Bones: Ze leven!

Zonder botten zou je lichaam een glibberige zak met organen zijn. Maar de stijve modellen van een skelet die je in de natuurkundeles hebt gezien (of als Halloweenversiering) vertellen maar de helft van het verhaal. Dat komt omdat “het skelet meer doet dan alleen je overeind houden,” legt Laura Tosi uit. Botten zijn gemaakt van levende, ademende cellen. En ze spelen allerlei belangrijke rollen, zegt Tosi, die leiding geeft aan het Bone Health Program van het Children’s National Medical Center in Washington, D.C.

Kleine gehoorbeentjes geleiden geluiden die ons helpen horen. Beenmerg – een zachte, geleiachtige substantie die de holle binnenkant van de lange botten van het lichaam vult – produceert bloedcellen, zowel rode als witte. Witte bloedcellen bestrijden infecties, terwijl rode bloedcellen zuurstof door het lichaam vervoeren.

En dat is nog maar het begin. Onderzoekers hebben ontdekt dat botten op verrassende manieren “chatten” met andere lichaamsdelen. Terwijl wetenschappers de geheimen van het skelet ontrafelen, vinden ze aanwijzingen die hen kunnen helpen ziekten te genezen en zelfs vervangende botten te kweken.

The skeleton crew

Het geraamte dat je lichaam vorm geeft, is verrassend druk. “Bot is een zeer dynamisch orgaan,” merkt Mark Johnson op. Hij is biochemicus aan de Universiteit van Missouri-Kansas City.

Het skelet van het lichaam verandert voortdurend. In een proces dat remodellering heet, breekt oud bot af, zodat nieuw bot zijn plaats kan innemen. Tijdens de kindertijd, zorgt dit proces ervoor dat botten groeien en van vorm veranderen. Bij volwassenen helpt remodellering schade te herstellen en te voorkomen dat botten broos worden.

Cellen genaamd osteoclasten breken oud bot af door middel van een proces dat resorptie wordt genoemd. Andere cellen, osteoblasten genaamd, zorgen voor de aanmaak van nieuw bot. Maar de meeste botcellen behoren tot een derde type. Zij worden osteocyten genoemd en zij vertellen de osteoblasten en osteoclasten wat ze moeten doen. “Als je remodellering ziet als een symfonie, is de osteocyt de dirigent,” legt Johnson uit.

Tijdens de kindertijd en vroege volwassenheid maakt het lichaam meer nieuw bot aan dan het wegneemt. Dit betekent dat de massa – of de hoeveelheid bot – toeneemt. Uiteraard is het moeilijk om de botmassa te meten als de rest van het lichaamsweefsel in de weg zit. Daarom schatten artsen de sterkte van de botten door de dichtheid te meten van het harde mineraal dat zich in een botsegment bevindt. Hoe groter de botdichtheid, hoe sterker het skelet.

Om meer bot op te bouwen, hebben de cellen bepaalde bouwstenen nodig. Een bijzonder belangrijke: calcium. Sterke botten zijn afhankelijk van dit mineraal, dat in zuivelproducten en veel groenten zit. Botten fungeren ook als de opslagplaats van het lichaam voor calcium, dat op tal van plaatsen wordt gebruikt. Calcium zorgt bijvoorbeeld voor de chemische reactie die het hart doet kloppen. Als de voeding niet genoeg calcium levert, steelt het lichaam het mineraal uit het skelet. Dat kan de botten verzwakken.

Het is ook moeilijk om gezonde botten te hebben zonder voldoende vitamine D. Het helpt het lichaam om calcium op te nemen. Maar veel mensen hebben te weinig vitamine D. Als gevolg daarvan kunnen hun botten dun en misvormd worden.

Wanneer het aankomt op de opbouw van botten, echter, “oefening is het allerbelangrijkste,” vertelde Tosi aan Science News for Students. Gewichtdragende oefeningen zoals wandelen, hardlopen, springen en gewichtheffen zijn zeer geschikt om de botmassa te vergroten. Oefening maakt zelfs zo’n verschil dat professionele tennissers sterkere botten hebben in de arm die ze gebruiken om hun racket te slaan.

Uitoefening versterkt de botten waarschijnlijk op verschillende manieren, zegt Johnson. Gewichtdragende training veroorzaakt kleine hoeveelheden schade aan het bot. Osteoblasten reageren door nieuw bot aan te leggen om de schade te herstellen. Het is alsof je kuilen in een hobbelige weg wegwerkt. Het resultaat is dichtere, sterkere botten.

Conversaties tussen botten en spieren

Maar het overbruggen van kleine beschadigingen verklaart slechts een deel van het voordeel van lichaamsbeweging voor de botten. De afgelopen jaren heeft Johnsons team aangetoond dat de weg naar sterkere botten veel complexer is. Wetenschappers keken vroeger alleen naar botten voor de antwoorden, zei hij. Het blijkt echter dat spieren ook iets te zeggen hebben over het gedrag van botten.

Johnson’s team, evenals wetenschappers in andere laboratoria, hebben signalering ontdekt – een soort chemisch geratel – dat plaatsvindt tussen de twee soorten weefsel. Botten blijken signalen uit te zenden die de werking van de spieren beïnvloeden. Spieren zenden op hun beurt signalen uit die de werking van botcellen veranderen.

Spieren maken moleculen die de acties van osteocyten – de geleiders – beïnvloeden, zo heeft Johnson’s team ontdekt. (Een molecuul is een groep atomen die bij elkaar worden gehouden door chemische bindingen. Moleculen vormen alles, van de cellen in het lichaam en de bouwstenen van kunststoffen tot de gassen in de atmosfeer van de aarde.)

Johnson vermoedt dat spieren veel moleculen maken die de botten beïnvloeden. Hij werkt aan de identificatie van deze moleculen en welke boodschappen zij naar de botten sturen. Als hij daarin slaagt, zal het op een dag misschien mogelijk zijn om medicijnen of andere behandelingen te vinden die het volume van die boodschappen opvoeren. Dat zou artsen een manier kunnen geven om die osteoblasten te sturen om meer nieuw bot aan te maken, bijvoorbeeld. Dat zou het hele skelet kunnen versterken.

Dergelijke behandelingen zouden kunnen helpen zwakke en broze botten te versterken. Deze aandoening, die osteoporose wordt genoemd, treft veel oudere mensen en kan leiden tot botten die gemakkelijk breken.

Maar dit onderzoek zou ook jongere mensen kunnen helpen die ziekten hebben die botten verzwakken of beschadigen. Een voorbeeld is de brozebottenziekte. Zoals de naam al zegt, hebben mensen die met deze aandoening worden geboren tere botten die gemakkelijk breken. Op dit moment bestaat er geen genezing.

Bot opbouwen buiten het lichaam

De mogelijkheid om het lichaam te instrueren zijn botten te versterken, zou mensen met een aantal skeletaandoeningen kunnen helpen. Maar soms zou het bouwen van nieuwe botten vanuit het niets nog beter zijn. Wetenschappers van de Columbia-universiteit in New York werken aan precies dat.

Eén motivatie is het helpen van mensen met het Treacher Collins-syndroom. Deze ziekte veroorzaakt een abnormale groei van de botten in het gezicht. Mensen die met het syndroom worden geboren, hebben vaak kleine of ontbrekende jukbeenderen. Dit geeft hun gezichten een droopy look.

Dokters kunnen deze misvormde botten vervangen of ontbrekende botten toevoegen met een operatie. Daarvoor moet bot uit andere delen van het lichaam worden weggenomen. Chirurgen kunnen bijvoorbeeld een stuk heupbot wegsnijden. Nadat ze het gevormd hebben tot iets dat op een jukbeen lijkt, implanteren ze het in het gezicht.

Dit is echter niet ideaal. Ten eerste, het beschadigt de heup. Het geleende bot kan ook moeilijk te vormen zijn tot een perfecte wang of kaak.

Dus kweekt het Columbia-team vervangend bot in het lab. Eerst maken ze een steiger, of frame, van koeienbot dat ontdaan is van zijn levende cellen. Ze snijden de steiger zo dat hij de vorm heeft van een normale, gezonde versie van het bot dat ze willen vervangen of toevoegen. Daarna halen ze stamcellen uit het lichaam van de patiënt. Stamcellen zijn bijzonder omdat ze kunnen uitgroeien tot veel verschillende soorten cellen, waaronder bot. Het Columbia-team oogst stamcellen uit vet dat bij de patiënt is afgenomen. Ze brengen deze cellen aan op de steiger en geven ze vervolgens de voedingsstoffen die ze nodig hebben om uit te groeien tot botcellen. Na een paar weken implanteren chirurgen de botsteiger in het gezicht van de patiënt.

Daar zal nieuw bot blijven groeien in het implantaat. Na verloop van tijd zal het nieuwe bot de steiger volledig wegvreten. Uiteindelijk zullen alleen de botcellen van de patiënt overblijven, vertelde Sarindr Bhumiratana aan Science News for Students. Hij is biomedisch ingenieur en is een van de onderzoekers aan Columbia die aan het botontwikkelingsproject werken.

Tot nu toe hebben deze onderzoekers alleen botten gekweekt en geïmplanteerd in varkens. Binnenkort willen ze deze techniek echter ook bij mensen testen.

In de niet al te verre toekomst kunnen mensen met gezichtsafwijkingen misschien nieuwe kaak- of jukbeenderen laten maken. “De wetenschap van de toekomst is opwindend,” zei Bhumiratana, “en het wordt leuk.”

Johnson, Bhumiratana en hun collega’s zijn bezig om nog meer geheimen uit botten te peuren. Ze hopen dat ze die skeletten snel uit de kast kunnen laten komen.

Power Words

biomedisch ingenieur Een deskundige die wetenschap en wiskunde gebruikt om oplossingen te vinden voor problemen in de biologie en geneeskunde. Hij kan bijvoorbeeld medische hulpmiddelen zoals kunstknieën maken of nieuwe manieren vinden om weefsels voor gebruik in het lichaam te produceren.

beenmerg De zachte, vettige substantie in de botten die bloedcellen produceert.

Onderzoekers aan de Columbia University kweken aangepaste botten in de grijsgekleurde tanks in het midden. Een pomp (links) dompelt de botcellen onder in speciale vloeistoffen en voedingsstoffen (roodgekleurde vloeistof, rechts) om ze te helpen groeien. Sarindr Bhumiratana

botmassa Het gewicht van het skelet.

dichtheid van het botmineraal Een maat voor de hoeveelheid calcium en andere mineralen die in een botsegment zijn verpakt.

brozebottenziekte Een genetische aandoening die vanaf de geboorte aanwezig is en zwakke, broze botten veroorzaakt; vroegtijdig gehoorverlies en geringe lengte. Er wordt aangenomen dat 25.000 tot 50.000 Amerikanen eraan lijden. De symptomen kunnen variëren van mild tot potentieel dodelijk.

calcium Een chemisch element dat de meeste organismen nodig hebben om te groeien.

molecule Een elektrisch neutrale groep atomen die de kleinst mogelijke hoeveelheid van een chemische verbinding vertegenwoordigt. Moleculen kunnen bestaan uit één soort atomen of uit verschillende soorten. De zuurstof in de lucht bestaat bijvoorbeeld uit twee zuurstofatomen (O2), maar water bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom (H2O).

osteoblast Cellen die nieuw botweefsel aanmaken.

osteoclast Cellen die oud botweefsel afbreken en verwijderen.

osteocyte Het meest voorkomende type botcel. Het stuurt de acties van osteoblasten en osteoclasten.

osteoporose Een aandoening die zwakke, broze botten veroorzaakt die gemakkelijk breken.

stamcel Een “blanco lei”-cel die aanleiding kan geven tot andere celtypen in het lichaam. Stamcellen spelen een belangrijke rol bij de regeneratie en het herstel van weefsel.

weefsel Een van de verschillende soorten materiaal, bestaande uit cellen, waaruit dieren, planten of schimmels zijn opgebouwd.

Treacher Collins-syndroom Een genetische ziekte die de ontwikkeling van botten en andere weefsels van het gezicht beïnvloedt. Het syndroom treft naar schatting één op de 50.000 mensen en veroorzaakt misvormingen van het gezicht en soms gehoorverlies en een gespleten gehemelte.

vitamine D Wordt ook wel de zonneschijnvitamine genoemd. De huid maakt deze chemische stof aan bij blootstelling aan bepaalde ultraviolette golflengten van het zonlicht. De vorm die in de huid wordt aangemaakt is niet actief, maar eerder een precursorvorm die kan worden opgeslagen in lichaamsvet totdat hij nodig is. De actieve vorm van deze vitamine is een hormoon dat de botten helpt calcium op te nemen. De actieve vorm speelt ook een rol bij de bestrijding van vele soorten chronische ziekten, van spieratrofie en diabetes tot bepaalde vormen van kanker en tandvleesproblemen. Mensen die niet veel tijd buiten doorbrengen of zonnebrandcrème dragen als ze dat wel doen, maken misschien niet de ideale hoeveelheden vitamine D aan. Er zijn ook maar weinig voedingsmiddelen die van nature rijk zijn aan deze vitamine. Daarom verrijken fabrikanten sommige veelgebruikte voedingsmiddelen, vooral melk en sommige sinaasappelsappen, met vitamine D.

Word find (klik hier om te vergroten voor afdrukken)