Der Knochen des Erwachsenen Menschen bedarf einer ständigen Erneuerung, wenn die notwendige Knochenqualität und Bruchfestigkeit erhalten bleiben soll. Etwa 10 Prozent der Knochenmasse wird im Rahmen dieses Erneuerungsprozesses (Remodeling) jährlich ersetzt, wobei die trabekulären Strukturen rascher umgebaut und erneuert werden als die kortikalen. Im Rahmen dieses Remodelingprozesses werden die strukturellen Neuformationen und Umbauten auch den neuen Belastungen angepasst. Diese Umbaustrukturen müssen besonders im Hinblick auf das gestörte Remodeling beim osteoporotischen Knochen stärker beachtet werden als bisher.

Zu jedem Zeitpunkt sind beim Erwachsenen viele tausende Umbaustellen im Knochen aktiv, die als basic multicellular units (BMU) bezeichnet werden. Sie sind etwa 1,2 mm lang und bis zu 0,4 mm breit. Neben den typischen Zellen des Remodelings, den knochenabbauenden Osteoklasten und den neue Knochenmatrix synthetisierenden Osteoblasten finden sich auch bindegewebige Strukturen, eine nervale Versorgung und ein kapillares Blutgefäß in dieser funktionellen Einheit.

Das ersetzte Knochenvolumen beträgt ca. 0,025 mm3/BMU. Die Lebensdauer einer BMU wird auf 3 - 9 Monate beziffert, wobei die Osteoklasten nur ein relativ geringes Zeitvolumen für ihre Arbeit benötigen (circa zwei Wochen), die reparativen bzw. formativen Prozesse durch die Osteoblasten brauchen mehrere Monate.

Jeder Umbauprozess beginnt zunächst mit der Rekrutierung und Aktivierung von Osteoklasten, die eine dann als Resorptionshöhle bezeichnete definierte Knochenmenge resorbieren. Mittels eines noch nicht völlig aufgeklärten Coupling-Mechanismus werden im Anschluss Osteoblasten herangelockt und zur Reifung gebracht. Diese füllen die Resorptionslakune zunächst mit unmineralisiertem Osteoid auf. An diesem Vorgang schließt sich eine primäre und eine weitere über Monate dauernde sekundäre Mineralisation des neuen Knochengewebes an. Trotz vieler Beobachtungen und Hypothesen ist bis heute die Frage noch nicht definitiv beantwortet, aufgrund welcher Informationen Osteoklasten an einen definierten Ort gelockt, aktiviert und zur Einleitung des Remodelingprozesses bewegt werden. Es spricht vieles dafür, dass die oberflächlich liegenden lining cells in der Lage sind, entsprechende Signale aus dem darunter liegenden Knochengewebe zu empfangen und die Osteoklasten heranzurufen.

Ein Grund dafür, dass diese lining cells den Remodelingprozess einleiten, dürften Veränderungen des darunter liegenden Knochengewebes sein.

So gibt es u.a. Hinweise, dass chemische Veränderungen/ Modifizierungen ossärer Proteine zu biochemischen und biomechanischen Veränderungen der Knochenmatrix führen und damit für die Einleitung und Unterhaltung des Remodelingprozesses mit verantwortlich sind.

Weiterhin liegen Hinweise dafür vor, dass solche Modifizierungen ossärer Proteine zu funktionellen Störungen von Osteoblasten und Osteoklasten führen können und auf diese Weise –über den physiologischen Regenerierungsprozess hinaus – eine pathogenetische Bedeutung bei der Entwicklung einer Osteoporose haben könnten.

Advanced Glycation Endproducts ( AGEs)

Als solche „gewebemodifizierende Moleküle“ kommen z.B. die sogenannten „advanced glycation endproducts“ (AGEs) in Frage.

AGEs sind Verbindungen, die durch eine nicht-enzymatische Glykierung aus Proteinen/Peptiden und Carbonylverbindungen (meist reduzierende Zucker) entstehen. AGE-Modifizierungen entstehen in vivo bevorzugt an Proteinen mit langer Halbwertzeit, also z.B. auch an Kollagenen.

Eine Glykierung von Knochenkollagen verändert seine mechanischen Eigenschaften, was sich u.a. in erhöhter Rigidität und verminderter Strapazierfähigkeit ausdrückt und damit zu „altersbedingten“ Störungen der Knochenqualität führt. Zwischen den Prozessen der Knochendemineralisierung und einem durch Glykierung entstandenem vermehrten Crosslinking der Kollagene scheinen Zusammenhänge zu bestehen.


Weitere Auswirkungen der AGE-Modifizierung von Proteinen:

Die Glykierung von z.B. Kollagenen verändert nicht nur deren biomechanische Eigenschaften, es wird auch der normale Umbau, das Remodeling dieser Gewebe gestört, da die modifizierten Eiweiße besonders resistent gegenüber proteolytischen Enzymen sind. Andererseits ist in diesem Zusammenhang ein weiterer Tatbestand von Interesse, der z.B. bei der Störung der physiologischen Knochenumbaubilanz von Bedeutung sein könnte:

Die durch AGE-modifizierten Eiweiße werden offensichtlich von einem „Überwachungssystem“ des Körpers als nicht mehr brauchbar und störend angesehen. Deshalb gibt es physiologischerweise auch einen unspektakulär ablaufenden Abbaumechanismus. Es ist bekannt, dass AGEs von spezifischen zellständigen Rezeptoren (z.B. receptor of AGE = RAGE) erkannt, von diesem gebunden und schließlich von der zugehörigen Zelle verstoffwechselt werden. An einer Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen sind derartige Rezeptoren bereits nachgewiesen worden. Die AGE-RAGE-Bindung löst über eine Entsperrung des sogenannten NF-kappa-B-Systems in den Zellen eine langfristige Aktivierung aus, die sich u.a. durch die Expression und Sekretion proinflammatorischer Zytokine zeigt.

Schließlich gibt es Hinweise dafür, dass infolge der AGE-Modifizierung von Proteinen ein über das physiologische Maß hinausgehendes Crosslinking der Aminosäureketten stattfindet. So hat man z.B. in altem Knorpel neben relativ physiologischen Mengen der sogenannten Pyridiniumcrosslinks (normale Vernetzungsmoleküle von Kollagenen) deutlich höhere Mengen von AGEs gefunden und dies mit der zunehmenden Sprödigkeit und Verhärtung des Gelenkknorpels in Beziehung bringen können.

Dieses zusätzliche Crosslinking bedingt auch Änderungen der Sekundär- und Tertiär-Strukturen der Proteine und kann damit zur Generierung von immunologisch bedeutsamen Neoepitopen beitragen. Solche für das immunologische Überwachungssystem unbekannte Neukonstrukte können dann als körperfremd empfunden werden und eine Immunreaktion gegen die vermeintlich fremden Gewebebestandteile auslösen.
Selbst wenn wir davon ausgehen, dass derartige Neoepitop-Generierungen in vielfältigster Weise und permanent im Körper stattfinden dürften, ohne gleich krankhafte Reaktionen hervorzurufen, ist bei z.B. genetisch bedingten oder auch erworbenen Störungen der Erkennungs- und Abräumfunktion solcher Strukturen durchaus nicht nur eine Auslösung, sondern auch eine Perpetuierung chronischer Immunreaktionen denkbar.

Wir können zusammenfassend feststellen, dass im Körper, und namentlich in langlebigen Proteinen wie Knochenkollagenen bereits unter physiologischen Bedingungen und verstärkt mit zunehmendem Alter Proteinmodifizierungen in Form sogenannter AGE-Bildungen auftreten. Jene werden durch pathologische Bedingungen wie Hyperglykämie, Niereninsuffizienz und oxidativen Stress verstärkt. Diese veränderten Proteine können einerseits durch veränderte biomechanische Eigenschaften, andererseits durch Auslösung langfristiger Zellaktivierungen (über die Bindung an den RAGE) und/oder durch die Generierung immunologisch relevanter Neoepitope Krankheitsprozesse (z.B. Störungen des Knochenremodelings) initiieren oder unterhalten.


Proteinmodifizierung und Osteoporose

Die Osteoporose zählt heute laut WHO zu den zehn sozialmedizinisch bedeutsamsten Krankheiten weltweit. Sie ist eine systemische Skeletterkrankung, die durch eine verminderte Knochenfestigkeit mit dem Resultat eines erhöhten Frakturrisikos charakterisiert ist.

Für die verminderte Knochenfestigkeit sind sowohl quantitative Faktoren (z.B. Dichte und Masse des Knochens) als auch qualitative (Mikroarchitektur, Geometrie, Anzahl der trabekulären Quervernetzungen und gestörtes Knochenremodeling) verantwortlich. Letztendlich liegt jeder Osteoporose eine Störung des Knochenremodelings zugrunde, indem die Bilanz von Knochenresorption und formativen Prozessen negativ ist.

AGE-Modifizierungen könnten die Bruchfestigkeit des Knochens bzw. die Knochenqualität auf verschiedene Weise ungünstig beeinflussen:
1. Das durch AGEs verstärkte Crosslinking ändert die biomechanischen Eigenschaften der Knochenmatrix, indem die Elastizität und Strapazierfähigkeit verringert wird, was dem Auftreten von Mikrofrakturen und Fissuren Vorschub leistet.

2. AGE-Modifizierungen von Knochenkollagenen könnten über Rezeptorbindung an RAGE-tragenden Zellen eine langfristige NF-kappa-B-Aktivierung in diesen Zellen auslösen und damit gravierende funktionelle Veränderungen hervorrufen. Bereits 1997 konnte von einer japanischen Arbeitsgruppe gezeigt werden, dass kultivierte humane Knochenzellen nach Inkubation mit AGE-Proteinen verstärkt IL-6 und RAGE exprimieren. Wenn der RAGE anderweitig blockiert wird, führt dies zu einer Absenkung der Zytokin- und Metalloproteinasen-Freisetzung und schränkt die Knochenresorption ein. Auch an Osteoblasten konnte in Kulturen der RAGE-Besatz nachgewiesen werden.

Bei Interaktion von AGE und dem entsprechenden Rezeptor kam es zu einer Inhibierung der Osteoblastenaktivität. Weiterführende Untersuchungen konnten zeigen, dass die AGE-Akkumulation der extrazellulären Matrix die Proliferation, Differenzierung und Mineralisation von Osteoblasten in verschiedenen Entwicklungsstadien unterschiedlich beeinflusst.


Ergebnisse der eigenen Arbeitsgruppe zu dieser Problematik:

Wir konnten bei Patienten mit ge-sicherter Osteoporose (n = 100) signifikant höhere Serumspiegel der AGEs Pentosidin und Carboxymethyllysin im Vergleich zu altersgemixten gesunden Kontrollpersonen nachweisen. Während sich üblicherweise mit zunehmendem Alter auch höhere AGE-Spiegel im Serum messen lassen, war diese physiologische Altersabhängigkeit der AGE-Spiegel bei Osteoporosepatienten aufgehoben. Ganz offenbar überwiegt hier also der Einfluss der Erkrankung gegenüber dem des Alters.

Bei Differenzierung der Osteoporosepatienten in pathophysiologisch unterschiedliche Subgruppen mittels histomorphometrischer Knochenvermessungen (Beckenkammbioptate) konnten weitere aufschlussreiche Ergebnisse erzielt werden. Die Osteoporose-Subgruppen mit erhöhter Knochenresorption (High turnover bzw. zellulär entkoppelte Formen) wiesen signifikante Korrelationen der Pentosidinspiegel mit histomorphometrischen Markern auf, die eine Osteoklastenaktivität anzeigen (z.B. Ausmaß der Resorptionslakunen).

Ausgehend von diesen Daten führten wir immunhistochemische Untersuchungen an Knochengewebe durch. Dabei ließen sich die AGEs Imidazolon und Carboxymethyllysin eindeutig im Knochen nachweisen. Während das AGE Imidazolon besonders im Knochengewebe selbst nachweisbar war, zeigten sich CML-Anreicherungen bevorzugt im Knochenmark (Abb.1a und 1b). Auffällig war bei den immunhistochemischen Auswertungen, dass neu gebildeter Knochen offensichtlich deutlich geringere Ablagerungen von AGEs enthielt als alter Knochen. Wenn man die Intensität der AGE-Modifizierungen quantifizierte, ergab sich eine klar negative Korrelation zum Osteoblastenbesatz in den Bioptaten. Diese zunächst eher deskriptiven Befunde untermauern, dass Knochengewebe mittels AGE-Modifizierung verändert wird und dieser Zustand beim Osteoporose-Knochen besonders deutlich wird.









Wirkprinzipien der Osteoporose-Therapeutika

Der Entwicklung einer Osteoporose kann entgegen gewirkt werden. Dies z.B. durch eine knochengesunde Lebensweise (regelmäßige, körperliche Aktivität und täglicher Aufenthalt im Freien), eine ausreichende Grundversorgung mit Calcium und die Einschränkung von Genussgiften. Die Supplementierung der Nahrung mit Calcium und Vitamin D ist differenziert zu betrachten. Bei Vorliegen einer Osteoporose können grundsätzlich Präparate Anwendung finden, die die Osteoklasten (und damit die Knochenresorption) hemmen oder solche, die die Neubildung von Knochen fördern und damit Rekrutierung und Aktivität von Osteoblasten anregen. Aufgrund der sehr guten Studiendaten wird heutzutage eine manifeste Osteoporose vorwiegend mit Medikamenten behandelt, die die Knochenresorption hemmen. Paradebeispiele hierfür sind Bisphosphonate und Selektive Oestrogenrezeptormodulatoren (SERMs).

Medikamente, die die Neubildung von Knochen anregen, sind z. B. Fluor und Parathormon. Während es unter einer Fluor-Therapie rasch zu einer Knochenmassezunahme kommt, ge-winnt der Knochen offenbar nicht an Bruchfestigkeit. Möglicherweise sind in früheren Studien aber zu hohe Fluorid-Dosen angewandt worden.
Unter einer Behandlung mit Parathormon lassen sich rasche Knochenmassezunahmen, verbunden mit einer Verbesserung der Bruchfestigkeit des Knochens, konstatieren.

Letzteres findet sich auch in den Studien mit den die Knochenresorption hemmenden Bisphosphonaten. Untersuchungen des Knochenstoffwechsels belegen eine mehr oder weniger ausgeprägte Reduzierung des Knochenremodellings unter diesen Präparaten. Das ebenfalls die Knochenresorption hemmende Raloxifen (zu den SERMs zählend) reduziert ebenfalls den Knochenstoffwechsel, allerdings nicht in diesem Umfang.

Zusammenfassend unterstützen unsere Daten die Hypothese, dass AGE-Modifizierungen von Knochenkollagenen zu funktionellen Veränderungen sowohl der Osteoklasten als auch der Osteoblasten führen können. Weitere Daten aus zellbiologischen Untersuchungen untermauern diese Vermutung. Schlüssige Beweise für Zusammenhänge zwischen AGE-Modifizierung von Knochenkollagenen bzw. anderen Knochenproteinen und der Entwicklung einer Osteoporose stehen aber noch aus.

Trotzdem sollten diese Daten Anlass sein, über Therapiestrategien der Osteoporose nachzudenken. Es erhebt sich die Frage, bis zu welchem Ausmaß man ein Knochenremodeling ungestört unterdrücken darf, ohne eine Zunahme der AGE-modifizierten Knochenproteine zu provozieren. In diesem Zusammenhang wäre auch zu prüfen, wie lange man durch therapeutische Interventionen Osteoklasten hemmen und damit den Remodelingprozess abbremsen soll. Wenngleich es Mitteilungen gibt. dass ein Auftreten von Mikrofrakturen des Knochens durch Langzeittherapie z. B. mit Bisphosphonaten begünstigt wird, so lassen sich aus publizierten Langzeitstudien mit Antiresorptiva bisher negative Resultate bezüglich der Frakturinzidenz auch bei mehrjähriger Therapie nicht ableiten.


Weiterführende Literatur der eigenen Arbeitsgruppe:

Hein G, Wiegand R, Lehmann G, Stein G, Franke S. Advanced glycation end-products pentosidine and Ne-carboxymethyllysine are elevated in serum of patients with osteoporosis, Rheumatology 2003, 42: 1242 – 1246.

Hein G, Weiß Chr, Lehmann G, T. , Stein G, Franke S. Advanced glycation endproduct (AGE)-modification of bone proteins and bone remodelling – hypothesis and preliminary immunohistochemical findings.

Univ.Prof. Dr. Gert E. Hein
Leiter des Selbständigen Funktions-bereiches Rheumatologie & Osteologie der Klinik für Innere Medizin der FSU Jena
Gert.Hein@med.uni-jena.de