Knochenmasseverlust durch muskuläre Entlastung und Immobilisation

Zusammenfassung

Der Knochen ist ein vitales Gewebe, das sich ständig an die Notwendigkeiten der vorliegenden Lebensbedingungen anpasst und mit vielen Stoffwechselprozessen interagiert. Von dem Gedanken, dass der Knochen reine mechanische Stützaufgaben erfüllt, müssen wir uns lösen.

Die Muskelkraft ist der wesentliche Faktor zur Stimulation von Knochen-Aufbau und -Abbau. Die Kenntnis der molekularen und zellbiologischen Mechanismen der Interaktion von Muskel und Knochen ist von grundlegender Bedeutung, um mechanisch regulierten Knochen-Aufbau und -Abbau zu verstehen. Ein Netzwerk von Rezeptoren für das Mechanosensing, oft als Mechanostat bezeichnet, regelt die Anpassung des Knochens auf Größe und Richtung der Kraft und kann unter anderem beeinflusst werden durch lokale Wachstums- und Differenzierungsfaktoren, Hormone und Ernährung. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, welche Kräfte auf den Knochen einwirken und wie groß der Beitrag externer Kräfte auf die Knochen-Verformung und die resultierenden Adaptations-Mechanismen ist, werden Rechenexemplare zur Berechnung der diversen Kräfte vorgestellt.

Aus den Bed-Rest-Studien im Rahmen des Marsprojektes der ESA haben wir viel über die Regelmechanismen, die therapeutischen Interventionsstrategien und die diagnostischen Notwendigkeiten gelernt. Die quantitativen Knochenmessverfahren liefern eine grobe Übersicht über die Entwicklung der Knochenmasse, wenn mit DXA gemessen wird und eine weitergehende Information zur Knochenmaterialeigenschaft mithilfe der Bestimmung der Knochendichte (pQCT-Messungen) und zur Knochengeometrie. Eine sehr hilfreiche zusätzliche Information zum Knochenmetabolismus können wir durch Bestimmung der Knochenmarker, wie P1NP, CTX, Sclerostin, Osteocalcin, knochenspezifische alkalische Phosphatase, TRAP5b), erhalten. Das Muskel-Training zur Verhinderung des Muskel- und Knochenverlusts bei fehlender Schwerkraft und bei Immobilisation sollte ein anaerobes Widerstandstraining der Muskulatur beinhalten, wobei der Einsatz eines seitalternierenden Vibrationstrainingsgerätes noch einen zusätzlichen Effekt erzielt.

Abstract

Undoubtedly bone is a mechanically rigid support system to stabilise the organism, but equally important it is a metabolically active tissue that continuously adapts to the requirements of environmental needs.

Muscle force is the main source of stimulating bone formation and bone resorption. Knowledge about molecular mechanisms of muscle and bone interaction is a fundamental prerequisite to understand mechanical adaptation of bone. A network of receptors frequently called the ‘Mechanostat’ senses physical forces and induces signal transduction within cells to adjust the size and shape of bones, which can be modulated by nutrition and hormones. The most significant question in this context is about the impact of forces which are developed in the inner bone and what is the contribution of external forces on bone deformation and adaptation. Examples to calculate the different forces will be introduced.

The scientific programme of bedrest studies in the framework of the ESA ‘Mars Express-Project’ to simulate weightlessness/microgravity, taught us many lessons about the cybernetic mechanisms, therapeutic strategies, and diagnostic procedures. Quantitative bone density measurements provided a rough overview about the change of bone mass, when measured with DXA. QCT (Quantitative Computed Tomography) supplied us with some more advanced information like bone mineral density (mg/ml) and with this certain characteristics of the material property and geometry of the bone. The measurement of bone metabolism with bone markers like P1NP, CTX, sclerostin, osteocalcin, bone specific alkaline phosphatase or TRAP5b reflects the acute changes of bone modelling and remodelling. An anaerobic resistance muscle exercise in microgravity is very efficient to avoid both muscle and bone loss. Additional vibration exercise can even increase the efficiency.

Schlüsselwörter

Mechanotransduktion - Mechanobiologie - Immobilisation - Schwerelosigkeit - Knochenverlust - Sarkopenie - Osteoporose

Key words

Mechanotransduction - mechanobiology - immobilisation - microgravity - bone loss - sarcopenia - osteoporosis

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