Molekulare Mechanismen der Regulation der Knochendichte durch ...

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Molekulare Mechanismen der Regulation der Knochendichte durch ...

M E D I Z I N

Molekulare Mechanismen der Regulation

der Knochendichte durch Osteoklasten

Uwe Kornak 1 , Günter Delling 2 , Stefan Mundlos 3

Zusammenfassung

Das Skelettsystem unterliegt zeitlebens einem

Umbauprozess (Remodeling) durch ein komplexes

Zusammenspiel von Osteoblasten und

Osteoklasten. Gerät dieser Umbau aus dem

Gleichgewicht, kann einerseits Osteoporose

oder andererseits Osteosklerose resultieren.

Leichtere Formen der erblichen Osteosklerose

werden eher durch eine Dysfunktion der

Osteoblasten verursacht, wohingegen verminderter

Knochenabbau durch gestörte Osteoklastenfunktion

schwere Symptome bis zur unbehandelt

tödlichen malignen Osteopetrose

hervorrufen kann. Genetische Untersuchungen

dieser Erkrankungen zeigten, dass die Säuresekretion

durch die Osteoklasten von zentraler

Bedeutung für ihre Funktion ist. Defekte in drei

an diesem Prozess beteiligten völlig verschiedenen

Proteinen und in einer für den Kollagen-

Das Sklettsystem unterliegt wie

kaum ein anderes Gewebe einem

ständigen Auf- und Abbau.

Während des Wachstums sorgen die

Knorpelzellen der Wachstumsfuge

durch Proliferation und Matrixproduktion

für das Längenwachstum der

Röhrenknochen. In einem komplexen

Zusammenspiel wandeln Osteoblasten,

die Knochen bilden, und Osteoklasten,

die Knorpel und Knochen abbauen,

den von der Wachstumsfuge gebildeten

Knorpel in die differenzierte Struktur

des Röhrenknochens um. Durch die Resorption

von Knorpelmatrix wird Platz

für einwandernde Gefäße und die Markhöhle

geschaffen, während durch Knochenneubildung

die stabile Röhrenwand

(Corticalis) und eine der Belastung entsprechende

Trabekelstruktur (Spongiosa)

erzeugt wird. Durch fortgesetzte Resorption

an der Innenseite der Corticalis

und subperiostalen Knochenanbau an

der Außenseite vergrößert sich im Laufe

des Wachstums nicht nur die Länge, sondern

auch der diaphysäre Durchmesser

des Knochens (Grafik 1). Dieser Prozess

wird auch als enchondrale Ossifikation

bezeichnet. Bei der desmalen Ossifikation

hingegen wird der Knochen ohne

abbau wichtigen sauren Protease verursachen

Osteosklerosen unterschiedlicher Ausprägung.

Die Untersuchung der molekularen Pathomechanismen

der Osteosklerose hat das Verständnis

der Regulation der Knochendichte durch

Osteoklasten erheblich erweitert und könnte

den Zugang zu neuen Konzepten in der Therapie

der Osteoporose ermöglichen.

Schlüsselwörter: Osteosklerose, Remodeling,

Osteoklast, Chloridkanal, Protonenpumpe

Summary

Molecular Mechanisms of Regulation of Bone

Density by Osteoclasts

The skeleton is subject to a lifelong remodeling

process by a complex interaction of osteoblasts

and osteoclasts. A loss of balance between

vorherige Bildung eines knorpeligen

Modells erzeugt.

Nach dem Ende der Wachstumsphase

gehen Auf- und Abbau weiter, um

den Knochen den mechanischen Erfordernissen

anzupassen. Dies geschieht

durch drei verschiedene Mechanismen:

❃ Remodeling – die von den Osteoklasten

resorbierte Menge mineralisierten

Knochens wird durch die nachfolgende

Aufbautätigkeit der Osteoblasten

wieder hergestellt. Durch das Remodeling

werden pro Jahr etwa zehn

Prozent der gesamten Knochenmasse

erneuert (24).

❃ Perforationen – bestimmte Osteoklasten

resorbieren kleine Defekte in

tragenden Strukturen der Spongiosa,

ohne dass diese anschließend von

Osteoblasten repariert werden. Eine

kleine Menge Knochen geht unwiederbringlich

verloren.

1 Zentrum für Molekulare Neurobiologie Hamburg (Direktor:

Prof. Dr. med. Dr. rer. nat.Thomas Jentsch), Universität

Hamburg

2 Institut für Osteopathologie, Zentrum für Klinisch-

Theoretische Medizin I (Direktor: Prof. Dr. med. Günter

Delling), Universitäts-Krankenhaus Eppendorf, Hamburg

3 Institut für Medizinische Genetik (Direktor: Prof. Dr.

med. Stefan Mundlos), Universitätsklinikum Charitè,

Humboldt-Universität, Berlin

bone formation and bone resorption can result

either in osteoporosis or osteosclerosis. Less

severe osteosclerosis is usually caused by

osteoblast dysfunction, whereas reduced or

absent bone resorption by the osteoclasts can

lead to severe, even lethal, variants of this disorder.

Investigation of hereditary forms of this

condition revealed that acid secretion plays a

central role for osteoclast function. Defects in

three totally different proteins that are involved

in the acid secretion mechanism as well as

a protease that is essential for collagen degradation

cause different subforms of osteosclerosis.

These findings greatly contributed to our

understanding of the regulation of bone density

by osteoclasts and may result in new therapeutic

strategies.

Key words: Osteosclerosis, remodeling, osteoclast,

chloride channel, proton pump

❃ Mirokallusformation – Schwachstellen

der Spongiosa frakturieren, worauf

die Osteoblasten mit Kallusbildung

reagieren (8).

Ein Ungleichgewicht zwischen der

Aktivität von Osteoblasten und Osteoklasten

im Rahmen des Remodeling

führt entweder zu einer Akkumulation

von Knochenmaterial (Osteosklerose/

Osteopetrose) oder zu einem Knochenverlust

(Osteoporose) (17). Im Folgenden

sollen einige auf Defekten der

Osteoklasten beruhende Erkrankungen

beschrieben werden, um die Rolle der

Osteoklasten bei Knochenwachstum

und Remodeling näher zu beleuchten.

Entstehung und Funktionsweise

der Osteoklasten

Osteoklasten sind mehrkernige Riesenzellen,

die durch die Fusion von Vorläuferzellen

entstehen. Diese wiederum leiten

sich von derselben hämatopoetischen

Stammzelle ab wie die Monozyten

(23). Obwohl Osteoblasten und

Osteoklasten scheinbar Widersacher

sind, ist ihre Funktion vielfach miteinander

verknüpft. Über das RANKL/

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RANK/Osteoprotegerin-System werden

von den Osteoblasten das Heranreifen

und die Aktivität der Osteoklasten

maßgeblich gesteuert (Grafik 2). Sinkt

beispielsweise der Calciumspiegel des

Serums, so wird von der Nebenschilddrüse

vermehrt Parathormon (PTH)

ausgeschüttet. Dieses wirkt aber nicht

direkt stimulierend auf die Osteoklasten,

die selbst keinen geeigneten PTH-

Rezeptor besitzen, sondern auf die

Osteoblasten. Diese produzieren daraufhin

RANKL („receptor-activator of

NFB-ligand“), der an seinen Rezeptor

RANK („receptor-activator of NFB“)

auf der Zelloberfläche von Osteoklasten

und ihren Vorläufern bindet. Durch

die verstärkte Entstehung und Aktivität

der Osteoklasten kommt es zu vermehrter

Resorption und damit zur Anhebung

des Calciumspiegels (27).

Osteoblasten können jedoch unter

dem Einfluss zum Beispiel von Estra-

Abbildung 1: Ultrastruktur des Osteoklast.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines

resorbierenden Osteoklast. Neben den beiden

Zellkernen (N) erkennt man im Zytoplasma

zahlreiche Vesikel unterschiedlicher

Größe. Besonders konzentriert sind sie im

Bereich (V) um die Bürstensaummembran

(„ruffled membrane“, RM), da diese durch die

massenhafte Fusion von sauren Vesikeln, die

Verdauungsenzyme in die entstehende Resorptionslakune

ausschütten, mit der Zellmembran

entsteht.

diol ebenfalls das gegenteilig wirkende

Osteoprotegerin (OPG) produzieren

(11). Dieses Protein ist eine sezernierte

Variante von RANK, der den Liganden

RANKL bindet, aber keine Signaltransduktion

hervorrufen kann, sodass

die Aktivität der Osteoklasten gehemmt

wird. Der ebenfalls von Osteo-

Grafik 1

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blasten sezernierte „macrophage colony-stimulating

factor“ (M-CSF) fördert

die Entstehung von Osteoklastenvorläuferzellen.

Seine Produktion wird

durch Interleukin-1 und den Tumornekrosefaktor

(TNF) angeregt und

durch Estradiol gehemmt (13).

Andererseits ist die Knochenbildung

durch Osteoblasten von der Funktion

der Osteoklasten abhängig. Durch ihre

Resorptionstätigkeit wird das in der

Knochenmatrix abgelagerte TGF freigesetzt,

welches die Osteoblasten dazu

veranlasst, vermehrt OPG und Knochensubstanz

zu produzieren. Durch

diesen Kommunikationsweg vom Osteoklast

zum Osteoblast lässt es sich auch

erklären, dass die beim M. Paget auftretende

überschießende Knochenbildung

durch abnorme Osteoklasten hervorgerufen

wird (21). Der M. Paget ist durch

übergroße Osteoklasten gekennzeichnet,

die intrazelluläre Einschlüsse aufweisen

und abnorm sensitiv auf Vitamin

D3 reagieren. Auf eine erste Phase mit

fokal gesteigerter Resorption folgt eine

reaktiv überschießende Knochenbildung

durch Osteoblasten, was letztlich

zu einer Anhäufung von ungeordnetem

Knochengewebe führt. Es gibt Hinweise

darauf, dass es sich beim M. Paget um

eine Viruserkrankung handeln könnte.

Kürzlich wurden jedoch in mehreren familiären

und sporadischen Fällen der

Erkrankung Mutationen im Protein

Sequestosome 1 entdeckt, welches vermutlich

eine Rolle bei der Steuerung

der Osteoklasten durch RANKL/

RANK spielt (10).

Der erste Schritt der Knochenresorption

besteht in einem festen Anheften

der Osteoklasten an die Knochenoberfläche.

Durch massenhafte Fusion

Aufbau und Wachstum von Röhrenknochen:

Röhrenknochen lassen sich in die Abschnitte

Epiphyse, Epiphysenfuge und Diaphyse unterteilen.

In der Epiphysenfuge befindet sich

die Wachstumszone, in der Knorpelzellen proliferieren

und Trabekel aus verkalktem Knorpel

ausbilden, die in mehreren Schritten von

den Osteoklasten (rot) und den Osteoblasten

(grün) in reifes, kalzifiziertes Knochengewebe

überführt wird. Der zunehmende Grad der

Kalzifizierung ist durch verschiedene Graustufen

angedeutet. Die reife Diaphyse besteht

aus Corticalis und Spongiosa. Durch

Resorption von der Innenseite der Corticalis

her und gleichzeitigen subperiostalen Knochenanbau

wächst der Knochen nicht nur in

der Länge, sondern auch im Durchmesser.

von sauren Vesikeln mit der Zellmembran

im Bereich der Anheftungsstelle

faltet sich diese zum so genannten Bürstensaum

(ruffled membrane) auf. Diese

charakteristische Struktur besitzt eine

Schlüsselfunktion für die Resorption

(Abbildung 1). Die Freisetzung der Calciumionen

aus dem Hydroxylapatit des

Knochens erfordert die Sekretion großer

Mengen Säure. Das gleiche gilt für den

Abbau von Matrixproteinen, vor allem

Kollagen, durch die von den sauren Vesikeln

ausgeschütteten sauren Proteasen

(vor allem Cathepsin K), mit deren Hilfe

die Osteoklasten Resorptionslakunen in

den Knochen graben. Vieles spricht

dafür, dass die Bürstensaummembran

für die Ansäuerung der Resorptionslakune

auf einen pH-Wert um 4,5 zuständig

ist (27). Durch die Untersuchung von Erkrankungen

mit erhöhter Knochendichte

bei Maus und Mensch konnten wichtige

neue Erkenntnisse über die Ansäuerung

und den Resorptionsmechanismus

der Osteoklasten gewonnen werden.

Erhöhte Knochendichte durch

vermehrte Knochenproduktion

Eine erhöhte Knochendichte kann prinzipiell

entweder durch eine Überfunktion

der Osteoblasten oder durch eine

Unterfunktion der Osteoklasten hervorgerufen

werden.Tatsächlich wurden Fälle

erhöhter Knochendichte beschrieben,

deren Ursache am ehesten eine Fehlregulation

der Osteoblasten zu sein

scheint. Dies ist einerseits eine familiäre,

nicht krankhafte Form, die durch eine

Mutation im LDL-receptor related protein

5 (LRP5) hervorgerufen wird, und

andererseits die Sklerosteose, bei der

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Mutationen in Sclerostin (SOST) gefunden

wurden (20, 28). Die Sklerosteose ist

charakterisiert durch eine abnorm verdickte

Corticalis, eine markant vergrößerte

Mandibula und verstärktes

Längenwachstum. Exophthalmus, Sehbehinderung

und Anosmie können

durch überschießende Knochenbildung

an der Schädelbasis als schwerwiegende

Folgeerscheinungen hervorgerufen werden.Die

einzige bisher bekannte Mutation

in LRP5 geht in manchen Fällen

ebenfalls mit einer übergroßen Mandibula

und mit Knochenwucherungen am

harten Gaumen einher. Beide Proteine

sind an der Regulation der Osteoblasten

beteiligt. LRP5 ist ein Corezeptor für

Wingless (Wnt) Proteine, welche über -

Catenin die Transkription beeinflussen.

Grafik 2

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SOST hingegen ist ein Antagonist der

„bone morphogenetic proteins“ (BMPs),

die vor allem während der Skelettentwicklung

wichtig sind.

Osteosklerose durch

reduzierte Knochenresorption

Bei den schwereren Formen der Osteosklerose

ist durchweg die Knochenresorption

vermindert, obwohl – bis auf

wenige in der Literatur beschriebene

Ausnahmen – bei den Patienten Osteoklasten

in normaler oder sogar erhöhter

Zahl vorhanden sind. Es liegt also meist

kein Defekt der Osteoklastendifferenzierung,

sondern eine intrinsisch verminderte

Resorptionsleistung vor.

Das RANKL/RANK/Osteoprotegerin-System. Durch die Botenstoffe RANKL (RANK-ligand), RANK

(„receptor-activator of NFkB“), OPG (Osteoprotegerin) und M-CSF („macrophage colonystimulating

factor“) steuert der Osteoblast die Reifung und Aktivität der Osteoklasten. Ausschüttung

von Parathormon (PTH) führt zu einer vermehrten Sezernierung von M-CSF, welches

an den Rezeptor c-fms auf Osteoklastenvorläuferzellen bindet und sie zur Proliferation anregt.

Durch Verminderung der Produktion des RANKL-Antagonisten OPG und verstärkte Bildung von

RANKL entstehen vermehrt reife, multinukleäre Osteoklasten, die eine Bürstensaummembran

ausbilden, Säure sezernieren und hierdurch Knochen resorbieren. (Modifiziert nach Teitelbaum

SL: Bone resorption by osteoclasts. Science 2000; 289: 1504–1508).

Pyknodysostose

Die Pyknodysostose wird rezessiv vererbt

und zeichnet sich durch verkürzte

und sklerosierte Röhrenknochen, sowie

eine akroosteolytische Dysplasie

der distalen Phalangen aus. Pathologische

Frakturen sind häufig (Tabelle).Es

wird vermutet, dass Toulouse-Lautrec

an dieser Erkrankung litt. Als Ursache

konnten Mutationen im Gen für Cathepsin

K identifiziert werden, das einen

Großteil der von Osteoklasten in

die Resorptionslakune sezernierten

sauren Proteasen ausmacht (6). Der

Phänotyp eines Cathepsin-K-defizienten

Mausmodells entspricht nicht völlig

der menschlichen Erkrankung, da

Akroosteolyse der Phalangen und

Kleinwuchs fehlen (25). In vitro ist die

Resorptionsleistung der Osteoklasten

der Mutante reduziert und die Resorptionslakunen

enthalten große Mengen

unverdauter Kollagenfibrillen, was die

zentrale Rolle von Cathepsin K beim

Abbau der Knochenmatrix illustriert.

Erst durch die Aktivität von Cathepsin

K wird die helikal gewundene Kollagenfibrille

für andere vom Osteoklasten

gebildete Proteasen, vor allem

Matrix-Metalloproteinase 9 (MMP-9),

zugänglich.

Osteopetrose

Der Pyknodysostose ähnlich ist die

Osteopetrose, auch Marmorknochen-

Krankheit genannt, die sich in drei

Hauptformen unterteilen lässt (Tabelle).

Die schwerste Form wird rezessiv

vererbt und manifestiert sich bereits in

den ersten Lebensmonaten. Die verkürzten

Röhrenknochen sind spröde

und besitzen weder eine Markhöhle

noch eine regelrechte Corticalis. Daraus

resultieren extramedulläre Blutbildung,

Hepatosplenomegalie und häufige

Frakturen. Durch die osteopetrotische

Verengung der Foramina der

Schädelbasis kommt es zur Kompression

von Hirnnerven, was zu Erblindung,

Taubheit und Fazialislähmung führen

kann.Viele Patienten sterben innerhalb

der ersten Lebensjahre, wenn bei ihnen

nicht als einzige derzeit mögliche Therapie

eine Knochenmarktransplantation

durchgeführt wird (7). ✁

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Eine etwas mildere rezessive Variante

der Osteopetrose mit späterem Beginn

ist mit renaler tubulärer Azidose und zerebralen

Verkalkungen, sowie mentaler

Retardierung verbunden (26). Obgleich

die autosomal dominante Osteopetrose

(Albers-Schönberg) meist erst im Erwachsenenalter

manifest wird, kann sie

zu ähnlich schweren Symptomen wie die

infantile Form führen (2). Das markanteste

röntgenologische Kennzeichen der

Albers-Schönberg-Erkrankung sind die

so genannten Sandwich-Wirbel (Abbildung

2).

Die molekulare Ursache der milderen

rezessiven Variante, bei der eine renale

tubuläre Azidose auftritt, konnte

als erste aufgeklärt werden. Durch Mutationen

wird die Carboanhydrase Typ

II inaktiviert, ein zytoplasmatisches Enzym,

das aus Kohlendioxid und Wasser

Protonen und Bikarbonat erzeugt (26).

In den Säure sezernierenden Schaltzellen

des Sammelrohrs der Niere werden

diese durch die Carboanhydrase erzeugten

Protonen von einer Protonenpumpe

in den Urin befördert.Auf diese

Weise werden bei Bedarf überschüssige

Säureäquivalente aus dem Körper entfernt,

um den pH-Wert zu regulieren.

Die Symptomkombination aus renaler

tublärer Azidose und Osteopetrose

deutet darauf hin, dass ein ähnliches

Zusammenspiel von Carboanhydrase

und Protonenpumpe für die Säuresekretion

der Osteoklasten verantwortlich

sein muss. Tatsächlich konnte in

vitro gezeigt werden, dass die Ansäuerung

von aus Osteoklasten isolierten

Vesikeln durch eine ATP-abhängige

´ Tabelle ´

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Durch verminderte Osteoklastenfunktion verursachte Formen der Osteosklerose*

Generelle klinische Manifestationen

– Osteosklerose, Verkleinerung des Markraums

– Multiple Frakturen, zum Teil nach Bagatelltrauma

Spezielle Kennzeichen der einzelnen Formen

Erkrankung

Manifestationsalter

Vererbung/Gen

(Chromosom)

Charakteristische Symptome

Infantil maligne 1. LJ rezessiv/ – Kleinwuchs

Osteopetrose TCIRG1 – Hypokalzämie

(11q13) – Extramedulläre Blutbildung

CLCN7 – Kompression von Hirnnerven

(16p13) – Stark eingeschränkte Lebenserwartung

Intermediäre 1.–2. LJ rezessiv/ – Kleinwuchs

Osteopetrose CA2 – Hypokalzämie

(8q22) – Extramedulläre Blutbildung

– Kompression von Hirnnerven

– Zerebrale Kalzifizierungen

– Mentale Retardierung

– Renale tubuläre Azidose

Pyknodysostose 1.–3. LJ rezessiv/ – Kleinwuchs

CTSK – Hypoplasie/Osteolyse der distalen Phalangen

(1q21) – Dysplasie der Claviculae

– Hypodontie

Benigne Osteopetrose 10.–40. LJ dominant/ – Sandwich-Wirbel

(Albers-Schönberg) CLCN7 – Skoliose

(16p13) – Arthritis des Hüftgelenks

– Osteomyelitis

Protonenpumpe hervorgerufen wird

(1). Protonenpumpen sind große Proteinkomplexe

aus vielen Untereinheiten,

die unter ATP-Verbrauch Protonen

über biologische Membranen transportieren

(4). Man findet sie in verschiedenen

zellulären Kompartimenten, deren

Funktion vom pH-Wert abhängig ist.

Prominentestes Beispiel sind die Lysosomen,

die ein saures Milieu erzeugen

Abbildung 2: Röntgenaufnahme

der

Wirbelsäule einer

24-jährigen Patientin

mit Albers-

Schönberg-Erkrankung

(links) und

ihres nicht betroffenen

19-jährigen

Bruders (rechts).

Durch Sklerosierung

im Bereich

der Deckplatten

entsteht das typische

Bild der

Sandwich-Wirbel.

Ebenfalls lässt sich

das charakteristische

Knochen-im-

Knochen-Phänomen beobachten, da man innerhalb des Wirbels die Umrisse kleinerer Wirbel zu

erkennen meint.

*Neben den charakteristischen osteosklerotischen Veränderungen des Skeletts, die in ihrer Ausprägung von der malignen zur benignen Form

schwächer und später manifest werden, gibt es eine Reihe zusätzlicher Symptome, die für die einzelnen Formen typisch sind. LJ, Lebensjahr

müssen, damit die in ihnen enthaltenen

Enzyme ausreichend aktiv sind.

Auf der Suche nach spezifisch in

Osteoklasten auftretenden Proteinen

stieß man auf das Protein OC-116, das

sich als eine Untereinheit der Protonenpumpe

erwies. Die Vermutung lag nahe,

dass OC-116 eine Rolle bei der Säuresekretion

der Bürstensaummembran spielen

könnte (19). Um dies zu belegen,

wurde in der Maus durch genetische

Manipulation das entsprechende Gen

(Atp6i) ausgeschaltet. Die resultierenden

Knockout-Tiere zeigen eine schwere,

unmittelbar nach der Geburt beginnende

Osteopetrose, jedoch keine renale

tubuläre Acidose (18).Wie bei der humanen

Osteopetrose sind Osteoklasten

auf der Oberfläche der Knochen dieser

Tiere zahlreich vorhanden, aber aufgrund

der nicht ausreichenden Ansäuerung

der Resorptionslakune nicht fähig,

Knochen zu resorbieren. Das menschliche

Gen liegt in einem chromosomalen

Bereich, der bereits zuvor mit der rezessiven

infantilen Osteopetrose in Verbindung

gebracht worden war (9). Tatsächlich

konnten bei der Mehrzahl der

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Krankheitsfälle Mutationen in diesem

Gen gefunden werden (5, 16).

Die gentechnologische Ausschaltung

des Gens für das Ionenkanal-Protein

ClC-7 in der Maus verursacht einen

ganz ähnlichen Phänotyp (Abbildung 3)

(15). Ionenkanäle bilden selektive Poren

in zellulären Membranen, deren

Öffnungszustand durch verschiedene

Faktoren reguliert wird kann. ClC-7

gehört zur Familie der spannungsgesteuerten

CLC-Chloridkanäle (12). Der

bekannteste Vertreter der CLC-Proteinfamilie

ist ClC-1, dessen Ausfall zur

Muskelsteifigkeit (Myotonie) führt

(14). Dass Ionenkanäle etwas mit Aktionspotenzialen

in Nerven und Muskeln

und folglich auch mit der Muskelfunktion

zu tun haben können, ist leicht einzusehen.

Aber welche Rolle könnte ein

Chloridkanal für die Funktion der

Osteoklasten haben?

In aktiven Osteoklasten wurde ClC-

7 in sauren Vesikeln des Zytoplasmas

und in der Bürstensaummembran nachgewiesen.

Es lag nahe, dass ClC-7 an der

Säuresekretion durch diese Strukturen

beteiligt sein könnte (Abbildung 4). In

der Tat konnten in vitro kultivierte

Osteoklasten keine angesäuerte Resorptionslakune

bilden. Die Erklärung

hierfür ist einfach: Würden über die

Bürstensaummembran lediglich Protonen

transportiert,käme es zu einer positiven

Aufladung der Resorptionslakune

M E D I Z I N

Abbildung 3: Osteopetrose in ClC-7-defizienten Mäusen. Von-Kossa-gefärbte Schnitte der

Tibiae vier Wochen alter Tiere. Kalzifizierte Strukturen sind schwarz dargestellt. Während sich

beim Wildtyptier (WT) die typische Morphologie des Röhrenknochens gebildet hat, ist beim

ClC-7-defizienten Knockout-Tier (KO) weder eine Markhöhle noch eine Corticalis zu erkennen.

An ihrer Stelle findet man eine undifferenzierte verkalkte Spongiosastruktur.

und zu einem baldigen Erliegen des Ansäuerungsprozesses.

Um dies zu verhindern,

werden durch den Chloridkanal

parallel negative Chloridionen geleitet,

sodass insgesamt elektroneutral Salzsäure

sezerniert wird (Grafik 3).

Bei einigen Fällen der rezessiven infantilen

Osteopetrose konnten in der

Folge inaktivierende Mutationen im

Gen für ClC-7 identifiziert werden.

Grafik 3

Neuere Befunde jedoch weisen auf eine

weiterreichende Funktion von ClC-7

hin. Bestimmte andere Mutationen

nämlich führen nicht zu der schweren

rezessiven, sondern zu der milderen dominanten

Osteopetrose, die erst im späten

Jugendalter beginnt und statt innerhalb

von Monaten oder wenigen Jahren

über Jahrzehnte hinweg progredient ist

(3). Im Gegensatz zu den rezessiven

Formen sind die Betroffenen von normaler

Körpergröße, das heißt die Resorptionsleistung

ist für die Umbauprozesse

während des Wachstums ausreichend,

nicht aber für das spätere Remodeling.

Die dominanten Mutationen in

ClC-7 setzen anscheinend die Osteoklastenaktivität

lediglich herab, während

sie durch die rezessiven Mutationen

gänzlich blockiert wird.

Osteosklerose und

Osteoporose

Die Osteosklerose lässt sich als Spiegelbild

der Osteoporose auffassen. Hier resultiert

die mechanische Instabilität

durch abnorm erhöhte Knochenmasse,

dort durch einen Verlust an Knochenmasse

und trabekulärer Mikroarchitektur.

Die höchste individuelle Knochenmasse

(peak bone mass) wird um das 30.

Mechanismus der Säuresekretion durch den Osteoklast. Durch die Aufklärung der molekularen

Ursachen der verschiedenen Formen der Osteopetrose sind wesentliche Aspekte der Resorption

durch den Osteoklast bekannt. Nach der Anheftung der multinukleären Zelle an die Knochenoberfläche

fusionieren saure Vesikel in großer Zahl mit der Zellmembran, die sich zum Bürstensaum

auffaltet. Die Vesikel schütten Proteasen aus (vor allem Cathepsin K) und transportieren

Protonenpumpen-Proteine (grün) und das Ionenkanalprotein ClC-7 (rot) zur Bürstensaummembran.

Durch das Zusammenspiel dieser beiden Membranproteine werden Protonen in die Resorptionslakune

gepumpt, die im Zytoplasma durch die Carboanhydrase Typ II (CAII, gelb) gebildet

werden. Der erniedrigte pH-Wert in der Lakune aktiviert die Proteasen, die das Kollagen des

Knochens abbauen und ermöglicht die Auflösung des im Knochen enthaltenen Hydroxylapatits.

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Abbildung 4: Lokalisation des Ionenkanalproteins ClC-7 im Osteoklast.

Immunhistochemische Detektion mithilfe der alkalischen

Phosphatase-Reaktion (rot) und Toulidinblau-Gegenfärbung. Die

höchste Konzentration von ClC-7 findet sich an der Bürstensaummembran

(„ruffled membrane“, RM). Daneben sind auch einige

ClC-7-positive zytoplasmatische Vesikel zu erkennen (V).

Lebensjahr erreicht. Sie wird von einem

komplexen Zusammenspiel von Umwelt-

und genetischen Faktoren bestimmt.Je

höher sie ist,desto niedriger ist

das statistische Risiko, dass sich im Laufe

des weiteren Lebens eine Osteoporose

entwickelt (22). Eine leichte Herabsetzung

der Aktivität der Osteoklasten

könnte daher protektive Wirkung haben.

Referiert

M E D I Z I N

Die molekularen Befunde

bei den verschiedenen

Formen der

Osteopetrose weisen

darauf hin, dass der

Mechanismus der Säuresekretion

für die

Funktion der Osteoklasten

von zentraler Bedeutung

ist. Rezessive

Mutationen in OC-116

und ClC-7 bringen sie

scheinbar völlig zum Erliegen

und resultieren in

einem sehr schweren

Krankheitsbild. Defekte

der Carboanhydrase

Typ II beeinträchtigen

die Säuresekretion etwas

weniger stark, bedingen

jedoch folgenschwereFehlfunktionen

der Niere und des

Gehirns. Dominante Mutationen in

ClC-7 führen offensichtlich zu einer nur

geringfügigen Hemmung der Osteoklastenfunktion

und daher zu einer

langsamen Akkumulation von Knochengewebe.

Extrapoliert man diese Befunde, so

ist es denkbar, dass Mutationen in

ClC-7 mit nur geringer Auswirkung auf

Prävention der Ösophagusvarizen-Rezidivblutung

Die Gummibandligatur scheint der

Sklerotherapie bei der Prävention einer

Ösophagusvarizen-Rezidivblutung

überlegen zu sein. Unklar war bislang,

ob die endoskopische Therapie einer

medikamentösen Therapie mit Betablockern

und Nitraten zur Senkung

des Pfortaderdrucks gleichwertig oder

überlegen ist.

Die Autoren berichten über eine Studie

bei 102 Patienten mit frischer Varizenblutung,

die im blutungsfreien Intervall

entweder einer Gummibandligatur

oder einer medikamentösen Therapie

unterzogen wurden. Etwa die Hälfte der

Patienten wies eine dekompensierte Le-

berzirrhose CHILD C auf. Nach einem

Jahr war es bei 43,7 Prozent der medikamentös

behandelten Patienten und bei

53,8 Prozent der Patienten, bei denen

eine Gummibandligatur durchgeführt

worden war,zu einer Rezidivblutung gekommen.

Zu diesem Zeitpunkt waren

32 Prozent der Patienten unter konservativer

Therapie und 22,5 Prozent der

ligierten Patienten verstorben.

Die Autoren kommen zu dem

Schluss, dass zur Prävention der Varizenblutung

eine medikamentöse Therapie

mit Betablockern und Nitraten genauso

effektiv ist wie die Gummibandligatur.

w

die Funktion, so genannte Polymorphismen,

an der individuellen Regulation

der Knochenmasse beteiligt sind.

Gleichzeitig könnte dieses Kanalprotein

ein potenzielles Drug-Target sein.

Substanzen, die ClC-7 blockieren,

könnten die Knochenresorption bremsen

und Einsatz in der Therapie der

Osteoporose finden. Damit könnte die

Analyse einer pathologischen Rarität –

noch dazu zuerst bei der Maus – neue

Wege in der Therapie einer Volkskrankheit

eröffnen, die durch die Steigerung

des Durchschnittsalters in den Industrienationen

immer häufiger wird.

Manuskript eingereicht: 18. 6. 2002, revidierte Fassung

angenommen: 14. 1. 2003

❚ Zitierweise dieses Beitrags:

Dtsch Arztebl 2003; 100: A 1258–1268 [Heft 19]

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis,

das beim Verfasser erhältlich oder im Internet

unter www.aerzteblatt.de/lit1903 abrufbar ist.

Anschrift für die Verfasser:

Dr. rer. nat. Uwe Kornak

Institut für Medizinische Genetik

Universitätsklinikum Charité

Augustenburger Platz 1

13353 Berlin

E-Mail: uwe.kornak@charite.de

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andrew.burroughs@talk21.com

A 1268 Deutsches Ärzteblatt⏐Jg. 100⏐Heft 19⏐9. Mai 2003

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