Zumeist liegen die Kanäle parallel zueinander in Richtung der Knochenlängsachse. Bei normalem Knochenstoffwechsel und normaler Größe existieren beim erwachsenen Menschen ca. 21x10⁶ BSUs mit einer Gesamtumbaufläche von 3,5 m² [93]. Normalerweise hat die Kortikalis eine Porosität von weniger als 5 %, welche durch die Havers’schen Kanäle oder den Umbau entsteht. Bei erhöhter Umbaurate ist mit einer Erhöhung der Porosität und einer Verringerung der kortikalen Knochenmasse zu rechnen. Jedoch kann durch intrakortikale Remodellierung nie eine positive Knochenbilanz entstehen, wie z.B. an spongiösen Knochenoberflächen [98]. Kortikaler Knochen kann in zwei funktionell verschiedene Typen eingeteilt werden: periostalen und endostalen Knochen. Die periostale Knochenoberfläche spielt eine wichtige Rolle bei appositionellem Wachstum und Frakturheilung. Hier entsteht ein Knochenzuwachs, der sich an langen Röhrenknochen als Vergrößerung des Durchmessers bemerkbar macht. Die endostale Knochenoberfläche zeigt eine höhere Umbauaktivität vermutlich aufgrund der Nähe zum Markraum mit seiner Zytokinumgebung oder der größeren mechanischen Belastung. Hier überwiegt Resorption die Formation, was zu einer Vergrößerung des Markraums führt [86].

Spongiöser Knochen besteht aus knöchernen Trabekeln, dünnen Platten oder Stäben, mit einer Dicke zwischen 50 µm und 400 µm, die honigwabenartig verbunden sind, wodurch bei minimalem Gewicht eine maximale mechanische Belastbarkeit gegeben ist. Die Strukturen adaptieren ihre Ausrichtung gemäß der auftretenden Belastungen. Eine spongiöse BRU entspricht morphologisch einer in der Mitte längs durchgeschnittenen kortikalen BRU, es entsteht also eine plattenartige halbmondförmige Struktur, die ca. 300 µm dick ist und mehrfach so lang [85,99]. Ihre Funktionsweise gleicht der im kortikalen Knochen, nur entsteht am Ende kein röhrenförmiges Osteon, sondern ein neues Knochenpaket oder eine neue Knochenwand, was dann trabekuläres Osteon genannt wird. Man schätzt, dass eine Gesamtzahl von 14x10⁶ trabekulären Osteonen existiert, bei einer totalen trabekulären Oberfläche von 7 m² [93]. Im Gegensatz zu kortikalem Knochen ist spongiöser Knochen aufgrund seiner Anatomie zur Mikrokallusbildung in der Lage. Ein weiterer Unterschied sind die in kortikalem Knochen nicht vorkommenden Knochenbelegzellen, die in spongiösem Knochen am Umbau beteiligt sind. Weiterhin können in spongiösem Knochen durch Umbauvorgänge Trabekelanteile aus dem Zusammenhang isoliert werden. Nach einer solchen Kontinuitätsunterbrechung sind die strukturelle Funktion und die Möglichkeit, mechanische Kräfte aufzunehmen, aufgehoben und das Fragment wird resorbiert [84,100,101,102].

Wachstumshormon ( growth hormone bzw. GH), welches auch Somatotropin (STH) genannt wird, wird in der Adenohypophyse in den α-Zellen, die auch als somatotrophe Zellen bekannt sind, gebildet. Das Gen für das Hormon liegt auf Chromosom 17.

Abbildung 1.21:Wachstumshormon (human) in seiner Struktur (368)

Wachstumshormon ist ein Peptidhormon, das in verschiedenen Varianten vorkommt. Zu 90-95 % ist es eine aus 191 Aminosäuren bestehende Einzelkette mit 2 Disulphidbrücken und einem Molekulargewicht von ca. 22 kD [150]. Eine 20 kD Variante, die 15 Aminosäuren kürzer ist, macht 5-10 % aus [151]. Weitere abgewandelte Varianten finden sich in der Plazenta. Posttranslationale Modifikationen wie Azylierung, Deamidierung und Glykosylierung sind ebenfalls beschrieben [152,153,154] GH von Mensch und Schwein unterscheiden sich in 61 Aminosäuren [155,156,157,158]. Eine Unterscheidung der Spezieszugehörigkeit erfolgt durch Voranstellung eines entsprechenden Buchstabens (z.B. h-GH/p-GH für humanes respektive porcines GH). Weitere Modifikationen werden ebenfalls durch entsprechende Buchstaben bzw. Buchstabengruppen gekennzeichnet.

Zwei Peptide aus dem Hypothalamus regulieren die Synthese und Ausschüttung von GH über spezifische Rezeptoren auf den α-Zellen. Sie gelangen über das hypophysäre Pfortadersystem zum Wirkort. Das Freisetzungshormon ( growth hormone releasing hormone bzw. GHRH), welches als Dekapeptid vom medioventralen Hypothalamus sezerniert wird, steigert die Sekretion von Wachstumshormon aus der Adenohypophyse [159,160]. Das Somatostatin ( growth hormone inhibiting hormone bzw. GHIH), ein ebenfalls aus dem Hypothalamus stammendes Tetradekapeptid, hemmt die Freisetzung [161,162]. Synthese und Sekretion von GHRH und GHIH werden neuronal und humoral gesteuert sowie durch den Biorhythmus über das limbische System.

Für die biologische Wirkung des Wachstumshormons ist seine pulsatile Freisetzung wichtig [150]. Verschiedene Spezies unterscheiden sich dabei durch spezifische neuroendokrine Rhythmen. Der pulsatile Charakter der GH-Sekretion, der während des gesamten Lebens erhalten bleibt, beruht hauptsächlich auf der Steuerung durch GHIH [163]. Eine Frequenz zwischen einem Puls pro Stunde und einem Puls alle vier Stunden wird angegeben. Erhöhte GH-Spiegel entstehen durch größere Amplituden und nicht durch erhöhte Pulsfrequenz. Die GH-Sekretion erfolgt primär während des Schlafes, die höchsten GH-Spiegel treten während der ersten Slow-wave-Phase auf. Hohe GH-Spiegel konnten während der späten Fetalphase und der Pubertät gemessen werden [164]. Mit dem Alter nimmt die GH-Sekretion ab, was auch Somatopause genannt wird [165,166]. Auch von anderen Faktoren wie Geschlecht, Schlaf, Sport, Ernährung und Krankheiten wie Diabetes mellitus wird die GH-Freisetzung beeinflusst [167,168,169,170,171,172]. Provokationstests für die Stimulation der endogenen GH-Sekretion sind Fasten, Training bzw. Bewegung, Applikation von L-Dopa, Clonidin, Arginin oder Insulin, wobei die insulininduzierte Hypoglykämie der Goldstandard ist [173]. Die Ausscheidung von GH erfolgt renal. Es wird glomerulär filtriert und im proximalen Tubulussystem abgebaut.

Anlass zu Diskussionen lieferte während der letzten zwei Jahrzehnte immer wieder die Frage, ob GH direkt auf das Gewebe wirkt oder über einen in der Leber produzierten Faktor. Dieser wurde 1957 entdeckt und zunächst Sulphatierungsfaktor genannt, später dann Somatomedin, welches, seit seine insulinähnliche Wirkung bekannt ist, insulinähnlicher Wachstumsfaktor ( insulin-like growth factor bzw. IGF) genannt wird [174,175,176,177]. Die ursprüngliche Somatomedintheorie geht davon aus, dass die Wirkung von GH ausschließlich durch endokrin aktives IGF-I vermittelt wird, dessen Synthese in der Leber durch GH stimuliert wird [178]. Später wurde beobachtet, dass GH und IGF-I in verschiedenen Stadien des Zellwachstums auf die Zellen wirken. GH stimuliert junge Präadipozyten, IGF-I stimuliert die Zellen in einem späteren Entwicklungsstadium [179]. Die daraus entstandene Theorie, dass GH auf die Progenitorzellen wirkt und IGF-I die folgende klonale Expansion stimuliert, wurde „duale Effektortheorie“ genannt [180]. Nur GH stimuliert lokal appliziert die Produktion von IGF-I durch die Stimulation der Transkription des IGF-I Gens [181]. Durch IGF-Antikörper kann die lokale stimulierende Wirkung von GH wieder aufgehoben werden, was die wichtige Rolle von IGF bei der Expression des GH-Effektes auf lokalem Niveau zeigt [182,183]. Es besteht also auf verschiedenen Ebenen eine Verknüpfung der Wirkungsmechanismen von GH und IGF sowie teilweise auch eine additive Wirkung [184].

GH zeigt eine direkte Wirkung auf die Entwicklung verschiedener Gewebe: Knochenwachstum [185], Chondrozytenproliferation [186], Chondroblastendifferenzierung [187], Lymphozytenproliferation [ 188 ] , Myoblastendifferenzierung [ 189 ] . Ein spezifischer GH-Rezeptor konnte auf verschiedenen Zellen nachgewiesen werden [ 190 ] . Der GH-Rezeptor gehört zur Familie der Zytokin/Hämatopoetin-Rezeptor-Superfamilie [ 191 ] . Er ist ein Transmembranrezeptor mit 620 Aminosäuren und einem Molekulargewicht von 70 kD (glykosyliert 130 kD). Humanes GH besitzt 2 Rezeptorbindungsstellen, durch die es nacheinander an zwei GH-Rezeptoren bindet und somit zu einer Dimerisation des Rezeptors führt [ 192 ] . Nur in dieser Form kann die GH-Wirkung übertragen werden [ 193 ] . Über eine kurze Feedbackschleife wirkt GH auch regulierend auf die GH-Rezeptor Expression [ 194 ]

Es finden sich lösliche Formen wie das Wachstumshormonbindungsprotein (growth hormone binding protein bzw. GHBP), von dem man annimmt, dass es durch proteolytische Spaltung des extrazellulären Anteils des membrangebundenen Rezeptors entsteht [195,196]. GH bildet mit diesen 1:1 bzw. 1:2 (GH/GHBP) Komplexe [197,198]. Im Plasma zirkuliert GH gebunden an GHBPs, wovon 2 bekannt sind, GHBP-1 mit geringer Kapazität und hoher Affinität und GHBP-2 (nicht rezeptorverwandt) mit geringer Affinität und hoher Kapazität [199]. GHBPs verlängern die Halbwertzeit des zirkulierenden GHs, unter anderem da der GH/GHBP-Komplex zu groß ist für die renale Filtration [200,201]. GHBPs dienen somit der Aufrechterhaltung des zirkulierenden GH-Reservoirs und sorgen für ein dynamisches Equilibrium zwischen freiem und gebundenem GH zum Ausgleich der pulsatilen Freisetzung. GHBP-Level variieren stark zwischen den Spezies, so wurden bei Schweinen und Kaninchen sehr hohe und bei Schafen und Rindern niedrige Werte gefunden [202]. Humane Werte liegen dazwischen (ca. 45 % GH gebunden an GHBP-1 und 5-10 % an GHBP-2) [203].

Zwei IGFs sind bekannt. IGF-I ist ein 7,6 kD Polypeptid, bestehend aus 70 Aminosäuren, welches auf Chromosom 12 auf einem 90 kb Gen exprimiert wird. IGF-I wird aufgrund einer Stimulation durch GH in verschiedenen Geweben, besonders aber in der Leber gebildet. GH reguliert über den GH-Rezeptor durch hauptsächlich transkriptionale Mechanismen die Synthese und Sekretion von IGF-I [204,205]. 2 Stunden nach GH-Gabe steigt die IGF-I mRNA an, die stärkste Expression findet zwischen 4 und 16 Stunden nach GH-Gabe statt [206]. IGF-I besitzt strukturelle Ähnlichkeit mit IGF-II und Insulin. IGF-II besteht aus 67 Aminosäuren und wird durch ein 30kb-Gen auf Chromosom 11 exprimiert, seine Homologie zu IGF-I beträgt 60 %. Zwei IGF-Rezeptoren vermitteln die Wirkung der IGFs. Der IGF-I-Rezeptor bindet mit größter Affinität IGF-I, aber auch IGF-II (ca. zehnmal geringere Affinität) und Insulin (hundert- bis tausendfach geringere Affinität). Er besitzt eine starke Strukturhomologie zum Insulinrezeptor. Der IGF-II-Rezeptor bindet mit höchster Affinität IGF-II, IGF-I mit ca. fünfhundertmal geringerer Affinität und kein Insulin. Die meisten Effekte von IGF-I und IGF-II scheinen über den IGF-I-Rezeptor vermittelt zu werden [207]. Die Wirkung von IGF wird durch IGF-Bindungsproteine (IGFBPs) moduliert, wovon derzeit 6 verschiedene bekannt sind, ihre Wirkmechanismen aber nur teilweise [208]. IGFBP-1 scheint als Inhibitor von IGF-I zu wirken ebenso wie auch IGFBP-4; IGFBP-2 ist ein wichtiges Bindungsprotein für IGF-II, sein Spiegel steigt bei Stresszuständen an [209,210,211]. 80-85 % des zirkulierenden IGF-I sind an IGFBP-3 gebunden, in Verbindung mit einem Glykoprotein - der sogenannten säurelabilen Untereinheit (acid labile subunit bzw. ALS) - bilden sie einen Komplex, der als intravaskulärer IGF-I Speicher dient. IGFBP-3 verstärkt den anabolen Effekt der IGFs durch Verlängerung ihrer Halbwertzeit und eine Verstärkerschleife [212]. Die Bildung von IGFBP-3 wird ebenfalls von GH stimuliert [213]. IGFBP-5 bindet vorwiegend IGF-II, es zeigt intrinsische mitogene Aktivität und bindet außerdem sehr fest an Hydroxylapatit [214]. IGFBP-6 zeigt als einziges Bindungsprotein eine höhere Affinität zu IGF-II als zu IGF-I [215].

Die GHRH-Freisetzung wird durch Hypoglykämie, Glukagon, Vasopressin, α2-Agonisten und Glukokortikoide gesteigert. Eine hyperglykämische Stoffwechselsituation hemmt die Freisetzung. GH selbst hemmt die GHRH-Ausschüttung und möglicherweise auf autokrinem Wege die α-Zellen (kurze Feedbackschleife). Des weiteren besteht ein negativer Feedbackmechanismus über IGF, d.h. durch erhöhte Serum-IGF-Werte werden die α-Zellen gehemmt und die Somatostatinfreisetzung stimuliert und somit die GH-Sekretion gesenkt (lange Feedbackschleife).

GH zeigt komplexe Auswirkungen auf den Kohlenhydratstoffwechsel. Es spielt eine große Rolle bei der Aufrechterhaltung der Serumglukosespiegel. So verursacht Glukosegabe zunächst einen Abfall des GH-Spiegels, der nach 3-5 Stunden wieder ansteigt [216]. Exogen appliziertes GH wirkt anfangs insulinähnlich und insulinunabhängig blutzuckersenkend [217]. Die Glukoseoxidation wird zuerst gesteigert, nach ca. 1 Stunde aber gesenkt. Desweiteren wirkt GH direkt auf die Inselzellen des Pankreas und führt so zu einer erhöhten Insulinsekretion. Die periphere Insulinsensibilität wird durch GH gesenkt, der Glukosetransport in die Zellen vermindert. Insgesamt senkt GH die Glukosetoleranz, so dass es unter GH-Therapie zu Hyperglykämie auf dem Boden einer Insulinresistenz kommen kann [218]. Diese Effekte sind einer direkten GH-Wirkung zuzuschreiben, da sie bereits in den ersten Stunden nach GH-Gabe auftreten, ein Anstieg des IGF-I Spiegels aber erst nach 3-6 Stunden erfolgt. IGF-I steigert den Transport von Glukose in die Zellen [219].

Im Fettstoffwechsel zeigt GH hauptsächlich lipolytische Wirkung, so steigen nach einer kurzen Phase niedriger FFA-Spiegel nach GH-Gabe die Triglyzeride und FFAs an [220]. IGF-I dagegen wirkt insulinähnlich, d.h. es steigert die Lipogenese und hemmt die Lipolyse. FFA hemmen die GH-Sekretion [221].

Im Proteinstoffwechsel steigert GH die Proteinsynthese und den Transport von Aminosäuren in die Zellen weitgehend ohne Beeinflussung der Proteolyse [222]. Es scheint vielmehr den antiproteolytischen Effekt von Insulin zu antagonisieren [223]. IGF-I reduziert die Proteolyse und die Proteinoxidation und steigert ebenfalls die Aufnahme der Aminosäuren in die Zellen, es hat aber nur geringe Auswirkungen auf die Proteinsynthese [219].

Über IGF-I und eine Erhöhung des Parathormonspiegels steigert GH die Hydroxylierung von 25-Hydroxy-Cholecalciferol zu 1,25-Dihydroxycholecalciferol. Dadurch nimmt die intestinale Calcium- und Phosphatresorption zu [224].

1958 wurde das Hormon erstmals erfolgreich bei einer durch eine Wachstumshormonsekretionsstörung bedingten Wachstumsstörung angewandt [148]. Bei Kindern mit Wachstumshormonmangel ist eine Therapie mit GH heute Goldstandard [230]. Eine Indikation besteht auch beim Ullrich-Turner-Syndrom, wobei allerdings höhere Dosen notwendig sind [231].

Experimentell wird Wachstumshormon bei Wachstumsstörungen in Zusammenhang mit Niereninsuffizienz, intrauteriner Wachstumsverzögerung mit bleibendem Minderwuchs und Minderwuchs unter Glukokortikoidbehandlung angewandt [232,233,234]. Bei Erwachsenen mit und ohne Wachstumshormonmangel konnten erhöhte Muskelmasse, vermindertes Fettgewebe und eine Verbesserung der Lebensqualität durch GH-Gabe gezeigt werden [235,236]. Experimentell wird GH bei kachektischen Zuständen zusätzlich zur parenteralen Ernährung verabreicht [237]. Klinische Untersuchungen zur Wirkung von GH bei chirurgischen Patienten, Verbrennungspatienten und anderen katabolen Zuständen werden durchgeführt [238]. Eine Verbesserung der Stickstoffbilanz konnte gezeigt werden [239,240,241,242]. Durch GH konnte keine Besserung der Muskelaktivität bei Duchenne-Muskelatrophie erreicht werden [243] Wundheilung und Frakturheilung können durch GH gefördert werden (s. 1.2.6.3). Bei Rindern wird GH bereits zur Steigerung der Milchproduktion verwendet [244]. Auch bei laktierenden Frauen zeigt es positive Effekte, ein Einsatz bei Hypogalaktie scheint daher sinnvoll zu sein. In der Milch sind keine erhöhten GH- oder IGF-Konzentrationen nachweisbar [245]. GH scheint auch die Ovulation unter Gestagentherapie bei subfertilen Frauen günstig zu beeinflussen [246]. Bis jetzt gibt es keine Daten, die eindeutig für eine GH-Therapie bei Adipositas oder Osteoporose sprechen [242].

GH hat aufgrund seiner anabolen Eigenschaften und der IGF-I vermittelten proliferationsfördernden Wirkung sowie der Stimulierung der lokalen Synthese von Wachstumsfaktoren günstige Auswirkungen auf die Wundheilung [247]. Es wurde an Verbrennungspatienten gezeigt, dass durch GH-Therapie Spenderheilungszeiten bei Hauttransplantationen signifikant verkürzt werden konnten [248,249]. Trotz teurer Th e ra pie konnten so aufgrund verkürzter Liegezeiten die Behandlungskosten gesenkt we r den [ 250 ] . An den Spenderhautstellen kommt es zu beschleunigter Basallaminabildung s o wie einer gesteigerten Expression von IGF-I-Rezeptoren und erhöhten Anteilen von Laminin, Kollagen IV und VII und Cytokeratin-14 [ 251 ] . Positive Auswirkungen auf die Immunantwort wurden beschrieben, wie eine Verbesserung des CD4/CD8-Verhältnisses oder eine Verringerung der Inzidenz der Wundinfektion, diese lassen sich aber noch nicht endgültig bestätigen [252,253].

Der gesteigerte Energieverbrauch nach Trauma ist abhängig von Art und Ausmaß der Verletzung und wird durch Mobilisation von Energie- und Proteinspeichern gedeckt. Da dies zu lebensbedrohlichen Zuständen führen kann, versucht man das anabole Potential des GH zur Behandlung zu nutzen. Nach Traumata verändert sich der pulsatile Charakter der GH-Sekretion. Direkt nach dem Trauma werden die höchsten GH-Spiegel gemessen, dann reduziert sich die Pulsfrequenz, bzw. ist ganz aufgehoben zugunsten basal erhöhter GH-Spiegel [254,255]. Obwohl der GH-Spiegel nach einem Trauma ansteigt, fällt der IGF-I-Spiegel bis zum 4. postoperativen Tag ab und steigt bis zum 6. Tag wieder auf Normalwerte an. IGFBP-3 zeigt einen ähnlichen Verlauf wie IGF-I, IGFBP-1-Spiegel steigen dagegen an. Dies impliziert, dass es unter Stress von einer insulinähnlichen, IGF-I-vermittelten, anabolen Wirkung der GH/IGF-I-Achse zu einer GH-vermittelten Antiinsulinwirkung mit gesteigerter Lipolyse, Proteolyse und Glukoseintoleranz kommt [256]. GH-Therapiestudien bei Traumapatienten ebenso wie bei Sepsispatienten und Verbrennungspatienten zeigen keine eindeutigen Ergebnisse bezüglich des Proteinmetabolismus [257,258]. In verschiedenen Studien wurde ein fördernder Einfluss auf die Frakturheilung sowohl biomechanisch als auch histologisch und radiologisch gezeigt [259,260,261]. Dabei kam nur z.T. speziesspezifisches Wachstumshormon zur Anwendung [261,262,263].

Wachstumshormon findet illegale Verwendung als Dopingmittel aufgrund seiner positiven Wirkung auf die Muskelmasse [236]. Zu den Komplikationen und unerwünschten Wirkungen einer GH-Therapie zählen Hyperglykämie und Insulinresistenz, Salz-Wasser-Retention und Hypertension, Hypercalciämie, die Manifestation latenter Hypothyreosen, Hüftkopfepiphysenlösung, Arthralgien, erhöhte Inzidenz des Karpal-Tunnel-Syndroms und andere Akromegaliezeichen, Antikörperbildung und Leukämie [264,265]. Hyperglykämie und Insulinresistenz werden durch einen veränderten Glukosetransport verursacht [266]. Die Wasserretention beruht vermutlich auf einer Umverteilung von Wasser von extra- nach intrazellulär durch GH-Gabe, welche sich allerdings nach einiger Zeit normalisiert [267]. Die Hypercalciämie zeigt, dass GH offensichtlich den Calciumstoffwechsel beeinflusst, der Mechanismus ist allerdings noch nicht geklärt, auch zeigten die Patienten keine Hypercalciämiesymptome [224]. Früher kam es aufgrund verschiedener Verunreinigungen der Hormonpräparate häufig zu Antikörperbildung und allergischen Reaktionen, was allerdings durch die Gabe von rekombinant hergestelltem GH weitgehend überwunden ist, ebenso wie die Gefahr der Übertragung der Jakob-Creutzfeld-Krankheit durch das aus Hypophysen gewonnene Hormon [268]. Es gibt bis jetzt keine Daten, die ein erhöhtes Malignom- oder Leukämierisiko aufgrund einer GH-Therapie nachweisen, es finden sich allerdings GH- und IGF-Rezeptoren auf normalen Knochenmarkzellen und leukämischen Lymphoblasten in vitro [269,270].

In verschiedenen Zellkulturen wurde nachgewiesen, dass GH Osteoblasten direkt stimuliert [272,273,274,275,276]. Einige Studien zeigten, dass GH auch für Osteoblasten phänotypische Funktionen stimuliert, wie die Bildung von alkalischer Phosphatase (AP), Osteocalcin und Kollagen Typ I [272,276,277,278]. Auf Osteoblasten konnten spezifische GH-Rezeptoren mit hoher Affinität nachgewiesen werden [279]. GH stimuliert die Synthese von IGFs in Osteoblasten [272], wobei die relativen Mengen von gebildetem IGF-I und IGF-II verschieden sind. IGFs zeigen anabole Effekte an Osteoblasten. IGF-II wird von Nager- und Menschenosteoblasten exprimiert, IGF-I wird von Nagerosteoblasten gebildet, bei menschlichen Osteoblasten gibt es gegensätzliche Resultate. IGF-II wirkt in den frühen Stadien der Knorpelbildung des Längenwachstums an der Wachstumsfuge. IGF-I wirkt eher während der später stattfindenden Knochenformation und scheint nicht mit der Wachstumsfuge assoziiert zu sein [273,280,281,282,283,284].

GH reguliert die Bildung der Osteoklasten, bis jetzt wurden allerdings sowohl stimulierende als auch hemmende Mechanismen gezeigt [285,286]. Es hemmt einerseits die Osteoklastenbildung IGF-unabhängig, andererseits erhöht es die Zahl der Osteoklasten und fördert direkt die Differenzierung und indirekt die Aktivität der Zellen über Faktoren wie IGF-I und Interleukin 6 [286,287]. Osteoklasten besitzen IGF-Rezeptoren [288]. Auch über Osteoblasten wird die durch IGF-I stimulierte Bildung und Aktivierung von Osteoklasten vermittelt [289].