Ohne Knochen wäre dein Körper eine glitschige Ansammlung von Organen. Aber die steifen Modelle eines Skeletts, die du im Naturwissenschaftsunterricht (oder als Halloween-Dekoration) gesehen hast, erzählen nur die halbe Geschichte. Denn „das Skelett ist mehr als nur eine Stütze“, erklärt Laura Tosi Knochen bestehen aus lebenden, atmenden Zellen. Und sie spielen alle möglichen wichtigen Rollen, sagt Tosi, die das Knochengesundheitsprogramm am Children’s National Medical Center in Washington, D.C. leitet.
Winzige Ohrknochen leiten Töne, die uns beim Hören helfen. Das Knochenmark – eine weiche, gallertartige Substanz, die das hohle Innere der langen Knochen des Körpers ausfüllt – produziert rote und weiße Blutkörperchen. Weiße Blutkörperchen bekämpfen Infektionen, während rote Blutkörperchen den Körper mit Sauerstoff versorgen.
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Und das ist nur der Anfang. Forscher haben herausgefunden, dass Knochen auf überraschende Weise mit anderen Körperteilen „chatten“. Während Wissenschaftler die Geheimnisse des Skeletts aufdecken, finden sie Hinweise, die ihnen helfen könnten, Krankheiten zu heilen und sogar Ersatzknochen zu züchten.
Zellen, die Osteoblasten genannt werden (graue Kleckse, die ein Oval bilden), bilden neues Knochengewebe. Robert M. Hunt/Wikimedia Commons
Das Skelett
Das Gerüst, das unserem Körper seine Form gibt, ist erstaunlich fleißig. „Der Knochen ist ein sehr dynamisches Organ“, sagt Mark Johnson. Er ist Biochemiker an der University of Missouri-Kansas City.
Das Skelett des Körpers verändert sich ständig. In einem Prozess, der Remodellierung genannt wird, werden alte Knochen abgebaut, damit neue Knochen an ihre Stelle treten können. In der Kindheit ermöglicht dieser Prozess, dass die Knochen wachsen und ihre Form verändern. Bei Erwachsenen hilft der Umbau, Schäden zu reparieren und zu verhindern, dass die Knochen brüchig werden.
Zellen, die Osteoklasten genannt werden, bauen alten Knochen durch einen Prozess ab, der Resorption genannt wird. Andere Zellen, die Osteoblasten, sind für den Aufbau neuer Knochen zuständig. Die meisten Knochenzellen gehören jedoch zu einer dritten Art. Sie werden Osteozyten genannt und sagen den Osteoblasten und Osteoklasten, was sie zu tun haben. „Wenn man sich den Knochenumbau wie eine Symphonie vorstellt, ist der Osteozyt der Dirigent“, erklärt Johnson.
In der Kindheit und im frühen Erwachsenenalter bildet der Körper mehr neue Knochen als er abbaut. Das bedeutet, dass die Masse – oder die Menge des Knochens – zunimmt. Natürlich ist es schwierig, die Knochenmasse zu messen, wenn das übrige Körpergewebe im Weg ist. Daher schätzen Ärzte die Knochenstärke, indem sie die Dichte des harten Minerals messen, das in einem Knochensegment steckt. Je größer die Knochendichte ist, desto stärker ist das Skelett.
Zellen, die Osteozyten genannt werden, wie hier abgebildet, wirken wie Dirigenten in einer Symphonie und geben den anderen Knochenzellen Anweisungen, was sie zu tun haben. Wikimedia Commons
Um mehr Knochen zu bilden, benötigen die Zellen bestimmte Bausteine. Ein besonders wichtiger Baustein: Kalzium. Starke Knochen sind auf dieses Mineral angewiesen, das in Milchprodukten und vielen Gemüsesorten enthalten ist. Die Knochen dienen dem Körper auch als Speicher für Kalzium, das an vielen Stellen gebraucht wird. So treibt Kalzium beispielsweise die chemische Reaktion an, die das Herz schlagen lässt. Wenn die Ernährung nicht genügend Kalzium liefert, entzieht der Körper das Mineral dem Skelett. Das kann die Knochen schwächen.
Es ist auch schwierig, gesunde Knochen ohne genügend Vitamin D zu haben. Viele Menschen haben jedoch zu wenig Vitamin D. Infolgedessen können ihre Knochen dünn und unförmig werden.
Wenn es jedoch um den Aufbau von Knochen geht, „ist Bewegung das Wichtigste“, so Tosi gegenüber Science News for Students. Belastende Übungen wie Gehen, Laufen, Springen und Gewichte heben sind hervorragend geeignet, um die Knochenmasse zu erhöhen. Bewegung ist sogar so wichtig, dass professionelle Tennisspieler stärkere Knochen in dem Arm haben, mit dem sie ihren Schläger schwingen.
Bewegung stärkt die Knochen wahrscheinlich auf mehrere Arten, sagt Johnson. Belastende Übungen verursachen winzige Schäden an den Knochen. Die Osteoblasten reagieren darauf, indem sie neuen Knochen bilden, um den Schaden zu beheben. Das ist so, als würde man Schlaglöcher auf einer holprigen Straße überpflastern. Diese Reparatur führt zu dichteren, stärkeren Knochen.
Knochen, hier in einer Röntgenaufnahme, erscheinen aufgrund des in ihnen enthaltenen Kalziums weiß. Asja/Flickr
Gespräche zwischen Knochen und Muskeln
Aber die Überbrückung winziger Schäden erklärt nur einen Teil des Nutzens von Bewegung für die Knochen. In den letzten Jahren hat Johnsons Team gezeigt, dass der Weg zu stärkeren Knochen sehr viel komplexer ist. Früher hätten Wissenschaftler die Antworten nur in den Knochen gesucht, sagte er. Wie sich jedoch herausstellte, haben auch die Muskeln etwas über das Verhalten der Knochen zu sagen.
Johnsons Team sowie Wissenschaftler in anderen Labors haben die Signalübertragung – eine Art chemisches Geplapper – entdeckt, die zwischen den beiden Gewebetypen stattfindet. Die Knochen scheinen Signale zu senden, die die Funktionsweise der Muskeln beeinflussen. Die Muskeln wiederum senden Signale, die die Funktionsweise der Knochenzellen verändern.
Muskeln stellen Moleküle her, die die Aktionen der Osteozyten – der Leiter – beeinflussen, wie Johnsons Team herausgefunden hat. (Ein Molekül ist eine Gruppe von Atomen, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Moleküle bilden alles, von den Zellen im Körper über die Bausteine von Kunststoffen bis hin zu den Gasen in der Erdatmosphäre.)
Johnson vermutet, dass Muskeln viele Moleküle herstellen, die die Knochen beeinflussen. Er arbeitet daran, diese zu identifizieren und herauszufinden, welche Botschaften sie an die Knochen senden. Wenn er Erfolg hat, könnte es eines Tages möglich sein, Medikamente oder andere Behandlungen zu finden, die diese Botschaften lauter machen. Das könnte Ärzten eine Möglichkeit bieten, die Osteoblasten dazu zu bringen, mehr neue Knochen zu bilden. Das könnte das gesamte Skelett stärken.
Solche Behandlungen könnten helfen, schwache und brüchige Knochen zu stärken. Diese als Osteoporose bezeichnete Erkrankung betrifft viele ältere Menschen und kann dazu führen, dass die Knochen leicht brechen.
Aber diese Forschung könnte auch jüngeren Menschen helfen, die an Krankheiten leiden, die die Knochen schwächen oder schädigen. Ein Beispiel ist die Glasknochenkrankheit. Wie der Name schon sagt, haben Menschen, die mit dieser Krankheit geboren werden, empfindliche Knochen, die leicht brechen. Derzeit gibt es keine Heilung.
Osteoporose ist eine Erkrankung, die eine gebückte Haltung, einen Verlust an Körpergröße und dünne, schwache Knochen verursacht, die leicht brechen. Die Pfeile zeigen Knochenwachstum (links) und Knochenschwund (rechts) an. Wikimedia Commons
Knochenaufbau außerhalb des Körpers
Die Möglichkeit, den Körper anzuweisen, seine Knochen zu verstärken, könnte Menschen mit einer Reihe von Skeletterkrankungen helfen. Aber manchmal wäre es noch besser, neue Knochen von Grund auf aufzubauen. Wissenschaftler der Columbia University in New York City arbeiten genau daran.
Eine Motivation ist es, Menschen mit dem Treacher Collins Syndrom zu helfen. Bei dieser Krankheit wachsen die Knochen im Gesicht abnormal. Menschen, die mit diesem Syndrom geboren werden, haben oft kleine oder fehlende Wangenknochen. Dies verleiht ihren Gesichtern ein hängendes Aussehen.
Ärzte können diese fehlgeformten Knochen ersetzen oder fehlende Knochen durch eine Operation ergänzen. Dazu muss Knochen aus anderen Teilen des Körpers entnommen werden. Chirurgen können zum Beispiel ein Stück Hüftknochen herausschneiden. Nachdem sie es zu etwas geformt haben, das einem Wangenknochen ähnelt, implantieren sie es in das Gesicht.
Dies ist jedoch nicht ideal. Zum einen wird dabei die Hüfte beschädigt. Außerdem lässt sich der geliehene Knochen nur schwer zu einer perfekten Wange oder einem Kiefer formen.
Deshalb züchtet das Columbia-Team Ersatzknochen im Labor. Zunächst stellen sie ein Gerüst aus Rinderknochen her, dem die lebenden Zellen entnommen wurden. Sie schneiden das Gerüst so zu, dass es wie eine normale, gesunde Version des Knochens geformt ist, den sie ersetzen oder ergänzen wollen. Dann entnehmen sie Stammzellen aus dem Körper des Patienten.
Das Besondere an Stammzellen ist, dass sie zu vielen verschiedenen Zelltypen heranreifen können, auch zu Knochen. Das Columbia-Team gewinnt die Stammzellen aus dem Fett, das dem Patienten entnommen wurde. Sie bringen diese Zellen auf das Gerüst auf und füttern sie dann mit den Nährstoffen, die sie benötigen, um zu Knochenzellen zu reifen. Nach einigen Wochen implantieren die Chirurgen das Knochengerüst in das Gesicht des Patienten.
Dort wächst neuer Knochen in das Implantat hinein. Mit der Zeit frisst der neue Knochen das Gerüst vollständig ab. Schließlich werden nur noch die Knochenzellen des Patienten übrig bleiben, erklärte Sarindr Bhumiratana gegenüber Science News for Students. Sarindr Bhumiratana ist biomedizinischer Ingenieur und einer der Forscher an der Columbia University, die an dem Knochenentwicklungsprojekt arbeiten.
Francis Smith wurde mit dem Treacher-Collins-Syndrom geboren, einer Krankheit, die die Knochen und das Gewebe des Gesichts betrifft. Das Bild rechts zeigt ihn 1978 im Alter von 2 Jahren, bevor er operiert wurde. Links: Smith, wie er heute aussieht, nach mehr als 20 Gesichtsoperationen. Heute ist er Wissenschaftler an der Universität von Calgary in Kanada, wo er sich mit kraniofazialen Wissenschaften beschäftigt. Francis Smith
Bislang haben die Forscher Knochen nur in Schweinen gezüchtet und implantiert. In nicht allzu ferner Zukunft könnten Menschen mit Gesichtsfehlbildungen in der Lage sein, neue Kiefer- oder Wangenknochen aus dem Nichts zu züchten. „Die Wissenschaft der Zukunft ist aufregend“, sagte Bhumiratana, „und sie wird Spaß machen.“
Johnson, Bhumiratana und ihre Kollegen arbeiten daran, den Knochen noch mehr Geheimnisse zu entlocken. Sie hoffen, dass sie diese Skelette bald aus dem Schrank holen können.
Power Words
Biomedizintechniker Ein Experte, der Wissenschaft und Mathematik nutzt, um Lösungen für Probleme in Biologie und Medizin zu finden. Sie können zum Beispiel medizinische Geräte wie künstliche Knie herstellen oder neue Wege finden, um Gewebe für den Körper zu produzieren.
Knochenmark Weiche, fetthaltige Substanz in den Knochen, die Blutzellen produziert.
Forscher an der Columbia University züchten maßgeschneiderte Knochen in den grau gefärbten Tanks in der Mitte. Eine Pumpe (links) umspült die Knochenzellen mit speziellen Flüssigkeiten und Nährstoffen (rot gefärbte Flüssigkeit, rechts), um ihr Wachstum zu fördern. Sarindr Bhumiratana
Knochenmasse Das Gewicht des Skeletts.
Knochenmineraldichte Ein Maß für die Menge an Kalzium und anderen Mineralien, die in einem Knochensegment enthalten sind.
Glasknochenkrankheit Eine genetische Störung, die von Geburt an vorhanden ist und zu schwachen, brüchigen Knochen, frühzeitigem Hörverlust und geringer Körpergröße führt. Es wird angenommen, dass 25.000 bis 50.000 Amerikaner davon betroffen sind. Die Symptome können von leicht bis potenziell tödlich reichen.
Kalzium Ein chemisches Element, das die meisten Organismen für ihr Wachstum benötigen.
Molekül Eine elektrisch neutrale Gruppe von Atomen, die die kleinstmögliche Menge einer chemischen Verbindung darstellt. Moleküle können aus einzelnen Atomsorten oder aus verschiedenen Sorten bestehen. Zum Beispiel besteht der Sauerstoff in der Luft aus zwei Sauerstoffatomen (O2), aber Wasser besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (H2O).
Osteoblasten Zellen, die neues Knochengewebe synthetisieren.
Osteoklasten Zellen, die altes Knochengewebe abbauen und entfernen.
Osteozyten Die häufigste Art von Knochenzellen. Er steuert die Aktionen der Osteoblasten und Osteoklasten.
Osteoporose Eine Erkrankung, die zu schwachen, brüchigen Knochen führt, die leicht brechen.
Stammzelle Eine „leere Zelle“, aus der sich andere Zelltypen im Körper entwickeln können. Stammzellen spielen eine wichtige Rolle bei der Geweberegeneration und -reparatur.
Gewebe Jede der verschiedenen Arten von Material, die aus Zellen bestehen und aus denen Tiere, Pflanzen oder Pilze bestehen.
Treacher-Collins-Syndrom Eine genetische Krankheit, die die Entwicklung von Knochen und anderen Geweben des Gesichts beeinträchtigt. Das Syndrom betrifft schätzungsweise einen von 50.000 Menschen und führt zu Gesichtsdeformationen und manchmal zu Schwerhörigkeit und Gaumenspalten.
Vitamin Das so genannte Sonnenscheinvitamin wird von der Haut gebildet, wenn sie bestimmten ultravioletten Wellenlängen des Sonnenlichts ausgesetzt ist. Die in der Haut gebildete Form ist nicht aktiv, sondern eine Vorläuferform, die bis zum Bedarf im Körperfett gespeichert werden kann. Die aktive Form dieses Vitamins ist ein Hormon, das den Knochen bei der Aufnahme von Kalzium hilft. Die aktive Form spielt auch eine Rolle bei der Bekämpfung vieler chronischer Krankheiten, von Muskelschwund und Diabetes bis hin zu bestimmten Krebsarten und Zahnfleischerkrankungen. Menschen, die sich nicht viel im Freien aufhalten oder Sonnenschutzmittel verwenden, bilden möglicherweise keine idealen Mengen an Vitamin D. Auch sind nur wenige Lebensmittel von Natur aus reich an diesem Vitamin. Daher reichern die Hersteller einige häufig konsumierte Lebensmittel, insbesondere Milch und einige Orangensäfte, mit Vitamin D an.
