Osteologie für Rheumatologen

Aktuelle Osteologie aus rheumatologischer Sicht

Volker Nehls

Früh in der Krankheitsentwicklung der Arthrose wachsen Knochenvorsprünge (Osteophyten) an den Gelenken. Das überschiessende Knochen- und Knorpelwachstum wird von manchen Autoren als entscheidender für die Pathogenese der Arthrose angesehen als der Faktor “Verschleiß” (Aspden, 2008). Im Gegensatz zur Polyarthrose ist die rheumatoide Arthritis gekennzeichnet durch einen Knochenschwund, der zu Erosionen und Gelenkzerstörungen führt. Knochenbildung und Verkalkungsvorgänge in primär nicht-knöchernen Geweben (heterotope Ossifikationen) können, wenn Blutgefäße (Arteriosklerose) oder die Skelettmuskulatur betroffen sind, zu einer erheblichen Krankheitslast für die betroffenen Patienten führen.

Wichtig für das Verständnis von Krankheitsprozessen in der Rheumatologie ist daher die Entschlüsselung der Mechanismen, die das Knochenwachstum und die Mineralisation regulieren. In den vergangenen Jahren konnten neue und interessante Erkenntnisse gewonnen werden.

Grundlagen

Die grundlegende funktionelle Baueinheit des Lamellenknochens ist das Osteon, ein 2-3 mm langes und 0,2 mm breites Röhrchen aus konzentrisch geschichteten Knochenlamellen, die den zentral verlaufenden Havers-Kanal einschliessen. Im Havers-Kanal laufen Blutgefäße und knochenversorgende Nerven, weiterhin finden sich dort Vorläuferzellen von Osteoblasten und andere Bindegewebszellen. Neue Knochenlamellen werden zentral durch die synthetische Aktivität von Osteoblasten gebildet. Knochenaufbauende Zellen (Osteoblasten) und knochenabbauende Zellen (Osteoklasten) reagieren dabei stets als funktionelle Einheit (bone forming unit). Osteoblasten signalisieren Osteoklasten, u.a. durch den Faktor RANKL (s.u.), Knochen abzubauen. Der entstandene Substanzdefekt wird anschliessend von Osteoblasten wieder aufgefüllt.

Knochen ist ein hochdynamisches Gewebe, das beständig ab- und parallel dazu neu aufgebaut wird, um sich an die aktuellen physikalischen Gegebenheiten anzupassen. Osteoblasten und Osteoklasten stellen nur einen kleinen Prozentsatz aller Knochenzellen. Mehr als 90 % der Zellen liegen als sogenannte Osteozyten vor. Osteozyten entwickeln sich aus Osteoblasten, die sich selber in den neugebildeten Knochen einmauern, ihren Stoffwechsel drosseln und ihre Gestalt verändern. Osteozyten bilden lange Zellfortsätze aus (Dendriten), die mit den Fortsätzen anderer Osteozyten und mit Osteoblasten über offene Zellverbindungen (gap junctions) miteinander kommunizieren. Dieses Netzwerk der miteinander vernetzten Osteozyten bildet den Mechanosensor, der “spürt”, ob sich der Knochen unter Belastung zu stark verformt.

Osteozyten senden über ihre Zellausläufer Signale an Osteoblasten und Osteoklasten, um diesen mitzuteilen, ob mehr oder weniger Knochen benötigt wird (Clarke et al., 2008). Osteoklasten scheinen im Normalzustand durch Osteozyten gehemmt zu werden. Wenn der Knochen frakturiert, kommt es zum programmierten Zelltod von Osteozyten in der Frakturzone. Die Folge ist eine lokale Aktivierung der Osteoklasten, die sich in der Nähe des Frakturspaltes befinden (Verborgt et al., 2000).

Die im Havers-Kanal verlaufenden Nerven bestehen auch aus Fasern des sympathischen Nervensystems, die Katecholamine (Adrenalin, Noradrenalin) freisetzen (Mach et al., 2002). Katecholamine stimulieren die Differenzierung und Aktivität von Osteoklasten, überwiegend durch Induktion von RANKL in Osteoblasten (Aitken et al., 2009). Auf diese Weise wirken Adrenalin und andere beta-adrenerge Substanzen Osteoporose-fördernd. Beta-Blocker führen langfristig durch die Hemmung der Knochenresorption zu einer Erhöhung der Knochendichte.

Osteoimmunologie - das RANK/RANKL/Osteoprotegerin-System

Die funktionelle Verzahnung zwischen Knochenzellen und Zellen des Immunsystems bildet die physiologische Grundlage der Osteoimmunologie (Schett, 2009). Osteoblasten, aber auch Lymphozyten, bilden RANKL (receptor activator of nuclear factor kappaB ligand), ein Zytokin aus der TNF-Familie, das an Makrophagen bindet und deren Differenzierung zu Osteoklasten über den Rezeptor RANK (receptor activator of nuclear factor kappaB) stimuliert. RANKL wird stimuliert durch inflammatorische Botenstoffe. Neben TNF-alpha induzieren Interleukin-1, Interleukin-6 und Interleukin-17 die RANKL-Expression und somit die Knochenresorption durch aktivierte Osteoklasten (Schett, 2009; Polzer et al., 2010; Stolina et al., 2010). Da Interleukin-17 nach neueren Berichten auch eine wichtige Rolle in der Angiotension-induzierten arteriellen Hypertension spielt (Madhur et al., 2010; Platten et al., 2009), ist dieses Zytokin möglicherweise eines der “missing links” zwischen Osteoporose und Bluthochdruck, zwei Erkrankungen, die statistisch häufiger gemeinsam auftreten.

Gehemmt wird RANKL durch Osteoprotegerin, ein wie RANKL von Osteoblasten gebildetes Zytokin (Kearns et al., 2008). Entzündliches Bindegewebe (Pannus) bei der rheumatoiden Arthritis enthält relativ viel RANKL und wenig Osteoprotegerin (Ainola et al., 2008) und bietet somit ein biochemisches Milieu, das die Osteoklastendifferenzierung begünstigt. Auch bei der Paget-Erkrankung (Osteitis deformans) findet sich ein Ungleichgewicht zwischen RANKL und Osteoprotegerin, und Gendefekte von RANK oder Osteoprotegerin stellen nach heutiger Anschauung eine genetische Prädisposition für die Entwicklung eines Morbus Paget oder einer anderen Hyperphosphatasie (pathologisch gesteigerte Expression der AP im Knochen) dar (Martinin et al., 2007; Daroszewska und Ralston, 2006).

Für einen monoklonalen Antikörper gegen RANKL, Denosumab, wurde die Zulassung zur Behandlung der postmenopausalen Osteoporose beantragt. Entzündliche Erkrankungen wie die rheumatoide Arthritis gehen - auch ohne Einsatz von synthetischen Corticosteroiden - mit einem erheblich erhöhten Osteoporoserisiko einher. Strukturelle Gelenkschäden (Erosionen) gehen z.T. auf das Konto von RANKL und sind immer auf eine gesteigerte Osteoklasten-Aktivität zurückzuführen. Klinische Studien zeigten, dass Denosumab die Entwicklung einer periartikulären Entkalkung und die Ausbildung von Erosionen bei der rheumatoiden Arthritis hemmt (Deodhar et al., 2010; Cohen et al., 2008). Die Entwicklung von Osteophyten wird jedoch offensichtlich nicht durch die Blockade von RANKL beeinflusst (Schett et al., 2009).

Osteoklasten werden von Zellen des Immunsystems aktiviert, umgekehrt beeinflussen Osteoklasten jedoch auch die Entwicklung des Immunsystems. Vergleichbar dendritischen Zellen sind Osteoklasten in der Lage, Eigen- und Fremdantigene zu präsentieren und T-Lymphozyten zu aktivieren (Li et al., 2010). Mäuse mit einem knockout von RANK haben nicht nur eine Osteopetrose als Folge einer blockierten Osteoklastogenese, die Tiere zeigen auch eine gestörte Entwicklung von B-Lymphozyten und Lymphknoten (Dougall et al., 1999).

Der wnt/beta-catenin Signalweg

Der wnt/beta-catenin Signalweg ist bereits in der Embryonalzeit an der Steuerung zahlreicher Entwicklungsprozesse beteiligt. Die Aktivierung dieser komplexen Molekülkaskade ist auch für das Knochenwachstum entscheidend und stellt die physiologische Antwort auf eine erhöhte mechanische Beanspruchung des Knochens dar (Robinson et al., 2006). Wnt-Liganden fördern die Entwicklung von Osteoblasten aus mesenchymalen Vorläuferzellen und hemmen die Osteoklastogenese durch Stimulation von Osteoprotegerin in Osteoblasten (Glass et al., 2005). Eine niedrige wnt-Aktivität führt daher zu einer reduzierten Knochenbildung und einer erhöhten Knochenresorption. BMP-2 und zahlreiche weitere Signalmoleküle (wnt-Liganden, Lithiumchlorid u.v.a.) stimulieren den wnt/beta-catenin-Signalweg.

Die wnt-Liganden Wnt 1, Wnt2 und Wnt3 induzieren in Osteoblasten die Expression der alkalischen Phosphatase; Lithiumchlorid induziert die Differenzierung von Vorläuferzellen zu Osteoblasten (Takahashi-Yanaga et al., 2007). 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3 stimuliert in Osteoblasten und Chondrozyten den wnt-Signalweg und begünstigt so die Entwicklung von Osteoblasten und die Differenzierung von Chondrozyten (Fretz et al., 2006; Papathanasiou I et al., 2010).

Auch bei heterotopen Ossifikationen findet sich eine Aktivierung dieses Signalwegs. Pathologische Kalzifizierungsprozesse zeigen sich häufig als Residuen nach Entzündungsprozessen, z.B. Lymphknotenverkalkungen bei der Tuberkulose oder Sarkoidose, verkalkte Spritzenabszesse oder Weichteilverkalkungen nach Verletzungen oder Operationen. Das zelluläre Programm zur Generierung von Gewebeverkalkungen läuft relativ uniform und unabhängig von der Art des schädigenden Agens ab und hat offensichtlich die Funktion, einen entzündlichen Prozess einzugrenzen und dessen Ausbreitung in gesundes Gewebe zu verhindern. Bindegewebszellen (Fibroblasten) können sich unter definierten Bedingungen zu knochenbildenden Zellen (Osteoblasten) umdifferenzieren. Dieser Prozeß wird gefördert durch Kokultivierung mit entzündungsfördernden Granulozyten (Seybold et al., 2010).

Nicht-steroidale Antirheumatika (NSAR, z.B. Indomethacin, Ibuprofen) reduzieren die heterotope Ossifikation nach Gelenkersatzoperationen signifikant (Fransen et al., 2004) und kommen daher routinemäßig nach Implantation von Gelenkprothesen zum Einsatz. Mehrere Arbeiten zeigen, dass NSAR, COX-1 wie COX-2-Hemmer, den wnt/beta-catenin Signalweg hemmen (Takahashi-Yanaga et al., 2007), vermutlich überwiegend durch Hemmung der PGE2-Bildung (Bartlett et al., 2006).

Prostaglandin E2 (PGE2) stimuliert den wnt/beta-catenin-Signalweg über eine Erhöhung von cAMP (Goessling et al., 2009) und führt so zu einer vermehrten Knochenbildung. Der osteoanabole Effekt von PGE2 wird über den EP2 und EP4 Rezeptor vermittelt (Li et al., 2007). Lokal finden sich erhöhte PGE2-Konzentrationen nach Frakturen, und eine Hemmung der PGE2-Bildung hemmt die Frakturheilung (Li et al., 2007). Synovialflüssigkeit von Patienten mit Arthrose enthält höhere cAMP-Konzentrationen als von Patienten mit rheumatoider Arthritis (Morovic-Vergles et al., 2008).

Osteozyten und Osteoblasten kommunizieren über gap-junctions, diese sind daher für die Knochengesundheit von vitaler Bedeutung (Civitelli, 2008). Der osteoanabole Effekt von Parathormon setzt funktionierende gap junctions voraus. Werden Osteozyten einem Scherstress ausgesetzt, führt die Signalgebung über gap junctions zu einer Aktivierung von Osteoblasten und Hochregulation der alkalischen Phosphatase (Taylor et al.,2007). Eine kürzlich erschienene Publikation zeigt, dass Scherstress in Osteozyten die PGE2-Produktion induziert, und dass PGE2 über cAMP und Stimulation des wnt/beta-catenin-Sinalwegs die interzelluläre Kommunikation durch Hochregulation von gap-junction Proteinen (Connexin 43) fördert (Xia et al., 2010).

Über Connexin 43-Hemikanäle wird weiterhin PGE2 und ATP nach extrazellulär transportiert. Möglicherweise stellt diese wnt/beta-catenin-aktivierende Signalkaskade zusammen mit den wnt-inhibierenden Proteinen Sclerostin und Dickkopf-1 die entscheidende biochemische Grundlage für die Funktion des Mechanosensors dar. Die Hemmung dieses Signalweges führt in Osteoblasten zu einer Reduktion der AP-Expression (Rawadi et al., 2003) und zu einer Induktion des programmierten Zelltods (Apoptose).

Während es bei der rheumatoiden Arthritis zu einer entzündlich bedingten Knochenresorption kommt, wird bei der Arthrose neuer Knochen angebaut. Eine neuere Arbeit zeigt, dass die Knochenresorption bei der rheumatoiden Arthritis partiell durch eine Hemmung des wnt-Signalwegs vermittelt wird. In einem Tiermodell der rheumatoiden Arthritis reduzierte die Hemmung des wnt-Inhibitors Dickkopf-1 (Dkk-1) die Erosionsbildung und stimulierte das Wachstum von Osteophyten (Diarra et al., 2007). Patienten mit rheumatoider Arthritis, die erhöhte Dkk-1 Konzentrationen generieren, leben einer Arbeit zufolge mit einem erhöhten Risiko, Erosionen zu entwickeln (Garnero et al., 2008). In einem anderen pathophysiologischen Kontext zeigen erhöhte Dkk-1 Spiegel jedoch günstige Effekte. So sind erhöhte Konzentrationen von Dkk-1 mit einer verlangsamten Progression der Hüftgelenksarthrose assoziiert (Corr, 2008).

Sclerostin ist das Genprodukt des Sost-Gens und wird spezifisch von Osteozyten produziert. Sclerostin reduziert die Knochenneubildung durch Hemmung des wnt/beta-catenin-Signalwegs in Osteoblasten (Li et al., 2005).  Genetische Defekte von Sost führen zu verminderten Sclerostinspiegeln und zu hypersklerosierenden Knochenerkrankungen (van Buchem’s Erkrankung, Osteosklerose). Der osteoanabole Effekt von Parathormon wird partiell durch eine Hemmung von Sclerostin und Dickkopf-1 vermittelt, beide Proteine sind Inhibitoren des Wnt-Signalwegs (Kobayashi et al., 2009).

Wenn Patienten immobilisiert werden, finden sich im Blut dieser Patienten signifikant erhöhte Sclerostinspiegel und eine erniedrigte AP. Wahrscheinlich trägt die Hypersclerostinämie zur Inaktivitätsosteoporose bei (Gaudio A et al., 2010). Bei der Hüftarthrose finden sich weniger Osteozyten, die Sclerostin produzieren und mehr AP-positive Knochenzellen im Knochengewebe als bei Patienten, die eine Schenkelhalsfraktur erlitten haben (Power et al., 2010). Eine besonders niedrige Sclerostin-Expression und erniedrigte Serumspiegel finden sich bei Patienten mit ankylosierender Spondylitis, invers korrelierend mit der Entwicklung von Syndesmophyten (Appel et al, 2009).

Östrogen hat einen osteoanabolen Effekt und wurde über viele Jahre zur Therapie der postmenopausalen Osteoporose eingesetzt. Neuere Untersuchungen zeigen, dass Östrogen den Sclerostinspiegel erniedrigt (Mödder et al., 2010). Die Hemmung der Sclerostin-Freisetzung ist ein attraktiver Erklärungsansatz für die bekannten osteoprotektiven Effekte des Östrogens. Allerdings könnte ein erniedrigtes Sclerostin auch zu einem verstärkten Osteophytenwachstum bei der Polyarthrose beitragen.

Phosphat

Phosphat ist essentiell für zahlreiche biochemische Prozesse des Sauerstofftransports und Energiestoffwechsels. Komplexiert mit Kalzium als Hydroxylapatit gibt es dem Knochen Festigkeit. Ein Mangel an Phosphat ist entscheidend für die Ausbildung einer Knochenerweichung (Osteomalazie), die zu belastungsabhängigen Knochenschmerzen führt (Tiosano und Hochberg, 2009). Phosphat kontrolliert den programmierten Zelltod (Apoptose) von Knorpelzellen und Osteoblasten. Auf diese Weise bestimmt der Phosphatspiegel die Zahl der aktiven Osteoblasten. Sinkt die Phosphatkonzentration, steigt die Zahl der aktiven Osteoblasten. Bei Kindern führt der Phosphatmangel zu einer krankhaften Verbreiterung der Wachstumsfugen und zu Verformungen der Knochen (Rachitis).

Osteoblasten bilden die noch unverkalkte Knochengrundsubstanz, das Osteoid, das überwiegend aus Kollagen I besteht. Osteoid wird gehärtet durch schrittweise Ablagerung von Hydroxylapatit, dessen Kristalle sich aus Kalzium und Phosphat bilden. Phosphor ist ein wichtiges Element, quantitativ wie qualitativ. In einem 70 kg schweren Menschen stecken ca. 700 g Phosphor, fast ausschließlich als Phosphat, davon sind 85 % im Knochen als Hydroxylapatit gebunden, im Serum finden sich nur geringe Mengen. Das Serumphosphat liegt zu ca. 90 % in freier und ultrafiltrierbarer Form vor, ca. 10 % sind an Protein gebunden. Die normale Serumkonzentration für Phosphat liegt zwischen 3,4 und 4,5 mg/dl (1,12-1,45 mmol/l). Die Bestimmung sollte im Nüchtern- und Ruhezustand erfolgen, da vorangehende Mahlzeiten oder Muskelarbeit einen Phosphateinstrom vom Plasma in das Zellinnere zur Folge haben können. Der weitaus grösste Teil des nicht in der Knochenmatrix abgelagerten Phosphats liegt intrazellulär gebunden an Proteine vor.

Regulation des Phosphatspiegels

Der Serumphosphatspiegel wird zum einen durch die Resorption aus dem Darm, zum anderen durch die Rückresorption im proximalen Tubulus der Nieren bestimmt. Die Aufnahme über den Darm ist relativ unreguliert und vor allem vom Nahrungsangebot und von Vitamin D abhängig. Eine phosphatreiche Mahlzeit führt nur zu einem geringen Anstieg des Serumspiegels, bedingt u.a. durch die phosphaturische Wirkung von Parathormon (PTH), dessen Serumkonzentration weitgehend der der Phosphatkonzentration parallel läuft und bedingt durch die phosphaturische Wirkung von FGF23.

FGF23 (Phosphatonin) wird von Osteozyten gebildet, hemmt in Kombination mit dem essentiellen Kofaktor Klotho die Rückresorption des Phosphats im proximalen Tubulus der Niere und ist somit wichtig für die Regulation des Phosphatspiegels und des Vitamin D Metabolismus. Die hypophosphatämische Rachitis, eine auch als Phosphatdiabetes bezeichnete Erkrankung, ist gekennzeichnet durch erhöhte Konzentrationen von FGF23. FGF23 hemmt die 1-alpha-Hydroxylase und führt so zu erniedrigten Calcitriol-Spiegeln. Erhöhtes FGF23, z.B. bei der Tumor-induzierten Osteomalazie, führt somit zu einer Hypophosphatämie und zu erniedrigten 1,25-OH-Vitamin D3-Spiegeln.

Eine eng verwandte Erkrankung ist die X-chromosomale Hypophosphatämie, eine Mutation des PHEX-Gens, die zu einer verminderten Bildung einer Endopeptidase führt, die FGF23 inaktiviert. Die betroffenen Patienten haben erhöhte FGF23-Spiegel und entwickeln nicht nur eine Osteomalazie, sondern auch eine Enthesiopathie und zeigen ein verstärktes Wachstum von Osteophyten (Liang et al., 2009). Dieser Effekt wird möglicherweise vermittelt durch niedrige Phosphatspiegel, die zu einer geringeren Apoptose von Osteoblasten und Chondrozyten führen. Alternativ wird ein direkter Effekt von FGF23 auf die Proliferation von fibrokartilaginären Zellen der Enthese postuliert (Liang et al., 2009).

Eine Gendefekt des FGF23 führt zu erniedrigten FGF23-Spiegeln und zu einer Hyperphosphatämie durch gesteigerte renale Rückresorption von Phosphat und zu erhöhten Calcitriol-Konzentrationen durch reduzierte Hemmung der 1-alpha-Hydroxylase. FGF23-knockout-Tiere altern vorzeitig und zeigen u.a. eine gesteigerte ektope Kalzifizierung von Blutgefäßen. Wird die 1-alpha-Hydroxylase oder der Vitamin D-Rezeptor ausgeschaltet, zeigen FGF23-knockout-Mäuse eine normale Lebenserwartung und signifikant geringere Gefäßverkalkungen (Razzaque et al., 2006; Hesse et al., 2007). Calcitriol scheint also, vermutlich partiell bedingt durch Stimulation der alkalischen Phosphatase (s.u.), eine wichtige Rolle im Ablauf der heterotopen Ossifikation zu spielen.

Eine phosphatreiche Kost führt zu erhöhten FGF23-Serumspiegeln und zu einer Erniedrigung der 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3-Konzentration (Antoniucci et al., 2006; Ferrari et al., 2005). Die Erniedrigung des aktiven Vitamin D ist Folge einer Hemmung der 1-alpha-Hydroxylase durch FGF23. Eine erhöhte Phosphatzufuhr, insbesondere durch mit Phosphaten angereicherte Nahrungsmittel führt außerdem zu erhöhten PTH-Konzentrationen und zu einer Erniedrigung des ionisierten Kalziums (Kemi et al., 2009).

Östrogen und Testosteron hemmen die Expression des renalen Phosphattransporters (Uemura et al., 2000; Guttmann-Rubinstein et al., 2010; Faroqui et al., 2008; Burnett-Bowie et al., 2007) und führen so zu einer vermehrten Phosphatausscheidung und zu einer Erniedrigung des Serum- Phosphats. Postmenopausal oder nach Kastration steigt der Phosphatspiegel daher um 0,4-0,7 mg/dl an. Eine Östrogensubstitution in der Postmenopause führt zu einer Erniedrigung des Phosphats um ca. 0,6 mg/dl (Uemura et al., 2000).

Der Phosphattransporter der Niere und die Rückresorption von Phosphat wird durch Insulin stimuliert und durch eine erhöhte Glukosekonzentration im proximalen Tubulus gehemmt (Locatto et al., 1997; Murer et al., 2000). Durch einen Diabetes mellitus und/oder eine Insulinresistenz kann daher eine Hypophosphatämie verursacht werden (Haap et al., 2006). Im Tagesverlauf schwankende Blutzuckerspiegel können zu Veränderungen der Phosphatkonzentration führen.

Parathormon stimuliert die Phosphatausscheidung durch Hemmung der Rückresorption, Vitamin D (Calcitriol) fördert die Resorption von Phosphat im Darm und die Rückresorption in der Niere. Wachstumshormon und Schilddrüsenhormon stimulieren die Phosphatrückresorption und erhöhen so den Serumphoshatspiegel (Murer et al., 2000). Glucocorticoide (Cortison) hemmen den Phosphatrücktransport und verstärken so den renalen Phosphatverlust (Murer et al., 2000).

Mineralisation

Osteoblasten und Chondrozyten schnüren fortlaufend kleine Membranbläschen ab, sogenannte Matrixvesikel. Die Signale, die zur Produktion von Matrixvesikeln führen, sind weitgehend unbekannt. Im Inneren der Bläschen kommt es durch die Aktivität von Membranproteinen zur Anreicherung von Kalzium und Phosphat. Wenn ein kritisches Kalziumphosphatprodukt überschritten wird, kristallisiert Kalziumhydroxylapatit aus. Dieser Kristallkeim vergrössert sich und überschreitet die Membrangrenze. Zusätzliche Apatitkristalle lagern sich extrazellulär weiter an und füllen den Raum zwischen den Kollagenfasern aus. Der Mineralisationsprozess wird u.a. bestimmt durch das lokal verfügbare Kalzium- und Phosphatangebot.

Hydroxyapatit selber stimuliert im Sinne einer positiven Rückkopplungsschleife die Differenzierung von Osteoblasten und die Expression der alkalischen Phosphatase (Matsushima et al., 2009). So fördert eine ultradünne Schicht von Kalziumphosphat oder Hydroxylapatit auf einer Gelenkprothese die Knochenneubildung und Differenzierung von Osteoblasten und somit das Einwachsen der Gelenkprothese (de Jonge et al., 2010; Lamberg et al., 2009). Auch eine Beschichtung mit alkalischer Phosphatase (s.u.) führt zu einer vermehrten Differenzierung von Knochenzellen und periprothetischen Knochenneubildung(Schouten et al., 2009). Während phosphathaltige Matrices die Osteoblastendifferenzierung und Osteoblastenproliferation begünstigen, ist die Phosphatkonzentration im Nährmedium in einem engen Bereich (0,9 mmol/l; Liu et al., 2009) konstant zu halten. Eine Erhöhung der Phosphatkonzentration führt zu einer erhöhten Apoptoserate der knochenbildenden Zellen (Liu et al., 2009).

Der wichtigste physiologische Inhibitor der Apatitkristallbildung ist Pyrophosphat (PP). Durch die Aktivität des Enzyms PC-1 (ENPP1) und des Pyrophosphat-Transporters ANK erhöht sich die extrazelluläre Konzentration des Pyrophosphats. Matrixvesikel sind angereichert mit PC-1, ANK und alkalischer Phosphatase. Pyrophosphat wird durch die alkalische Phophatase (AP) extrazellulär zu Orthomonophosphat (P) gespalten. Pyrophosphat liefert also zum einen Orthomonophosphat als essentiellen Baustein des Hydroxylapatits, ist andererseits aber auch, wie bereits ausgeführt, der entscheidende Hemmer der Apatitkristallbildung. Bei einer P/PP-Relation von > 140 entsteht fast ausschliesslich Hydroxylapatit, bei einer Relation von < 70 ist die Apatitkristallbildung weitgehend gehemmt und ab einer Relation von 6 entstehen überwiegend Pyrophosphatkristalle (Thouverey et al., 2009).

PC-1 (ENPP1) ist eines der Schlüsselenzyme für die Bereitstellung von Pyrophosphat. Wird dieses Enzym ausgeschaltet, so zeigen die entsprechenden Knock-out- Mäuse (und auch Menschen mit diesem Gendefekt) eine gesteigerte ektope Kalzifizierung, eine Verkalkung des Gelenkknorpels und der Blutgefäßwände und eine erhöhte Mortalität (Rutsch et al., 2001). In PC-1 defizienten Mäusen findet sich eine krankhafte Entwicklung von verkalkenden Knorpelzellen in der Gefäßwand von Arterien. Dieser Prozess lässt sich durch Pyrophosphat hemmen (Johnson et al., 2005).  PC-1 ist mit dem Insulinrezeptor assoziiert, eine erhöhte Aktivität des Enzyms führt zu einer Insulinresistenz (Übersicht bei Goldfine et al., 2008). Patienten mit Typ 2 Diabetes oder metabolischem Syndrom zeigen erhöhte Konzentrationen von PC-1 in verschiedenen Geweben, die invers mit der Insulinsensitivität korreliert sind.

Funktionssteigernde Mutationen des Pyrophosphattransporters ANK führen beim Menschen zum Krankheitsbild der familiären Chondrokalzinose (Netter et al., 2004), funktionsmindernde Mutationen bei Mäusen zur murinen progressiven Ankylose. Heterozygote Mutationen beim Menschen führen zu vielgestaltigen Krankheitsbildern, u.a. zur craniometaphysären Dysplasie mit unregelmässiger Hypersklerosierung der Schädelknochen und dystrophischen Veränderungen der Metaphysen der langen Röhrenknochen (Nürnberg et al., 2001).

Alkalische Phosphatase spaltet, wie bereits ausgeführt, Pyrophosphat zu Orthomonophosphat. Eine verminderte Aktivität des Enzyms findet sich bei dem Krankheitsbild der Hypophosphatasie (Orimo, 2010). Durch den Enzymmangel kommt es zu einer verminderten Bereitstellung von Orthomonophosphat und konsekutiv zu einer reduzierten Mineralisation der Knochenmatrix und zur Osteomalazie. Zugleich erhöht sich die Konzentration des Enzymsubstrats Pyrophosphat. Es kommt zur Ablagerung von Kalziumpyrophosphatkristallen im Gelenkknorpel und somit zur Chondrokalzinose. Selbst bei vollständig fehlender alkalischer Phosphatase ist die Mineralisation jedoch keineswegs komplett blockiert. Zellkulturstudien zeigen, dass nicht nur Pyrophosphat, sondern auch ATP als Phosphatdonator zur Verfügung steht (Nakano et al., 2007). Der mitochondriale Energiestoffwechsel beeinflusst daher vermutlich Mineralisation und Knochenwachstum.

Nicht nur PP ist Substrat für die AP, klinisch wichtig ist auch die Dephosphorylierung des aktivierten Vitamin B6 (Pyridoxalphosphat) zu Pyridoxal. Nur dieses ist in der Lage, die Membran zu passieren, um intrazellulär wieder zu Pyridoxalphosphat umgewandelt zu werden. In Nervenzellen ist Vitamin B6 wichtig für die Synthese von Neurotransmittern. Der mit der Hypophosphatasie verbundene intrazelluläre Vitamin B6-Mangel (zugleich finden sich erhöhte Pyridoxalphosphat-Plasmaspiegel) kann bei schweren infantilen Formen der Erkrankung zu Krampfanfällen führen.

Neben Osteoblasten und Chondrozyten können auch andere Zelltypen zur Produktion einer mineralisierten Matrix stimuliert werden. Bei Wundheilung und Entzündung erhöht sich die Expression der AP in Fibroblasten (Abe et al., 2001). Inflammatorische Zytokine stimulieren die Expression der AP (Ding et al., 2009). Neben der Calcitriol-induzierten AP-Expression (s.u.) ist auch eine direkte Stimulation der AP-Synthese durch TNF-alpha beschrieben (Al-Aly et al., 2007; Lee et al., 2010). Aktivierte Makrophagen induzieren die AP-Expression von glatten Gefäßmuskelzellen und fördern die Ablagerung von Hydroxyapatit bei der Arteriosklerose (Aikawa et al., 2007). Die Höhe der AP korreliert bei Patienten mit dialysepflichtiger Niereninsuffizienz mit dem Ausmaß von Gefäßverkalkungen und kardiovaskulären Komplikationen (Shantouf et al., 2009). Synthetische Hemmstoffe der AP können in der Organkultur die vaskuläre Kalzifizierung hemmen (Narisawa et al., 2007).

Die Expression der alkalischen Phosphatase wird stimuliert durch das aktivierte Vitamin D Calcitriol. Calcitriol wiederum entsteht durch die Aktivität der 1-alpha-Hydroxylase (CYP27B1) aus 25-OH-Vitamin D3. Die Aktivität der CYP27B1 wird durch inflammatorische Zytokine stimuliert (Stoffels et al., 2006). Reduzierte 25-OH-Vitamin D3-Spiegel gehen über einen weiten Bereich mit normalen 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3 Spiegeln einher, erst bei hochgradigem Mangel an 25-OH-Vitamin D3 fällt auch das Calcitriol ab (Need et al., 2008). Dunkelhäutige Menschen haben infolge der geringeren Durchlässigkeit der Haut für UV-B-Strahlen deutlich niedrigere 25-OH-Vitamin D3-Spiegel, bilden jedoch normale oder sogar erhöhte Calcitriol-Plasmaspiegel (Engelman et al., 2008; Daniels et al., 1997). Jüngere Untersuchungen zeigen, dass Patienten mit Autoimmunerkrankungen signifikant erhöhte Calcitriol-Spiegel haben (Blaney et al., 2009), wahrscheinlich bedingt durch Stimulation der 1-alpha-Hydroxylase durch inflammatorische Zytokine. 

Die Mineralisation in vitro wird stimuliert durch eine Matrix, die Fibronektin enthält, sowie Dexamethason und Ascorbinsäure (Vitamin C). Kollagen I hingegen hemmt die AP-Expression von Fibroblasten (Abe et al., 2001). Fibronektin und Ascorbinsäure stimulieren die Synthese von alkalischer Phosphatase (Abe et al., 2001) und fördern in der Zellkultur die Produktion von Hydroxyapatit. Wichtig für die Mineralisation ist zudem die Quervernetzung der Matrixproteine durch Transglutaminase; die Externalisierung dieses Enzyms wird durch Ascorbinsäure stimuliert (Al-Jallad et al., 2006). Allerdings muß offenbar nicht befürchtet werden, dass ein Überangebot an Vitamin C zu einer Gefäßverkalkung führt. In einer Studie an 50-70-jährigen Probanden führte eine tägliche Vitamin C-Dosis von 1 g über 4 Jahre zu keiner signifikant verstärkten Gefäßverkalkung, hatte allerdings auch nicht den von manchen erwarteten protektiven Effekt (Arad et al., 2005).

Ausblick:

Der wnt/beta-catenin-Signalweg nimmt eine zentrale Stellung in der Regulation des Knochen- und Knorpelwachstums ein. Eine ungebremste Aktivierung dieser Signalkette, z.B. durch inflammatorische Zytokine, führt zu einer “ungeordneten” Knochenneubildung und zur Entwicklung von Knochenvorsprüngen (Osteophyten). Gegenspieler dieses Signalweges sind nicht nur die erwähnten Faktoren Sclerostin und Dickkopf-1, sondern auch anorganische Moleküle wie Phosphat und Pyrophosphat. Wenn Chondrozyten mit dem entzündungsfördernden Botenstoff Interleukin-1 konfrontiert werden, wird die Membranpassage von Pyrophosphat durch eine Herabregulation des Pyrophosphattransporters ANK gehemmt. Zugleich kommt es zur Aktivierung des wnt-Signalweges und zum Verlust des Chondrozyten-Phänotyps (Dedifferenzierung). Wird die ANK-Expression künstlich hochreguliert oder Pyrophosphat hinzugefügt, findet über die Hemmung des wnt-Signalweges wieder eine Differenzierung zu Chondrozyten statt (Cailotto et al., 2010).

Auch die Differenzierung von Osteoblasten, erkennbar u.a. an einer gesteigerten Expression von AP, wird durch ANK und Pyrophosphat stimuliert (Kirsch et al., 2009). Mäuse mit einer Defektmutation von ANK entwickeln eine progressive Ankylose durch exzessive Bindgewebsverkalkungen und eine verminderte Knochenmasse mit erniedrigter AP (Kim et al., 2010). Es wird also erkennbar, daß die für das Skelettsystem relevanten Signalwege komplex miteinander verbunden sind. Entzündungen führen parallel zu einer gesteigerten Knochenresorption, zu einer Dedifferenzierung von Osteoblasten und Chondrozyten und zu einer gesteigerten heterotopen Ossifikation.

Die aktuellen Erkenntnisse zur Regulation des Knochenwachstums zeigen neue, interessante Therapieoptionen auf. So wird eine medikamentöse Hemmung der wnt-Inhibitoren Sclerostin und Dkk-1 möglicherweise zu einer wichtigen Säule in der Osteoporosebehandlung. Allerdings bleibt als therapeutische Herausforderung, die in Entwicklung befindlichen monoklonalen Antikörper so maßgeschneidert einzusetzen, dass nicht eine überschiessende Knochenneubildung zu unerwünschten Effekten, z.B. einer akzelerierten Arthrose, führt.

online seit 03.06.2010

 

Literatur:

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