Ultrastructuur van Bot

Bot is een gespecialiseerd type bindweefsel. Het heeft een uniek histologisch uiterlijk, waardoor het zijn talrijke functies kan vervullen:

• Hematopoëse – de vorming van bloedcellen uit hematopoietische stamcellen die zich in het beenmerg bevinden.
• Opslag van vetten en mineralen – bot is een reservoir dat vetweefsel in het beenmerg en calcium in de hydroxyapatietkristallen bevat.
• Ondersteuning – botten vormen het raamwerk en de vorm van het lichaam.
• Bescherming – vooral het axiale skelet dat de belangrijkste organen van het lichaam omgeeft.

In dit artikel zullen we de ultrastructuur van het bot bekijken – zijn bestanddelen, structuur en ontwikkeling. We zullen ook onderzoeken hoe ziekte de structuur ervan kan beïnvloeden.

Bestanddelen van bot

Bot is een gespecialiseerde vorm van bindweefsel. Zoals elk bindweefsel kunnen de bestanddelen ervan worden onderverdeeld in cellulaire bestanddelen en de extracellulaire matrix.

Cellulaire bestanddelen

Fig 1.0 – Cellulaire bestanddelen van bot en hun functies.

Er zijn drie soorten cellen in bot:

• Osteoblasten – Synthese van ongecalcificeerde/ongemineraliseerde extracellulaire matrix, osteoïd genaamd. Deze zal later verkalkt/gemineraliseerd worden om bot te vormen.

• Osteocyten – Naarmate het osteoid mineraliseert, worden de osteoblasten ingekapseld tussen lamellen in lacunae waar ze uitgroeien tot osteocyten. Zij controleren vervolgens de mineralen en eiwitten om de botmassa te regelen.

• Osteoclasten – Afgeleid van monocyten en resorberen bot door het vrijkomen van H+ ionen en lysosomale enzymen. Het zijn grote, meercellige cellen.

Het evenwicht tussen de activiteit van osteoblasten en osteoclasten is van cruciaal belang voor het behoud van de structurele integriteit van het weefsel. Het speelt ook een rol bij aandoeningen zoals osteoporose.

Extracellulaire matrix

De extracellulaire matrix (ECM) verwijst naar de moleculen die biochemische en structurele steun bieden aan de cellen.

De ECM van bot is zeer gespecialiseerd. Naast collageen en de bijbehorende eiwitten die gewoonlijk in bindweefsel worden aangetroffen, is bot geïmpregneerd met minerale zouten, met name calciumhydroxyapatietkristallen. Deze kristallen verbinden zich met de collageenvezels en maken het bot hard en sterk. Deze matrix is georganiseerd in talrijke dunne lagen, lamellen genaamd.

Structuur van bot

Onder de microscoop kan bot in twee soorten worden verdeeld:

• Geweven bot (primair bot) – Komt voor bij de embryonale ontwikkeling en bij het herstel van breuken, aangezien het snel kan worden aangelegd. Het bestaat uit osteoïd (niet-gemineraliseerd ECM), waarvan de collageenvezels willekeurig zijn gerangschikt. Het is een tijdelijke structuur, die snel wordt vervangen door volgroeid lamellair bot.

• Lamellair bot (secundair bot) – Het bot van het volwassen skelet. Het bestaat uit sterk georganiseerde platen gemineraliseerd osteoid. Door deze georganiseerde structuur is het veel sterker dan geweven bot. Lamellair bot zelf kan in twee types worden onderverdeeld – compact en sponsachtig.

In beide bottypes is het buitenoppervlak bedekt met een laag bindweefsel, bekend als het periosteum. Een soortgelijke laag, het endosteum, bekleedt de holten in het bot (zoals het medullaire kanaal, het kanaal van Volkmann en de spongieuze botruimten).

Lamellair bot kan in twee types worden verdeeld. De buitenste staat bekend als compact bot – dit is dicht en stijf. De binnenste botlagen worden gekenmerkt door vele met elkaar verbonden holten en worden sponsachtig bot genoemd.

Fig 1.1 – Micrografiek van compact bot. Let op de ordening rond een enkel Haversiaans kanaal.

Compact bot

Compact bot vormt de buitenste ‘schaal’ van bot. In dit type bot zijn de lamellen georganiseerd in concentrische cirkels, die een verticaal Haversiaans kanaal omgeven (dat kleine neurovasculaire en lymfatische vaten doorgeeft). Deze hele structuur wordt een osteon genoemd en vormt de functionele eenheid van het bot.

De Haversiaanse kanalen zijn verbonden door horizontale kanalen van Volkmann – deze bevatten kleine vaten die anastomose (samenvloeien) met de slagaders van de Haversiaanse kanalen. De kanalen van Volkmann geven ook bloedvaten door vanuit het periost.

Osteocyten bevinden zich tussen de lamellen, in kleine holten (lacunae genoemd). De lacunae zijn onderling verbonden door een reeks onderling verbonden tunnels, die canaliculi worden genoemd.

Spongieus bot

Spongieus bot vormt het inwendige van de meeste botten en bevindt zich diep in het compacte bot. Het bevat veel grote ruimten – dit geeft het een honingraatachtig uiterlijk.

De botmatrix bestaat uit een 3D-netwerk van fijne kolommen, die zich kruisen om onregelmatige trabeculae te vormen. Dit levert een licht, poreus bot op, dat sterk is tegen multidirectionele krachtlijnen. De lichtheid van sponsachtig bot is van cruciaal belang om het lichaam te laten bewegen. Als het enige type bot compact zou zijn, zou het te zwaar zijn om te mobiliseren.

De ruimten tussen de trabeculae zijn vaak gevuld met beenmerg. Geel beenmerg bevat adipocyten en rood beenmerg bestaat uit hematopoietische stamcellen.

Dit type bot bevat geen kanalen van Volkmann of Havers.

Fig 1.2 – Structuur van volgroeid bot. Let op de verschillende structuur van compacte en sponsachtige bottypes.

Ossificatie en hermodellering

Ossificatie is het proces waarbij nieuw bot wordt aangemaakt. Het vindt plaats via een van de volgende twee mechanismen:

• Endochondrale ossificatie – Hierbij wordt hyalien kraakbeen vervangen door osteoblasten die osteoïd afscheiden. Het dijbeen is een voorbeeld van een bot dat endochondrale ossificatie ondergaat.

• Intramembraneuze ossificatie – Hierbij wordt mesenchymaal (embryonaal) weefsel gecondenseerd tot bot. Dit type ossificatie vormt platte beenderen zoals het slaapbeen en het schouderblad.

In beide mechanismen wordt in eerste instantie primair bot geproduceerd. Later wordt het vervangen door rijp secundair bot.

Hermodellering

Bot is een levend weefsel en ondergaat als zodanig voortdurend hermodellering. Dit is het proces waarbij rijp botweefsel opnieuw wordt opgenomen, en nieuw botweefsel wordt gevormd. Het wordt uitgevoerd door de cellulaire component van bot.

Osteoclasten breken bot af via een snijkegel. De voedingsstoffen worden weer opgenomen, en osteoblasten leggen nieuw osteoid aan. Remodellering vindt hoofdzakelijk plaats op plaatsen van stress en schade, waardoor de getroffen gebieden sterker worden.

Clinische relevantie – Botafwijkingen

Bot heeft een unieke histologische structuur, die nodig is om zijn functies te kunnen vervullen. Wijzigingen in deze structuur, secundair aan ziekte, kunnen aanleiding geven tot verschillende klinische aandoeningen.

Osteogenesis imperfecta is een aandoening waarbij sprake is van abnormale synthese van collageen vanuit de osteoblasten. Klinische kenmerken zijn breekbare botten, misvormingen van de botten en blauwe oogwit. Het is een zeldzame ziekte en genetisch bepaald, met een autosomaal dominant overervingspatroon. De broosheid van de botten maakt ze vatbaar voor fracturen – dit is van medisch-juridisch belang, aangezien het bij kinderen kan worden aangezien voor opzettelijk letsel.

Osteoporose verwijst naar een afname van de botdichtheid, waardoor de structurele integriteit van de botten afneemt. Dit wordt veroorzaakt door de activiteit van de osteoclasten (botopname) die groter is dan de activiteit van de osteoblasten (botaanmaak). De botten zijn broos en lopen een verhoogd risico op breuken. Er zijn drie typen:

• Type 1: Postmenopauzale osteoporose – Ontwikkelt zich bij vrouwen na de menopauze, als gevolg van een verminderde oestrogeenproductie. Oestrogeen beschermt tegen osteoporose door de activiteit van de osteoblasten te verhogen en die van de osteoclasten te verlagen.
• Type 2: Seniele osteoporose – Treedt meestal op boven de leeftijd van 70 jaar.
• Type 3: Secundaire osteoporose – waarbij osteoporose optreedt als gevolg van een bijkomende ziekte (bv. chronisch nierfalen).

Risicofactoren zijn leeftijd, geslacht, dieet (vitamine D en calcium), etniciteit, roken en immobiliteit. Het wordt gewoonlijk behandeld met bisfosfonaten die door osteoclasten worden opgenomen waardoor ze inactief worden en apoptose ondergaan. Hierdoor wordt de verdere afbraak van het bot beperkt.

Fig 1.3 – Radiografie van een kind met rachitis.

Rachitis is een tekort aan vitamine D of calcium bij kinderen met groeiende botten. Dit betekent dat het osteoid slecht mineraliseert en buigzaam blijft. De epifyseale groeischijven kunnen dan onder het gewicht van het lichaam vervormen, wat kan leiden tot misvormingen van het skelet.

Osteomalacie is een Vitamine D- of calciumtekort bij volwassenen met hermodellerende botten. Hierbij is het door osteoblasten gevormde osteoid slecht gemineraliseerd, wat leidt tot steeds zwakkere botten, waardoor de botten gevoeliger worden voor breuken.

Notitie: Vitamine D-tekort kan het gevolg zijn van slechte voeding, gebrek aan zonlicht of een stofwisselingsstoornis. Nierfalen kan bijvoorbeeld de tweede hydroxylering van vitamine D verstoren, of een darmstoornis kan voldoende opname verhinderen. Een calciumtekort kan worden veroorzaakt door een dieet of een laag vit. D.