Knochenbrüche: Das Zellumfeld ist für die Heilung entscheidend

Wenn ein Knochen bricht, reagiert der Körper sofort und setzt einen komplexen Reparaturprozess in Gang. Immunzellen wandern in das verletzte Gewebe ein, beseitigen beschädigte Zellen und bereiten die Reparatur vor. Gleichzeitig beginnt der Knochen, sich umzubauen. Wie diese Prozesse genau zusammenspielen, war bislang nur teilweise bekannt.

Ein Forschungsteam um Anne Noom und Georg Duda vom Julius Wolff Institut für Biomechanik und Muskuloskelettale Regeneration im BIH hat zusammen mit anderen WissenschaftlerInnen im Sonderforschungsbereich 1444 deshalb die frühen Phasen der Knochenheilung genauer untersucht. Das Team konnte zeigen, dass insbesondere die innere Schicht des Knochens, das Endosteum der Kortikalis, bereits in den ersten Momenten nach einem Bruch eine zentrale Rolle bei der Organisation der Immunantwort und bei der Bildung knochenabbauender Zellen spielt. 

„Knochenheilung ist ein sehr dynamischer Prozess, bei dem Immunzellen und Knochenzellen eng miteinander interagieren. Wir sehen, dass Makrophagen dabei eine deutlich aktivere Rolle spielen, als man in der frühen Heilungsphase zunächst vermuten würde. Sie reagieren nicht nur auf die Verletzung, sondern können sich unter bestimmten Bedingungen auch in Osteoklasten weiterentwickeln und damit den Knochenumbau direkt beeinflussen“, erklärt Professor Georg Duda.

Die Umgebung gibt wichtige Signale

Früh nach einem Knochenbruch finden sich aktivierte Osteoklasten, also Zellen, die Knochengewebe abbauen und später am Knochenumbau beteiligt sind, vor allem an der Kortikalis. Dort entsteht eine besonders aktive Umgebung, in der Immun- und Gewebezellen eng zusammenarbeiten.

Dieser Abbau ist ein wichtiger Bestandteil der Knochenheilung: Beschädigtes Knochengewebe muss entfernt werden, damit anschließend neuer Knochen entstehen kann. Gleichzeitig liefern Stromazellen in der Kortikalis wichtige Signale, die die Entwicklung von Osteoklasten unterstützen. Es entsteht damit eine lokal begrenzte „Heilungsnische“, in der verschiedene Zelltypen koordiniert zusammenwirken.

„Entscheidend ist dabei nicht allein, welche Zellen sich im verletzten Gewebe befinden. Die Zellen reagieren auf die Signale ihrer Umgebung, und diese Signale bestimmen mit, welche Funktion sie übernehmen. Wir müssen deshalb die zelluläre Umgebung stärker als Teil des Heilungsprozesses verstehen statt einzelne Zelltypen isoliert zu betrachten“ erläutert Anne Noom ihre Arbeit.

Warum ältere Knochen langsamer heilen

Duda ergänzt: „Im Alter scheint diese Abstimmung zwischen den beteiligten Zellen weniger effizient zu sein. Unsere Daten liefern erste Hinweise darauf, dass sich dadurch schon die frühen Prozesse der Knochenheilung verändern. Wenn wir verstehen, welche Signale in diesem Netzwerk verloren gehen oder sich verändern, können wir langfristig gezielter in die Knochenregeneration auch im Alter eingreifen.“

Im Labor fanden die Forschenden heraus, dass die räumliche und zeitliche Koordination der Knochenheilung bei gealterten Mäusen deutlich abgeschwächt war, obwohl die grundlegenden Eigenschaften der beteiligten Vorläuferzellen weitgehend erhalten blieben. Dies deutet darauf hin, dass das Alter möglicherweise weniger die Zellen selbst verändert, sondern vielmehr die Mikroumgebung, in der die Zellen miteinander kommunizieren.

Die Studie liefert damit ein neues Verständnis der frühen Knochenheilung: Die Bildung von Osteoklasten wird nicht allein durch die Eigenschaften ihrer Vorläuferzellen bestimmt. Vielmehr entscheidet das lokale Zusammenspiel von Immun- und Stromazellen und mechanischer Nische darüber, ob und wie dieser Prozess in Gang kommt.

Die Erkenntnisse aus der Studie könnten langfristig helfen, besser zu verstehen, warum Knochenbrüche bei älteren Menschen oft langsamer heilen. Ein besseres Verständnis dieser sogenannten „Heilungsnische“ könnte langfristig dazu beitragen, neue Ansätze für die Behandlung verzögerter oder gestörter Knochenheilung insbesondere im Alter zu entwickeln. Außerdem können dieser Basis neue Ansatzpunkte für die Entwicklung von Therapien zur gezielten Unterstützung der Knochenregeneration abgeleitet werden.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Weitere Forschung ist notwendig, um zu klären, inwieweit sich die Erkenntnisse auf den Menschen übertragen lassen.