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

Publication History

Article published online:
02 June 2020

• Literatur

• 1 Wessinghage D. [Not Available]. Wurzbg Medizinhist Mitt 1993; 11: 27-43
• 2 Wolff J. Das Gesetz der Transformation der Knochen. Reihe: “Reprints medizinhistorischer Schriften“, Wessinghage, D (Hrsg) 4.
• 3 Frost HM. Bone “mass” and the “mechanostat”: A proposal. Anat Rec 1987; 219: 1-9
• 4 Frost HM. The mechanostat: A proposed pathogenic mechanism of osteoporoses and the bone mass effects of mechanical and nonmechanical agents. Bone Miner 1987; 2: 73-85
• 5 Herrmann M, Engelke K, Ebert R. et al. Interactions between muscle and bone-where physics meets biology. Biomolecules 2020; 10. doi:10.3390/biom10030432
• 6 Gao Y, Arfat Y, Wang H. et al. Muscle atrophy induced by mechanical unloading: mechanisms and potential countermeasures. Front Physiol 2018; 9: 235
• 7 Winnard A, Scott J, Waters N. et al. Effect of time on human muscle outcomes during simulated microgravity exposure without countermeasures-systematic review. Front Physiol 2019; 10: 1046
• 8 Rittweger J, Beller G, Armbrecht G. et al. Prevention of bone loss during 56 days of strict bed rest by side-alternating resistive vibration exercise. Bone 2010; 46: 137-147
• 9 Belavy DL, Beller G, Armbrecht G. et al. Evidence for an additional effect of whole-body vibration above resistive exercise alone in preventing bone loss during prolonged bed rest. Osteoporos Int 2011; 22: 1581-1591
• 10 Boudin E, Yorgan T, Fijalkowski I. et al. The Lrp4R1170Q homozygous knock-in mouse recapitulates the bone phenotype of sclerosteosis in humans. J Bone Miner Res 2017; 32: 1739-1749
• 11 Yorgan TA, Peters S, Jeschke A. et al. The anti-osteoanabolic function of sclerostin is blunted in mice carrying a high bone mass mutation of Lrp5. J Bone Miner Res 2015; 30: 1175-1183
• 12 Benisch P, Schilling T, Klein-Hitpass L. et al. The transcriptional profile of mesenchymal stem cell populations in primary osteoporosis is distinct and shows overexpression of osteogenic inhibitors. PLoS One 2012; 7: e45142
• 13 Gaudio A, Pennisi P, Bratengeier C. et al. Increased sclerostin serum levels associated with bone formation and resorption markers in patients with immobilization-induced bone loss. J Clin Endocrinol Metab 2010; 95: 2248-2253
• 14 Moustafa A, Sugiyama T, Prasad J. et al. Mechanical loading-related changes in osteocyte sclerostin expression in mice are more closely associated with the subsequent osteogenic response than the peak strains engendered. Osteoporos Int 2012; 23: 1225-1234
• 15 Spatz JM, Fields EE, Yu EW. et al. Serum sclerostin increases in healthy adult men during bed rest. J Clin Endocrinol Metab 2012; 97: E1736-1740
• 16 Eser P, Frotzler A, Zehnder Y. et al. Fracture threshold in the femur and tibia of people with spinal cord injury as determined by peripheral quantitative computed tomography. Arch Phys Med Rehabil 2005; 86: 498-504
• 17 Armbrecht G, Belavy DL, Gast U. et al. Resistive vibration exercise attenuates bone and muscle atrophy in 56 days of bed rest: Biochemical markers of bone metabolism. Osteoporos Int 2010; 21: 597-607
• 18 Belavy DL, Baecker N, Armbrecht G. et al. Serum sclerostin and DKK1 in relation to exercise against bone loss in experimental bed rest. J Bone Miner Metab 2016; 34: 354-365