Knochenmatrix

Bezogen auf die Feuchtmasse setzt sich die Knochenmatrix etwa wie folgt zusammen:

Der organische Anteil verleiht dem Knochen Elastizität und Zugfestigkeit, der mineralische Anteil Härte und Druckfestigkeit.

Der Hauptbestandteil der organischen Matrix sind Kollagenfasern vom Typ I. In den Kollagenfibrillen ist das Tropokollagen versetzt angeordnet. Zwischen den Enden aufeinanderfolgender Moleküle entstehen etwa 40 nm lange Lücken entlang der Fibrillenachse. Diese Lückenzonen dienen als Bildungsorte für Hydroxylapatitkristalle. Weitere Kristalle lagern sich zwischen den Fibrillen ein. So entsteht ein belastungsfähiges Nanokomposit aus Kollagen und Mineral.

Hydroxylapatit ist ein kristallines Calciumphosphat mit der idealisierten Formel Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Das Knochenmineral liegt überwiegend als calciumarmer, carbonathaltiger Apatit vor und weicht vom chemisch reinen Hydroxylapatit ab. Es verleiht der Knochenmatrix Härte und Druckfestigkeit und dient als Speicher für Calcium und Phosphat.

Nicht-kollagene Proteine machen etwa 5 bis 15 % der organischen Matrix aus. Zu ihnen zählen:

• Proteoglykane, v.a. Decorin und Biglycan: Sie tragen Glykosaminoglykane wie Chondroitinsulfat, binden an Kollagen und beeinflussen die Fibrillenbildung.
• Osteocalcin: Vitamin-K-abhängig γ-carboxyliertes Protein, das Hydroxylapatit bindet und das Kristallwachstum reguliert. Es dient als Marker der Knochenbildung.
• Osteonektin: Bindet Kollagen und Mineral und ist an der Matrixorganisation beteiligt.
• Bone Sialoprotein und Osteopontin: Bone Sialoprotein fördert die Kristallbildung. Osteopontin hemmt eher das Kristallwachstum und vermittelt die Anheftung von Osteoklasten.
• Wachstumsfaktoren wie TGF-β, knochenmorphogenetische Proteine (BMPs) und IGF: Sie werden bei der Resorption freigesetzt und koppeln Abbau und Neubildung.

Die Knochenmatrix wird im Rahmen des Knochenumbaus fortlaufend neu gebildet, mineralisiert und wieder abgebaut. Osteoblasten synthetisieren zunächst das organische Osteoid. Dieses bildet einen schmalen Osteoidsaum und wird nach einer Verzögerung von einigen Tagen durch Einlagerung von Calcium- und Phosphatverbindungen mineralisiert. Ein großer Teil des Minerals wird rasch eingelagert (primäre Mineralisation). Die vollständige Mineralisation erfolgt über Monate bis Jahre (sekundäre Mineralisation).

Die von Osteoblasten gebildete alkalische Phosphatase spaltet Pyrophosphat, einen natürlichen Hemmstoff der Mineralisation, und stellt so Phosphat bereit.

Osteoklasten resorbieren ältere Knochenmatrix und ermöglichen so die Erneuerung des Knochens. Resorption und Neubildung sind eng gekoppelt. Dadurch wird die Matrix stetig an mechanische und metabolische Anforderungen angepasst. Gesteuert wird der Umbau unter anderem von den in die Matrix eingemauerten Osteozyten, z.B. über Sklerostin und RANKL.

Zur Beurteilung des Knochenstoffwechsels dienen Knochenumbaumarker:

• Formationsmarker: P1NP, Osteocalcin, knochenspezifische alkalische Phosphatase
• Resorptionsmarker: CTX (C-terminales Telopeptid des Kollagens Typ I)

Störungen der Matrixbildung oder der Mineralisierung vermindern die Festigkeit des Knochens und führen zu erhöhter Frakturneigung. Die folgende Tabelle zeigt wichtige Erkrankungen:

Bei der Osteogenesis imperfecta ist die Knochenmatrix unabhängig von der zugrunde liegenden Mutation und vom Schweregrad abnorm hoch mineralisiert. Das erhöht die Sprödigkeit des Knochens.^[1]

• Bhagavan NV, Ha CE. Essentials of Medical Biochemistry: With Clinical Cases. 2nd ed. Academic Press; 2015.
• Lüllmann-Rauch R, Asan E. Taschenlehrbuch Histologie. 6. Aufl. Thieme; 2019.