Wie mechanische Belastung den Knochen stärkt

Peking (China) - Die Aktivität der Skelettmuskeln und die Erdanziehung sorgen normalerweise dafür, dass die Knochen häufig einer mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Wenn diese Kräfte wegen krankheitsbedingter Bettruhe für längere Zeit deutlich weniger einwirken, findet ein schneller Abbau von Knochengewebe statt, der die Stabilität der Knochen schwächt. Chinesische Forscher haben jetzt ein Protein in den knochenbildenden Zellen, den Osteoblasten, identifiziert, das die Funktion eines Mechanosensors hat: Es reagiert auf das Ausmaß der Belastung, indem es das Knochenwachstum entweder verstärkt oder verringert, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „eLife“. Bei Patienten mit Osteoporose oder bei Astronauten auf einer Raumfahrtmission könnte es hilfreich sein, die Aktivität dieses Proteins zu verstärken.

„Knochen reagieren hochempfindlich auf Veränderungen der täglichen mechanischen Belastung und der Schwerkraft“, schreiben Bailong Xiao von der Tsinghua University und seine Kollegen vom China Astronaut Research and Training Center in Peking. Deshalb sei der Verlust an Knochenmasse eines der Hauptprobleme, die nach langen Raumflügen und bei bettlägerigen Patienten auftreten. Verschiedene Körperzellen verfügen über Sensoren, die mechanische Einwirkungen registrieren. Ein solcher Sensor ist das Protein Piezo1 in der Membran von Nervenzellen, das auf Berührungen reagiert und den Tastsinn vermittelt. Das Protein ist ein sogenannter Ionenkanal, der den Fluss von Kalziumionen durch die Membran in die Zelle reguliert, wodurch eine Kette von Folgereaktionen ausgelöst werden kann.

Auch in den knochenbildenden Osteoblasten von Mäusen fanden die Forscher Piezo1-Proteine. Wurden die Zellen unter dem Mikroskop mit einer Mikropipette angestoßen, strömten verstärkt Kalziumionen ein. Genetisch veränderte Mäuse, denen das Piezo1-Gen in den Osteoblasten fehlte, zeigten ein gestörtes Knochenwachstum und entwickelten zum Teil kürzere und weniger stabile Beinknochen. Normale Osteoblasten, die in einer speziellen Apparatur bei stark verminderter Schwerkraft kultiviert wurden, produzierten weniger Piezo1-Proteine als bei Anzucht unter normalen Bedingungen. Ebenso bewirkte bei Mäusen, die sich ähnlich wie bettlägerige Patienten längere Zeit kaum bewegen konnten, die fehlende mechanische Belastung der Knochen eine verringerte Piezo1-Produktion in den Osteoblasten. Schließlich ergab sich auch bei Osteoporosepatienten ein Zusammenhang zwischen geringer Knochendichte und vermindertem Piezo1-Gehalt.

„Unsere Ergebnisse sprechen für eine positive Rückkopplung zwischen dem Mechanosensor und der mechanischen Belastung von Zellen und Geweben“, schreiben die Wissenschaftler. Sie suchen nun nach einem Wirkstoff, der die Produktion von Piezo1 ankurbelt. Damit könnte eine Osteoporose behandelt oder einem Knochenabbau während eines langen Aufenthalts in der Schwerelosigkeit vorgebeugt werden.