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Mechanismen des Knochenwachstums

Mechanismen des Knochenwachstums


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Die Länge eines Knochens wird durch das Wachstum von hyalinem Knorpel verursacht, der dann durch Knochengewebe ersetzt wird. Woher wissen Zellen, ob sie den hyaliner Knorpel wachsen lassen sollen? Was sind die Schlüsselmoleküle, die die Synthese von hyaliner Knorpel auslösen?


Woher wissen Zellen, ob sie den hyaliner Knorpel wachsen lassen sollen?

Es sind sowohl Wachstumsfaktoren als auch Zytokine beteiligt, der Auslösemechanismus ist jedoch unklar [1].

Knochen wachsen in der Länge auf der Ebene der Epiphysenfuge, wo Chondrozyten hyaliner Knorpel produzieren, der durch Zugabe von Calcium- und Phosphorionen zu hartem Knochen wird [2].

Es wird angenommen, dass der Wachstumsprozess von lokalen Mediatoren wie Zytokinen und Wachstumsfaktoren reguliert wird:

In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Zytokinen entdeckt und deren molekulare Strukturen und biologische Aktivitäten beschrieben. Es wurde gezeigt, dass eine überraschend große Anzahl von Zytokinen das Skelettgewebe beeinflusst, zumindest experimentell, was dies zu einem komplexen Thema macht, das jedoch das Wissen darüber fördert, wie die zellulären Vorgänge des Knochenwachstums so präzise reguliert werden können [3].


Verweise

  1. Ossifikation. (2014, 3. Juli). In Wikipedia, der freien Enzyklopädie. Abgerufen am 30. September 2014 um 15:47 Uhr von http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ossification&oldid=615387908
  2. http://www.personal.psu.edu/staff/m/b/mbt102/bisci4online/bone/bone5.htm
  3. J. S. Preis, B. O. Oyajobi und R.G.G. Russel. Die Zellbiologie des Knochenwachstums. Verfügbar unter http://archive.unu.edu/unupress/food2/UID06E/UID06E0U.HTM

Mechanismen der Knochenentwicklung und -reparatur

Die Knochenentwicklung erfolgt durch eine Reihe von synchronen Ereignissen, die zur Bildung des Körpergerüsts führen. Das Reparaturpotential des Knochens und seiner umgebenden Mikroumgebung – einschließlich Entzündungs-, Endothel- und Schwann-Zellen – bleibt während des gesamten Erwachsenenalters bestehen und ermöglicht die Wiederherstellung des Gewebes in seinen homöostatischen Funktionszustand. Die Isolierung einer einzelnen skelettalen Stammzellpopulation durch Zelloberflächenmarker und die Entwicklung von Einzelzelltechnologien ermöglichen eine präzise Aufklärung der zellulären Aktivität und des Schicksals während der Knochenreparatur, indem sie wichtige Einblicke in die Mechanismen liefern, die Knochen während der Homöostase und Reparatur erhalten und regenerieren. Ein besseres Verständnis der Knochenentwicklung sowie der normalen und anormalen Knochenreparatur hat wichtige therapeutische Implikationen für die Behandlung von Knochenerkrankungen und altersbedingter Degeneration.

Interessenkonflikt-Erklärung

Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

Figuren

Die Knochenhomöostase wird durch die Aktivität der Osteoblastenlinie erreicht…

Abb. 2 |. Hierarchie der Skelettstammzellen.

Abb. 2 |. Hierarchie der Skelettstammzellen.

Skelettstammzellen (SSCs) (und ihre Vorläufer) in…

Die Metaphyse enthält die epiphysäre Wachstumsfuge, die Stelle…

Abb. 4 |. Entwicklungssignalwege regulieren…

Abb. 4 |. Entwicklungssignalwege, die die Osteoblastendifferenzierung regulieren.


Knochenwachstum

In der frühen Entwicklung eines menschlichen Fötus besteht das Skelett fast vollständig aus Knorpel. Der relativ weiche Knorpel wird durch Verknöcherung allmählich zu hartem Knochen. Ossifikation ist ein Prozess, bei dem aus Knorpel Knochengewebe entsteht. Die Schritte, in denen sich Knochen des Skeletts aus Knorpel bilden, sind in Abbildung (PageIndex<2>) dargestellt. Die Schritte umfassen Folgendes:

  1. Knorpel &ldquomodel&rdquo von Knochenformen Dieses Modell wächst mit der Verknöcherung weiter.
  2. Die Ossifikation beginnt an einem primären Ossifikationszentrum in der Mitte des Knochens.
  3. Die Ossifikation beginnt dann an den sekundären Ossifikationszentren an den Enden des Knochens.
  4. Die Markhöhle bildet sich und enthält rotes Knochenmark.
  5. Die Bereiche der Verknöcherung treffen sich bei den Epiphysenplatten, und die Formen des Gelenkknorpels. Das Knochenwachstum endet.

Abbildung (PageIndex<2>): Die Verknöcherung von Knorpel im menschlichen Skelett ist in manchen Knochen ein Prozess, der die ganze Kindheit hindurch andauert.

Primäre und sekundäre Ossifikationszentren

Wenn sich Knochen aus Knorpel bildet, beginnt die Ossifikation mit einem Punkt im Knorpel, der als primäres Ossifikationszentrum bezeichnet wird. Dies tritt im Allgemeinen während der fetalen Entwicklung auf, obwohl einige kurze Knochen nach der Geburt ihre primäre Verknöcherung beginnen. Die Ossifikation erfolgt zu beiden Enden des Knochens vom primären Ossifikationszentrum aus und bildet bei langen Knochen schließlich den Schaft des Knochens.

Nach der Geburt bilden sich sekundäre Ossifikationszentren. Ossifikation von sekundären Zentren bildet schließlich die Enden der Knochen. Der Schaft und die Enden des Knochens sind durch eine wachsende Knorpelzone getrennt, bis das Individuum die Skelettreife erreicht.

Skelettreife

Während der gesamten Kindheit wächst der im Skelett verbleibende Knorpel weiter und lässt die Knochen wachsen. Sobald jedoch der gesamte Knorpel durch Knochen ersetzt ist und die Verschmelzung an Epiphysenplatten stattgefunden hat, können die Knochen nicht mehr länger werden. Dies ist der Punkt, an dem die Skelettreife erreicht ist. Es findet in der Regel im Alter von 18 bis 25 Jahren statt.

Die Verwendung von anabolen Steroiden bei Teenagern kann den Prozess der Skelettreife beschleunigen, was zu einer kürzeren Periode des Knorpelwachstums vor der Fusion führt. Dies bedeutet, dass Jugendliche, die Steroide verwenden, als Erwachsene wahrscheinlich kürzer werden, als sie es sonst gewesen wären.


Mechanismen des Knochenwachstums - Biologie

Sri Sankara Dental College, Thiruvananthapuram, Kerala, Indien

Universitätsklinikum Groningen, Niederlande

Universität Bern, Schweiz

Universitas Indonesia, Jakarta, Indonesien

Harvard University, Cambridge, Massachusetts, USA

Zusammenfassung

Das Verständnis der Mechanismen des Knochenwachstums und der kraniofazialen Entwicklung sowie das Erkennen der Prozesse des Knochenmodellierens im Vergleich zum Remodellieren sind Schlüssel für die Praxis der Kieferorthopädie und dentofazialen Orthopädie. Obwohl die Knochenmanipulation für die meisten Aspekte der Zahnheilkunde wichtig ist, sind Kieferorthopäden Spezialisten für kraniofaziale Knochen. Daher wird ein gründliches Verständnis dieser Prinzipien und ihrer Anwendung auf den einzelnen Patienten nicht nur dazu beitragen, ein ästhetisch ansprechendes Ergebnis und ein stabiles klinisches Ergebnis zu erzielen, sondern kann auch den Erfolg eines multidisziplinären Falles erhöhen. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die grundlegenden Konzepte des Knochenwachstums und der Knochenentwicklung mit Referenzen zum Weiterlesen. Grundlegend für das Verständnis dieser Konzepte ist der Abschnitt zur Knochenbildung, der sowohl die enchondrale Knochenbildung als auch die intramembranöse Knochenbildung ausführlich beschreibt. Der Fokus verlagert sich dann auf eine Diskussion der primären Wachstumszentren und -orte innerhalb der Gesichtsknochen und führt in die Konzepte der Knochenmodellierung und -umgestaltung ein. Leider haben Zahnärzte die Begriffe „Modellieren“ und „Umbauen“ oft mit einer anderen Bedeutung verwendet, als sie normalerweise von anderen Fachleuten in der medizinischen Forschung und klinischen Praxis verwendet wird. Daher wurde eine Diskussion der Begriffe Modelling (Änderungen der Form, Größe oder Position des Knochens) und Remodelling (Knochenumsatz) aufgenommen. In der zweiten Hälfte des Kapitels werden genetische Mechanismen für die Anpassung des Knochens an Umweltfaktoren durch eine Diskussion der Bedeutung von Gefäßinvasion, Entzündungsreaktion und zellulären Agenzien für das Knochenwachstum und die Knochenentwicklung besprochen. Weitere Details zum Verständnis des Umbaus, der Kopplung der Knochenbildung an die Resorption beim Knochenumbau und der metabolischen Kontrolle des Knochenumbaus werden dann diskutiert. Von Interesse für den Kieferorthopäden sind die mechanischen Aspekte der Knochenmodellierung, des kortikalen Knochenumbaus und des trabekulären Knochenumbaus. Der folgende Abschnitt beleuchtet Elemente des Wachstums und der Entwicklung der Gesichtsknochen, einschließlich der Entwicklung des Kiefergelenks und der Anpassung des reifen Kiefergelenks, die in der Gnathologie von Bedeutung sind. Die Beziehung zwischen Zahnbewegung, Knochenmodellierung und externer apikaler Wurzelresorption bei gleichzeitiger Kieferorthopädie ist für den Kieferorthopäden relevant und wird am Ende des Kapitels behandelt, ebenso wie das Thema zahnärztliche Gesichtsorthopädie und Knochenmodellierung aufgrund seiner Bedeutung in jeder Diskussion über funktionelle Geräte.


Hauptmerkmale

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  • Die Bände umfassen: Grundlagen Molekulare Mechanismen der metabolischen Knochenkrankheit Pharmakologische Mechanismen therapeutischer Methoden in der Knochenforschung

Knochenbiologie

Aktuelle Studien untersuchen, wie der FGF-Signalweg die Osteoblasten- und Osteozytenfunktion während der Entwicklung, der Homöostase und des Alterns reguliert.
Osteozyten fungieren als Hauptregulatoren des Knochenumbaus. Es wird angenommen, dass das Absterben von Osteozyten, eines der Kennzeichen der Skelettalterung, zum Rückgang der Knochenstärke mit zunehmendem Alter und zur Zunahme altersbedingter Frakturen beiträgt. Neben dem Altern führen auch andere Faktoren wie Entlastung, Sexualhormonmangel, Glukokortikoidüberschuss, Entzündungen und Osteoarthritis zum Absterben der Osteozyten.
Wir haben eine neue Rolle für die Signalübertragung des Fibroblasten-Wachstumsfaktor-Rezeptors (FGFR) bei der Regulierung des Überlebens von Osteozyten und der Skeletthomöostase entdeckt (McKenzie, JBMR, 2019). Wir zeigten, dass der konditionale Knockout (CKO) von FGFRs in reifen Osteoblasten und Osteozyten in wachsendem Knochen zum Absterben von Osteozyten bei 3 Wochen alten Mäusen führt. Wir haben auch FGFRs in Osteoblasten und Osteozyten ab einem Alter von 3 Wochen vorübergehend inaktiviert und festgestellt, dass dies auch zum Absterben der Osteozyten führte. Diese Beobachtungen und andere laufende Studien legen nahe, dass in reifem Knochen die FGFR-Signalgebung für die Lebensfähigkeit der Osteozyten und folglich für die Knochenhomöostase erforderlich ist.
In früheren Studien (Karuppaiah, Development, 2016) haben wir gezeigt, dass die FGF-Signalgebung auch in einer Osteoprogenitorzelle funktioniert und durch eine Rückkopplungsschleife im Perichondrium die FGF-Signalgebung indirekt die Proliferation und Differenzierung von Wachstumsplatten-Chondrozyten reguliert und direkt die metabolische Aktivität von Osteoblasten reguliert. Durch diese Mechanismen reguliert die FGF-Signalgebung das longitudinale Knochenwachstum und die Knochenmasse.
Diese Studien beginnen, die Funktionen von FGFR während mehrerer Stadien in der Osteoblasten-Linie zu enträtseln.


Mechanismen der Knochenentwicklung und -reparatur

Die Knochenentwicklung erfolgt durch eine Reihe von synchronen Ereignissen, die zur Bildung des Körpergerüsts führen. Das Reparaturpotenzial des Knochens und seiner umgebenden Mikroumgebung – einschließlich Entzündungs-, Endothel- und Schwann-Zellen – bleibt während des gesamten Erwachsenenalters bestehen und ermöglicht die Wiederherstellung des Gewebes in seinen homöostatischen Funktionszustand. Die Isolierung einer einzelnen skelettalen Stammzellpopulation durch Zelloberflächenmarker und die Entwicklung von Einzelzelltechnologien ermöglichen eine präzise Aufklärung der zellulären Aktivität und des Schicksals während der Knochenreparatur, indem sie wichtige Einblicke in die Mechanismen liefern, die Knochen während der Homöostase und Reparatur erhalten und regenerieren. Ein besseres Verständnis der Knochenentwicklung sowie der normalen und anormalen Knochenreparatur hat wichtige therapeutische Implikationen für die Behandlung von Knochenerkrankungen und altersbedingter Degeneration.


Neuer Mechanismus des Knochenwachstums entdeckt

In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Natur, berichtet ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Forschern des Karolinska Institutet in Schweden, dass das Knochenwachstum bei Mäusen nach den gleichen Prinzipien abläuft wie bei der ständigen Produktion neuer Zellen in Blut, Haut und anderem Gewebe. Dies widerspricht dem bisherigen Verständnis, dass das Knochenwachstum von einer endlichen Anzahl allmählich verbrauchter Vorläuferzellen abhängt. Wenn die neuen Erkenntnisse auch für den Menschen gelten, könnten sie einen wichtigen Beitrag zur Behandlung von Kindern mit Wachstumsstörungen leisten.

Das Wachstum von Kinderknochen hängt von Wachstumsfugen (Physen) ab, die sich in der Nähe des Endes aller Röhrenknochen im Körper befinden. Diese Platten bestehen aus Knorpelzellen, Chondrozyten, die eine Art Gerüst bilden, das die Bildung von neuem Knochengewebe unterstützt, und die selbst aus stammzellähnlichen Vorläuferzellen, den sogenannten Chondroprogenitoren, erzeugt werden.

Damit lange Knochen richtig wachsen können, müssen während der gesamten Wachstumsphase ständig Chondrozyten erzeugt werden. Die allgemeine Ansicht auf diesem Gebiet war, dass es eine begrenzte Anzahl von Vorläuferzellen gibt, die während der Embryonalentwicklung gebildet und dann für das Knochenwachstum verbraucht werden, bis sie aufgebraucht sind und wir aufhören zu wachsen. Um herauszufinden, ob dies wahr ist oder nicht, beschlossen Forscher des Karolinska Institutet, die Bildung von Chondrozyten bei Mäusen zu untersuchen.

"Wir fanden heraus, dass während der Embryonalentwicklung kleine 'Klone' von Zellen aus denselben Vorläuferzellen erzeugt wurden, was der aktuellen Ansicht entspricht", sagt Forschungsgruppenleiter Andrei Chagin, Dozent am Institut für Physiologie und Pharmakologie, Karolinska Institut. "Aber nach der Geburt kam es zu dramatischen Veränderungen in der Zelldynamik und es wurden große, stabile Klone gebildet, die sich als Folge davon erwiesen, wie die Chondroprogenitoren die Fähigkeit zur Regeneration erworben hatten."

Ein solches Verhalten von Vorläuferzellen ist typisch für Gewebe, das ständig viele neue Zellen produziert, wie Haut, Blut und Darm. Für solche Gewebetypen hat sich gezeigt, dass sich die Vorläuferzellen in einer ganz bestimmten Mikroumgebung, einer Stammzellnische, befinden, die zur Bildung der notwendigen Zellen (z. B. Haut- und Blutzellen) beiträgt, aber auch die Erneuerung der Vorläuferzellen ermöglicht sich. Ist die Nische gestört oder funktionsgestört, werden die Vorläuferzellen erschöpft und das Gewebe geschädigt.

Die Forscher haben nun gezeigt, dass es zumindest bei Mäusen auch in Wachstumsfugen eine Stammzellnische gibt und dass das Knochenwachstum aufhört, wenn diese lokale Mikroumgebung gestört wird .

„Wenn sich herausstellt, dass auch der Mensch über diesen Wachstumsmechanismus verfügt, könnte dies zu einer deutlichen Neubewertung zahlreicher Therapieansätze bei Kindern mit Wachstumsstörungen führen“, sagt Dr. Chagin. "Der Mechanismus könnte auch einige bisher rätselhafte Phänomene erklären, wie das unbegrenzte Wachstum bei Patienten mit bestimmten genetischen Mutationen."

Die Studie wurde finanziert vom Schwedischen Forschungsrat StratRegen (Karolinska Institutet), der König Gustaf V 80-Jahres-Stiftung, der Schwedischen Krebsgesellschaft, dem Schweizerischen Nationalfonds, EMBO, der Stiftung Frimurare Barnhuset (Freimaurer-Kinderheim), der Stiftung für Kinderbetreuung und die Stipendienagentur der Tschechischen Republik.


Knochenbildung und -entwicklung

In den frühen Stadien der Embryonalentwicklung besteht das Skelett des Embryos aus Fasermembranen und hyaliner Knorpel. In der sechsten oder siebten Woche des embryonalen Lebens, dem eigentlichen Prozess der Knochenentwicklung, Ossifikation (Osteogenese), beginnt. Es gibt zwei osteogene Wege – die intramembranöse Ossifikation und die enchondrale Ossifikation –, aber der Knochen ist unabhängig von dem Weg, der ihn produziert, derselbe.

Knorpelvorlagen

Knochen ist ein Ersatzgewebe, das heißt, es verwendet ein Modellgewebe, auf dem seine Mineralmatrix abgelagert wird. Für die Skelettentwicklung ist Knorpel die häufigste Vorlage. Während der Entwicklung des Fötus wird ein Rahmen festgelegt, der bestimmt, wo sich Knochen bilden. Dieses Gerüst ist eine flexible, halbfeste Matrix, die von Chondroblasten produziert wird und aus Hyaluronsäure, Chondroitinsulfat, Kollagenfasern und Wasser besteht. Da die Matrix Chondroblasten umgibt und isoliert, werden sie Chondrozyten genannt. Im Gegensatz zu den meisten Bindegeweben ist Knorpel avaskulär, was bedeutet, dass er keine Blutgefäße hat, die Nährstoffe liefern und Stoffwechselabfälle entfernen. Alle diese Funktionen werden durch Diffusion durch die Matrix ausgeführt. Aus diesem Grund repariert sich beschädigter Knorpel nicht so leicht wie die meisten Gewebe.

Während der gesamten Entwicklung des Fötus und bis in das Wachstum und die Entwicklung des Kindes hinein bildet sich Knochen auf der Knorpelmatrix. Bei der Geburt eines Fötus ist der größte Teil des Knorpels durch Knochen ersetzt. Etwas zusätzlicher Knorpel wird im Laufe der Kindheit ersetzt, und etwas Knorpel verbleibt im Skelett des Erwachsenen.

Intramembranöse Ossifikation

Während intramembranöse Ossifikation, kompakter und schwammiger Knochen entwickelt sich direkt aus Schichten mesenchymalen (undifferenzierten) Bindegewebes. Die flachen Gesichtsknochen, die meisten Schädelknochen und die Schlüsselbeine (Schlüsselbeine) werden durch intramembranöse Verknöcherung gebildet.

Der Prozess beginnt, wenn sich mesenchymale Zellen im embryonalen Skelett versammeln und beginnen, sich in spezialisierte Zellen zu differenzieren ([Link]ein). Einige dieser Zellen werden zu Kapillaren differenzieren, während andere zu osteogenen Zellen und dann zu Osteoblasten werden. Obwohl sie letztendlich durch die Bildung von Knochengewebe ausgebreitet werden, erscheinen frühe Osteoblasten in einem Cluster namens an Verknöcherungszentrum.

Die Osteoblasten sezernieren Osteoid, unverkalkte Matrix, die durch Ablagerung von Mineralsalzen innerhalb weniger Tage verkalkt (aushärtet) und dabei die Osteoblasten einschließt. Einmal eingeschlossen, werden die Osteoblasten zu Osteozyten ([link]B). Während sich Osteoblasten in Osteozyten umwandeln, differenzieren osteogene Zellen im umgebenden Bindegewebe zu neuen Osteoblasten.

Osteoid (unmineralisierte Knochenmatrix), das um die Kapillaren sezerniert wird, führt zu einer trabekulären Matrix, während Osteoblasten auf der Oberfläche des spongiösen Knochens zum Periost werden ([Link]C). Das Periost bildet dann eine schützende Schicht aus kompaktem Knochen oberflächlich zum trabekulären Knochen. Der trabekuläre Knochen drängt sich in der Nähe von Blutgefäßen, die sich schließlich zu rotem Mark verdichten ([Link]D).

Die intramembranöse Ossifikation beginnt in utero während der fetalen Entwicklung und setzt sich bis in die Adoleszenz fort. Bei der Geburt sind Schädel und Schlüsselbeine weder vollständig verknöchert noch sind die Nähte des Schädels geschlossen. Dadurch können sich Schädel und Schultern während der Passage durch den Geburtskanal verformen. Die letzten Knochen, die durch intramembranöse Verknöcherung verknöchert werden, sind die flachen Gesichtsknochen, die am Ende des jugendlichen Wachstumsschubs ihre Erwachsenengröße erreichen.

Endochondrale Ossifikation

In enchondrale Ossifikation, Knochen entwickelt sich durch ersetzen hyaliner Knorpel. Knorpel wird nicht zu Knochen. Stattdessen dient Knorpel als Vorlage, um vollständig durch neuen Knochen ersetzt zu werden. Die endochondrale Ossifikation dauert viel länger als die intramembranöse Ossifikation. Knochen an der Schädelbasis und Röhrenknochen bilden sich durch enchondrale Verknöcherung.

In einem Röhrenknochen zum Beispiel differenzieren sich etwa 6 bis 8 Wochen nach der Empfängnis einige der mesenchymalen Zellen zu Chondrozyten (Knorpelzellen), die den knorpeligen Skelettvorläufer der Knochen bilden ([Link]ein). Bald darauf die Perichondrium, eine Membran, die den Knorpel bedeckt, erscheint [link]B).

Je mehr Matrix produziert wird, desto größer werden die Chondrozyten im Zentrum des Knorpelmodells. Da die Matrix verkalkt, können Nährstoffe die Chondrozyten nicht mehr erreichen. Dies führt zu ihrem Tod und dem Zerfall des umgebenden Knorpels. Blutgefäße dringen in die entstehenden Räume ein und vergrößern nicht nur die Hohlräume, sondern tragen auch osteogene Zellen mit sich, von denen viele zu Osteoblasten werden. Diese sich vergrößernden Räume verbinden sich schließlich zum Markraum.

Wenn der Knorpel wächst, dringen Kapillaren in ihn ein. Diese Penetration initiiert die Umwandlung des Perichondriums in das knochenproduzierende Periost. Hier bilden die Osteoblasten einen periostalen Kragen aus kompaktem Knochen um den Knorpel der Diaphyse. Im zweiten oder dritten Monat des fetalen Lebens nimmt die Entwicklung und Verknöcherung der Knochenzellen zu und schafft die primäres Ossifikationszentrum, eine Region tief im Periostkragen, wo die Ossifikation beginnt ([link]C).

Während dieser tiefen Veränderungen wachsen Chondrozyten und Knorpel an den Enden des Knochens (den zukünftigen Epiphysen) weiter, was die Länge des Knochens erhöht und gleichzeitig den Knorpel in den Diaphysen ersetzt. Bis zur vollständigen Ausbildung des fetalen Skeletts verbleibt nur noch Knorpel an der Gelenkfläche als Gelenkknorpel und zwischen Diaphyse und Epiphyse als Epiphysenfuge, die für das Längenwachstum der Knochen verantwortlich ist. Nach der Geburt tritt die gleiche Abfolge von Ereignissen (Matrixmineralisierung, Absterben von Chondrozyten, Eindringen von Blutgefäßen aus dem Periost und Aussaat mit osteogenen Zellen, die zu Osteoblasten werden) in den Epiphysenregionen auf, und jedes dieser Aktivitätszentren wird als . bezeichnet ein sekundäres Ossifikationszentrum ([Verknüpfung]e).

Wie Knochen in der Länge wachsen

Die Epiphysenfuge ist der Wachstumsbereich eines Röhrenknochens. Es ist eine Schicht aus hyalinem Knorpel, wo die Verknöcherung in unreifen Knochen auftritt. Auf der Epiphysenseite der Epiphysenfuge wird Knorpel gebildet. Auf der diaphysären Seite ist Knorpel verknöchert und die Diaphyse wächst in die Länge. Die Epiphysenfuge besteht aus vier Zell- und Aktivitätszonen ([Link]). Die Reservezone ist die Region, die dem epiphysären Ende der Platte am nächsten liegt und kleine Chondrozyten innerhalb der Matrix enthält. Diese Chondrozyten sind nicht am Knochenwachstum beteiligt, sondern sichern die Epiphysenfuge am Knochengewebe der Epiphyse.

Die proliferative Zone ist die nächste Schicht in Richtung Diaphyse und enthält Stapel von etwas größeren Chondrozyten. Es erzeugt neue Chondrozyten (über Mitose), um diejenigen zu ersetzen, die am diaphysären Ende der Platte sterben. Chondrozyten in der nächsten Schicht, die Reifungs- und Hypertrophiezone, sind älter und größer als die in der proliferativen Zone. Die reiferen Zellen befinden sich näher am diaphysären Ende der Platte. Das Längenwachstum des Knochens ist das Ergebnis der Zellteilung in der proliferativen Zone und der Reifung der Zellen in der Reifungs- und Hypertrophiezone.

Die meisten Chondrozyten in der Zone der verkalkten Matrix, die der Diaphyse am nächsten liegende Zone, sind tot, weil die Matrix um sie herum verkalkt ist. Kapillaren und Osteoblasten aus der Diaphyse dringen in diese Zone ein und die Osteoblasten sezernieren Knochengewebe auf dem verbleibenden verkalkten Knorpel. Somit verbindet die Zone der verkalkten Matrix die Epiphysenfuge mit der Diaphyse. Ein Knochen wächst in die Länge, wenn Knochengewebe zur Diaphyse hinzugefügt wird.

Knochen wachsen bis ins frühe Erwachsenenalter in die Länge. Die Wachstumsrate wird durch Hormone gesteuert, auf die später eingegangen wird. Wenn die Chondrozyten in der Epiphysenfuge ihre Proliferation einstellen und Knochen den Knorpel ersetzt, hört das Längenwachstum auf. Von der Epiphysenfuge ist nur noch die Epiphysenlinie ([Verknüpfung]).

Wie Knochen im Durchmesser wachsen

Während Knochen in der Länge zunehmen, nehmen sie auch im Durchmesser zu. Dies wird als appositionelles Wachstum bezeichnet. Osteoklasten resorbieren alten Knochen, der die Markhöhle auskleidet, während Osteoblasten durch intramembranöse Verknöcherung neues Knochengewebe unter dem Periost produzieren. Die Erosion von altem Knochen entlang der Markhöhle und die Ablagerung von neuem Knochen unterhalb des Periosts vergrößern nicht nur den Durchmesser der Diaphyse, sondern auch den Durchmesser der Markhöhle. Dieser Vorgang heißt Modellieren.

Knochenrekonstruktion

Der Prozess, bei dem Matrix auf einer Oberfläche eines Knochens resorbiert und auf einer anderen abgelagert wird, wird als Knochenmodellierung bezeichnet. Die Modellierung findet hauptsächlich während des Wachstums eines Knochens statt. Im Erwachsenenleben erleidet der Knochen jedoch Umbau, bei dem die Resorption von altem oder beschädigtem Knochen auf der gleichen Oberfläche stattfindet, auf der Osteoblasten neuen Knochen ablegen, um den resorbierten zu ersetzen. Verletzungen, Bewegung und andere Aktivitäten führen zu Umbau. Diese Einflüsse werden später in diesem Kapitel besprochen, aber auch ohne Verletzung oder Bewegung werden jährlich etwa 5 bis 10 Prozent des Skeletts umgebaut, indem nur alter Knochen zerstört und mit frischem Knochen erneuert wird.

Skelettsystem Osteogenesis imperfecta (OI) ist eine genetische Erkrankung, bei der sich Knochen nicht richtig bilden und daher brüchig sind und leicht brechen. Sie wird auch als spröde Knochenkrankheit bezeichnet. Die Krankheit besteht von Geburt an und betrifft einen Menschen ein Leben lang.

Die genetische Mutation, die OI verursacht, beeinflusst die körpereigene Produktion von Kollagen, einer der kritischen Komponenten der Knochenmatrix. Die Schwere der Erkrankung kann von leicht bis schwer reichen. Diejenigen mit den schwersten Formen der Krankheit erleiden viel mehr Frakturen als diejenigen mit einer leichten Form. Häufige und multiple Frakturen führen typischerweise zu Knochendeformitäten und Kleinwuchs. Eine Krümmung der langen Röhrenknochen und eine Krümmung der Wirbelsäule sind bei Menschen mit OI ebenfalls üblich. Die Krümmung der Wirbelsäule erschwert das Atmen, da die Lunge komprimiert wird.

Da Kollagen in vielen Teilen des Körpers ein so wichtiges Strukturprotein ist, können Menschen mit OI auch empfindliche Haut, schwache Muskeln, lockere Gelenke, leichte Blutergüsse, häufiges Nasenbluten, brüchige Zähne, blaue Sklera und Hörverlust erfahren. Es gibt keine bekannte Heilung für OI. Die Behandlung konzentriert sich darauf, der Person zu helfen, so viel Unabhängigkeit wie möglich zu bewahren und gleichzeitig Frakturen zu minimieren und die Mobilität zu maximieren. Zu diesem Zweck werden sichere Übungen wie Schwimmen empfohlen, bei denen der Körper weniger Kollisionen oder Druckkräften ausgesetzt ist. Stützen für Beine, Knöchel, Knie und Handgelenke werden nach Bedarf verwendet. Stöcke, Rollatoren oder Rollstühle können ebenfalls helfen, Schwächen auszugleichen.

Wenn Knochen brechen, werden Gipsverbände, Schienen oder Wickel verwendet. In einigen Fällen können Metallstäbe chirurgisch in die langen Knochen der Arme und Beine implantiert werden. Derzeit wird an der Verwendung von Bisphosphonaten zur Behandlung von OI geforscht. Rauchen und Übergewicht sind bei Menschen mit OI besonders riskant, da Rauchen bekanntermaßen die Knochen schwächt und zusätzliches Körpergewicht die Knochen zusätzlich belastet.

Sehen Sie sich dieses Video an, um zu sehen, wie ein Knochen wächst.

Kapitelrückblick

Jede Knochenbildung ist ein Ersatzprozess. Embryonen entwickeln ein Knorpelskelett und verschiedene Membranen. Während der Entwicklung werden diese durch den Verknöcherungsprozess durch Knochen ersetzt. Bei der intramembranösen Ossifikation entwickelt sich Knochen direkt aus Schichten mesenchymalen Bindegewebes. Bei der enchondralen Ossifikation entwickelt sich Knochen, indem er hyaliner Knorpel ersetzt. Die Aktivität in der Epiphysenfuge ermöglicht ein Längenwachstum der Knochen. Das Modellieren lässt Knochen im Durchmesser wachsen. Remodeling tritt auf, wenn Knochen resorbiert und durch neuen Knochen ersetzt wird. Osteogenesis imperfecta ist eine genetische Erkrankung, bei der die Kollagenproduktion verändert ist, was zu brüchigen, brüchigen Knochen führt.


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Forschungsergebnis : Beitrag zu Zeitschrift › Artikel › peer-review

T1 - Die Zellbiologie des Knochenwachstums

N2 - Das Gebiet der Knochenzellbiologie ist für das Problem der Wachstumshemmung bei Kindern eindeutig relevant, da letztendlich die Zellen des wachsenden Röhrenknochens die ultimativen „Regulatoren“ sind. Es sind die Veränderungen in den Funktionen dieser Zellen, die sich in einer Verringerung der Körpergröße manifestieren. Ein normales Längenwachstum wird durch die koordinierte Rekrutierung, Proliferation, Differenzierung, Reifung und schließlich den Tod der Zellen der Wachstumsfuge und des Knochens erreicht. Die Zellaktivität wird durch direkt oder indirekt wirkende endokrine Faktoren eng reguliert, wobei Faktoren, die lokal produziert und in der Knochen- und Knorpelmikroumgebung gespeichert werden, eine kritische Rolle bei der interzellulären Kommunikation spielen. Die Störung eines dieser Prozesse kann zu Wachstumsstörungen führen, da nur ein Defekt in einem einzelnen Gen eine tiefgreifende Wirkung entfalten kann. Studien der letzten Jahre haben die biochemischen und molekularen Wirkungen von Zytokinen und Wachstumsfaktoren beleuchtet und gezeigt, dass diese regulatorischen Moleküle die Wirkungen bestimmter Hormone vermitteln können, die für die Wachstumskontrolle wichtig sind. Die komplexe Wechselbeziehung dieser Moleküle ist jedoch noch nicht klar. Ungeachtet dessen nimmt das Verständnis der am Knochenumbau beteiligten Mechanismen zu, da dieser Bereich aufgrund der hohen Inzidenz von metabolischen Knochenerkrankungen in der westlichen Gesellschaft viel Forschung anzieht. Obwohl Studien zum Knochenumbau bei Erwachsenen von Bedeutung sind, besteht Bedarf an verstärkter Forschung, die sich speziell auf die Mechanismen der enchondralen Ossifikation und deren Regulation richtet. Das longitudinale Knochenwachstum stellt für den Zellbiologen eine Herausforderung dar, da es sich um einen beschleunigten Zyklus der Zellteilung und -differenzierung handelt, innerhalb dessen Ereignisse zeitlich und räumlich nicht einfach zu trennen sind. Darüber hinaus sind wahrscheinlich unterschiedliche Regulationsmechanismen in verschiedenen Wachstumsstadien wichtig. Eine weitere Schwierigkeit, die den Fortschritt auf diesem Gebiet behindert, ist das Fehlen geeigneter Tiermodelle für die Forschung. Viele Informationen stammen aus Studien mit Nagetieren, und Artenunterschiede müssen immer berücksichtigt werden. Größere Säugetiere wie das heranwachsende Ferkel oder das Kalb sind wahrscheinlich besser für die Untersuchung des postnatalen Längenwachstums beim Menschen geeignet. Um die Mechanismen des Stuntings auf zellulärer Ebene zu etablieren, müssen verschiedene Ansätze in Betracht gezogen werden. Studien müssen unter Verwendung geeigneterer Tiermodelle entworfen werden, und Bedingungen wie Nahrungsaufnahme, immunologische Herausforderungen, chronische Darmerkrankungen und mechanische Belastung müssen manipuliert werden. Alle Wirkungen auf das Längswachstum können dann zeitlich untersucht und mit nicht-invasiven Messungen korreliert werden, einschließlich Tests von Hormonen, Zytokinen, Wachstumsfaktoren und Proteinen, von denen bekannt ist, dass sie ihre Aktivität regulieren. Veränderungen der Wachstumsplattenstruktur und der Zellfunktion können in diesen Modellen in situ mit einer Vielzahl von histologischen, biochemischen und molekularen Ansätzen untersucht werden. In-vitro-Studien mit kultivierten Wachstumsplattenzellen, vorzugsweise menschlichen Ursprungs, sind auch erforderlich, um zu untersuchen, wie Hormone und Zytokine ihre Signale intrazellulär übertragen.

AB - Das Gebiet der Knochenzellbiologie ist eindeutig von Bedeutung für das Problem der Wachstumshemmung bei Kindern, da letztendlich die Zellen des wachsenden Röhrenknochens die ultimativen „Regulatoren“ sind. Es sind die Veränderungen in den Funktionen dieser Zellen, die sich in einer Verringerung der Körpergröße manifestieren. Ein normales Längenwachstum wird durch die koordinierte Rekrutierung, Proliferation, Differenzierung, Reifung und schließlich den Tod der Zellen der Wachstumsfuge und des Knochens erreicht. Die Zellaktivität wird durch direkt oder indirekt wirkende endokrine Faktoren eng reguliert, wobei Faktoren, die lokal produziert und in der Knochen- und Knorpelmikroumgebung gespeichert werden, eine kritische Rolle bei der interzellulären Kommunikation spielen. Die Störung eines dieser Prozesse kann zu Wachstumsstörungen führen, da nur ein Defekt in einem einzelnen Gen eine tiefgreifende Wirkung hat. Studien der letzten Jahre haben die biochemischen und molekularen Wirkungen von Zytokinen und Wachstumsfaktoren beleuchtet und gezeigt, dass diese regulatorischen Moleküle die Wirkungen bestimmter Hormone vermitteln können, die für die Kontrolle des Wachstums wichtig sind. Die komplexe Wechselbeziehung dieser Moleküle ist jedoch noch nicht klar. Ungeachtet dessen nimmt das Verständnis der am Knochenumbau beteiligten Mechanismen zu, da dieser Bereich aufgrund der hohen Inzidenz von metabolischen Knochenerkrankungen in der westlichen Gesellschaft viel Forschung anzieht. Although studies of adult bone remodelling are of relevance, there is a requirement for increased research directed specifically at the mechanisms of endochondral ossification and its regulation. Longitudinal bone growth is a challenge to the cell biologist, since it is an accelerated cycle of cellular division and differentiation, within which it is not easy to separate events temporally and spatially. In addition, different regulatory mechanisms are probably important at different stages of growth. Another difficulty impeding progress in this field is the lack of appropriate animal models for research. Much information has come from studies involving rodents, and species differences must always be taken into account. Larger mammals such as the growing piglet or the calf are probably more appropriate for the study of postnatal longitudinal growth in man. If the mechanisms of stunting are to be established at a cellular level, a number of approaches need to be considered. Studies need to be designed using more appropriate animal models, and conditions such as nutritional intake, immunological challenges, chronic intestinal diseases and mechanical loading need to be manipulated. Any effects on longitudinal growth may then be studied temporally and correlated with non-invasive measurements including assays of hormones, cytokines, growth factors and proteins known to regulate their activity. Alterations in growth plate structure and cellular function can be studied in these models in situ using a variety of histological, biochemical and molecular approaches. In vitro studies using cultured growth plate cells, preferably of human origin, are also required for the study of how hormones and cytokines transduce their signals intracellularly.


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