Marker für Knochenbildung und -resorption

Knochengewebe bildet ein dynamisches „Depot“ für Kalzium, Phosphor, Magnesium und andere Verbindungen, die für die Aufrechterhaltung der Homöostase im Mineralstoffwechsel notwendig sind. Knochen besteht aus drei Komponenten: Zellen, organischer Matrix und Mineralien. Zellen machen nur 3 % des Knochengewebevolumens aus.

Knochengewebe wird von Osteoblasten gebildet. Ihre Hauptfunktion ist die Synthese von Osteoid (Proteinmatrix), das zu 90–95 % aus Kollagen, geringen Mengen Mukopolysacchariden und nichtkollagenen Proteinen (Osteocalcin, Osteopontin) besteht und anschließend durch Kalzium und Phosphat aus der Extrazellulärflüssigkeit mineralisiert wird. Osteoblasten befinden sich auf der Knochenoberfläche und stehen in engem Kontakt mit dem Osteoid. Sie enthalten alkalische Phosphatase, tragen Rezeptoren für Parathormon und Calcitriol und sind proliferationsfähig. Umgeben von mineralisierter organischer Matrix entwickeln sich Osteoblasten zu Osteozyten (reifen, nicht proliferierenden Zellen, die sich in den Hohlräumen zwischen den Schichten des neu gebildeten Knochens befinden).

Der Knochenabbau erfolgt durch Osteoklasten. Durch die Sekretion von proteolytischen Enzymen und saurer Phosphatase verursachen Osteoklasten den Abbau von Kollagen, die Zerstörung von Hydroxylapatit und den Abbau von Mineralien aus der Matrix. Neu gebildetes, schlecht mineralisiertes Knochengewebe (Osteoid) ist resistent gegen osteoklastische Resorption.

Kollagen Typ I ist das Hauptprotein und bildet 90 % der organischen Knochenmatrix. Es wird von Osteoblasten als Vorläufer, Prokollagen Typ I, synthetisiert. Dieses große Molekül enthält carboxy- und aminoterminale Propeptide (N- und C-terminale Propeptide von Kollagen Typ I). Diese Propeptide werden nach der Freisetzung des Prokollagens aus der Zelle durch spezifische Peptidasen vom Hauptmolekül abgetrennt.

Nichtkollagene Proteine machen etwa 10 % der organischen Knochenmatrix aus. Sie verleihen der Knochenmatrix ihre einzigartige Struktur. Die Ablagerung von Hydroxylapatit hängt maßgeblich vom richtigen Verhältnis der Matrixproteine ab, deren Synthese durch osteoblastische Zellen erfolgt.

Der mineralische Anteil des Knochens besteht aus Hydroxylapatit [Ca10 ₍ PO4 ₎ 6 ₍ OH) ₂ ] und amorphem Calciumphosphat, die nichtkovalent an Proteine der organischen Matrix gebunden sind. Die Orientierung der Hydroxylapatitkristalle wird maßgeblich durch die Orientierung der Kollagenfasern der Matrix bestimmt.

Die lebenswichtige Aktivität des Skelettsystems basiert auf zwei miteinander verbundenen und sich gegenseitig ergänzenden Prozessen: der Bildung von neuem Knochen und dem Abbau – der Resorption von altem Knochen. Normalerweise sind Bildung und Resorption von Knochengewebe (Knochenumbau) im Gleichgewicht.

Osteoklasten resorbieren kontinuierlich altes Knochengewebe, während Osteoblasten neuen Knochen durch die Synthese von Osteoid (einer Proteinmatrix) bilden, das anschließend mit Kalzium und Phosphat aus der extrazellulären Flüssigkeit mineralisiert wird. Diese Zellkomplexe, die am lokalen Prozess der Knochenresorption und -bildung beteiligt sind, werden als grundlegende multizelluläre Umbaueinheiten bezeichnet.

Störungen im Knochenumbau entstehen durch eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Knochenbildungs- und Knochenabbauprozessen hin zu einem Überwiegen der letzteren, was zu Knochenschwund führt. Intensität und Schwere des Knochenschwunds hängen von der Geschwindigkeit des Knochenumbaus ab. Das Überwiegen der Knochenbildungsprozesse und deren erhöhte Mineralisierung führen zu einer Zunahme der Knochenmasse und -dichte – Osteosklerose.

Zur Bezeichnung klinischer, labortechnischer und radiologischer Manifestationen von Knochenschwund wird der Sammelbegriff Osteopenie verwendet. Ursachen für Osteopenie sind Osteoporose, Osteomalazie, primärer Hyperparathyreoidismus, Myelom, Mastozytose und renale Osteodystrophie.

Eine Zunahme der Knochenmasse und -dichte wird als Osteosklerose bezeichnet. Osteosklerose ist durch die Bildung von Herden vermehrter organischer Matrix gekennzeichnet, die anschließend mineralisiert, was zu einer Zunahme der Knochenmasse und -dichte führt. Osteosklerose tritt meist im Spätstadium einer chronischen Niereninsuffizienz auf.

Zu den Markern des Knochengewebestoffwechsels (Markern der Knochengewebebildung) gehören das Knochenisoenzym der alkalischen Phosphatase, Osteocalcin und das C-terminale Propeptid von Kollagen Typ I.

Zu den wichtigsten biochemischen Parametern, die in der klinischen Praxis als Kriterien für die Knochenresorption verwendet werden, zählen die Kalziumausscheidung im Urin, das N-terminale Propeptid von Kollagen Typ I und die Pyridinbindungen von Kollagen.

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