ArchivDeutsches Ärzteblatt50/2006Muskel und Knochen – eine funktionelle Einheit

MEDIZIN: Übersichtsarbeit

Muskel und Knochen – eine funktionelle Einheit

Paradigmenwechsel bei Skelettuntersuchungen von Kindern und Jugendlichen

Muscle and Bone: a Functional Unit

Schönau, Eckhard; Fricke, Oliver

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LNSLNS Zusammenfassung
Einleitung: Im sich entwickelnden Organismus von Kindern und Jugendlichen steht die Kraft und die Masse der Muskulatur in biologischer Beziehung zur Geometrie und Masse des Skeletts. Methoden: Vor dem Hintergrund von Harold Frost's „Mechanostaten Hypothese“ werden Erkenntnisse osteodensitometrischer und biomechanischer Untersuchungen der vergangenen zehn Jahre diskutiert. Ergebnisse: Bei Heranwachsenden folgt die Entwicklung der Masse und Geometrie des Knochens der Entwicklung der Körpermaße und Muskelkraft. Durch Zunahme der Festigkeit passt sich der Knochen an die durch biomechanische Kräfte bedingte Verformung an. Aus diesem Grund ermöglicht die quantifizierte Untersuchung der Beziehung zwischen Knochenfestigkeit und Muskelkraft zwischen primären und sekundären Knochenerkrankungen zu unterscheiden. Bei primären Knochenerkrankungen ist die Knochenfestigkeit nicht an die Muskelkraft adaptiert. Sekundäre Knochenerkrankungen zeichnen sich durch eine verminderte Knochenfestigkeit in Verbindung mit einer gelungenen Anpassung an eine verringerte Muskelkraft aus. Diskussion: Der als funktionelle Muskel-Knochen-Einheit bezeichnete Zusammenhang zwischen Muskulatur und Skelett ist ein nützlicher Ansatz in der Diagnostik pädiatrischer Knochenerkrankungen.
Dtsch Arztebl 2006; 103(50): A 3414–9.
Schlüsselwörter: Osteoporose, Muskel-Knochen-Einheit, Knochendichtemessung, pädiatrische Erkrankung, Osteodensitometrie

Summary
Muscle and bone – a functional unit
Introduction: This review deals with the relationship of muscle force and mass to bone mass and geometry in the developing skeleton of children and adolescents. Methods: Results from studies in the last ten years are discussed with reference to Harold Frost's "mechanostat hypothesis." Results: Bone mass and geometry follow the development of body mass and muscle strength in children and adolescents. Therefore, bone is adapted to applied biomechanical forces. Measuring the ratio of muscle force to bone strength is an approach to distinguish between a primary and a secondary bone disease. Primary bone diseases are characterized by dysfunctional adaptation of bone to biomechanical forces. Secondary bone diseases, in contrast, are characterised by normal adaptation of bone to loaded forces, but a decline of muscle force (sarcopenia). Discussion: These observations induced us to introduce the "functional muscle-bone unit" into the diagnosis of pediatric bone diseases. The ratio of two parameters – bone strength on the one and to biomechanical forces on the other side – is a reasonable diagnostic tool to distinguish between primary and secondary bone diseases.
Dtsch Arztebl 2006; 103(50): A 3414–9.
Keywords: osteoporosis, muscle-bone unit, osteodensitometric measurement


Der enge Zusammenhang zwischen dem Risiko für eine Fraktur und der Knochenmasse ist Basis für die Empfehlungen der Weltgesundheits-Organisation (WHO) zur Diagnostik und Charakterisierung von Osteopenie und Osteoporose (1). Aufgrund dieser Assoziation steht bei Fragestellungen zur Osteoporose die Beurteilung und therapeutische Beeinflussung der Knochenmasse im Vordergrund. Diese Überlegung bedingt das Konzept der „peak bone mass“-Optimierung und der theoretischen Reduktion des Frakturrisikos im Alter.
Prävention, Diagnostik
und Therapie der Osteoporose
Der Erwerb von viel Knochenmasse im Kindes- und Jugendalter sollte somit vor Frakturen im Alter schützen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit wissenschaftlichen Ergebnissen der letzten zehn Jahre zur Skelettentwicklung. Es wird diskutiert, ob das derzeitige Konzept, die Knochengesundheit unter der Vorrangstellung der Knochenmasse zu betrachten, die biologischen Prinzipien der Skelettentwicklung im Kindes- und Jugenalter ausreichend berücksichtigt.
Die zentrale Frage ist, ob ein „optimaler Knochenaufbau“ im Kindes- und Jugendalter als Maßnahme zur Prävention von Frakturen beziehungsweise Osteoporose im Erwachsenenalter relevant ist (2, 3, 4, e1, e2, e3 , e4). Es gibt keine kontrollierten Studien über den Zeitraum von 60 bis 80 Jahre, die diese Vorstellung belegen. Im Gegenteil – es wird zunehmend kritisch diskutiert, ob dieses Konzept und insbesondere die isolierte Analyse der Knochenmasse im Kindes- und Jugendalter, aber auch bei Erwachsenen, zu vereinfachend ist. Zudem wird hinterfragt, ob die Zusammenhänge zwischen der Entwicklung der Knochenfestigkeit im Kindes- und Jugendalter und deren Erhalt im Erwachsenenalter nicht ausreichend erfasst werden (5, 6, e5, e6). Beispielhaft dafür konnte bei Kindern gezeigt werden, dass die Analyse der Knochenmasse unter anderem von der Körperhöhe abhängig ist. So haben Kinder mit Kleinwuchs kleinere Knochen und damit eine geringere Knochenmasse im Gegensatz zu großwüchsigen Kindern mit einer entsprechend hohen Knochenmasse, obgleich die auf die Körpergröße bezogene relative Knochenmasse gleich ist. Entscheidend zur Untersuchung der „Knochengesundheit“ ist daher die Beantwortung der Frage, ob die vorhandene Knochenmasse angemessen für die Körperhöhe und somit auch für die Funktion des Skelettsystems ist. Dies wurde aber bis vor kurzem nicht berücksichtigt. Dadurch wurden weltweit viele Kinder mit Kleinwuchs beziehungsweise einer Körperhöhe im unteren Größenbereich als osteopenisch beziehungsweise osteoporotisch eingestuft. Das betrifft auch Erwachsene mit geringer Körperhöhe. Besonders erschwerend erwies sich bei der Bewertung von Knochenuntersuchungen im Kindesalter die häufige Gleichsetzung der physikalischen Begriffe „Knochendichte“ und „Knochenmasse“. Die Knochendichte ist die Knochenmasse pro Knochenvolumen (Einheit in Milligramm pro Volumen: mg/cm3). Dagegen ist die Knochenmasse die Menge an Knochen absolut (Einheit in Milligramm: mg) (7).
Für die Interpretation von Knochenanalysen bei Kindern heißt das: Eine verminderte Knochendichte bedeutet eine auffällige Materialeigenschaft, zum Beispiel zu wenig Mineral pro Knochenvolumen wie bei der Rachitis oder Osteomalazie, oder Gewebeeigenschaft, beispielsweise zu wenige oder zu dünne Trabekel pro Spongiosavolumen. Im Gegensatz dazu ist eine niedrige Knochenmasse bei kleinwüchsigen Kindern – dies sind insbesondere Kinder mit chronischen Erkrankungen – ein Normalbefund. Mit anderen Worten: eine niedrige Knochenmasse kann bedingt sein durch eine niedrige Knochendichte (pathologischer Befund) aber auch durch eine geringe Knochengröße (physiologische Anpassung). Dieser „banale“ Zusammenhang muss in der quantitativen Analyse des Skelettsystems beachtet werden (8).
Repräsentative Studien zeigen, dass in den letzten zehn Jahren – ergänzend zur Untersuchung der Knochendichte und Knochenmasse – die Beurteilung der Knochengeometrie und die sich daraus ableitende Knochenfestigkeit im Kindes- und Jugendalter zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Diese Ergebnisse haben zu einer Renaissance des biologischen Verständnis der Skelettentwicklung geführt: Form und Größe eines Skelettelements sind Ausdruck seiner biomechanischen Beanspruchung.
Regler der Skelettentwicklung – der Mechanostat
1892 beschrieb der deutsche Anatom Julius Wolff das „Gesetz der Transformation der Knochen“ (9). Dahinter verbarg sich die Vorstellung, dass das Skelettsystem sich den äußeren Bedingungen (Kräften) anpasst. In den 1960er-Jahren wurde dieses Gesetz durch die Beobachtungen von dem amerikanischen Orthopäden Harald Frost weiterentwickelt. Es erfolgte die Beschreibung der „Mechanostat-Hypothese“; Grafik 1 zeigt den Regelkreis (10, e7, e8).
Im Zentrum steht der „Mechanostat“, der die Knochenverformungen, die durch die aktive Muskulatur ausgelöst werden, analysiert und entsprechend ihres Ausmaßes die Knochenfestigkeit durch die Arbeit der Knochenzellen (Osteoblasten, Osteoklasten) anpasst. Hohe Kräfte beim Muskelaufbau (körperliche Aktivität) verursachen Knochenaufbau; geringe Kräfte (Immobilität) bedeuten Knochenverlust und Abnahme der Festigkeit. Mit anderen Worten die Knochenfestigkeit wird immer auf die einwirkenden Kräfte eingestellt.
Diese Theorie wurde in den letzten Jahrzehnten von vielen Wissenschaftlern und Medizinern als zu „mechanisch“ abgelehnt. Erst durch aktuelle Forschungsarbeiten, die darauf hinweisen, dass das Netzwerk der Osteozyten das „biologische Korrelat“ des Mechanostaten darstellt, ist diese Betrachtungsweise beziehungsweise die Kopplung Mechanik-Biologie auch für Grundlagenforscher zunehmend interessant (11).
In dem Regelkreis (Grafik 1) werden die mechanischen Faktoren, wie die Maximalkräfte der Muskulatur, streng von den nichtmechanischen, wie etwa Hormone, Nahrungsbestandteile und Medikamente, getrennt. Diese Faktoren haben in dem Regelkreis eine modifizierende Wirkung. Sie können bestimmte Abläufe beeinflussen wie beispielsweise:
- die Osteoblastenaktivität durch Parathormon
- die Osteoklastentätigkeit durch Bisphosphonate
- die Osteozytenempfindlichkeit möglicherweise durch Östrogen
- die spontane Mineralisation durch Calcium und Phosphat
- die Muskelentwicklung durch Wachstumshormon oder Testosteron.
Sie können aber nicht die mechanischen Kräfte wie Muskelaktivität ersetzen. Es geht bei dieser Betrachtung nicht um „wichtige“ und „unwichtige“ Faktoren, sondern um das Verständnis des Zusammenspiels. Auch wenn man sich wünscht, das „Calcium den Knochen stark macht“, weil es einfach ist Calcium zu supplementieren, wird man sich aufgrund aktueller Daten künftig mit neuen Betrachtungsweisen und Empfehlungen vertraut machen müssen (e21).
Calciummangel ist im Kindesalter die Ursache für eine Rachitis. Die Knochensubstanz ist unzureichend mineralisiert. Osteoporose bedeutet dagegen fehlende Knochensubstanz durch unzureichende Knochenbildung oder gesteigerten Knochenverlust. Hierbei handelt es sich nicht um einen Mineralmangel im Knochengewebe.
Wichtige Eigenschaften des Knochens im Kindes- und Jugendalter
Es gibt gute Gründe für die Annahme, dass sich im Rahmen der Evolution das Prinzip „mit einem Minimum an Aufwand (Energie, Material) ein Maximum an Erfolg (ausreichende Festigkeit für körperliche Aktivität)“ entwickelt hat. Falls es das Ziel sein sollte, möglichst „schwere Knochen“ zu haben, warum sind die Knochen der Säugetiere dann hohl? Ist es sinnvoll möglichst schwere Knochen zu transportieren? Falls es das Ziel sein sollte, möglichst „dichte Knochen“ zu haben, warum haben Patienten mit einer hohen Materialdichte wie zum Beispiel Patienten mit der Osteogenesis imperfecta so viele Frakturen? Die Grafik 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit zwischen Dichte, Masse und der resultierenden Festigkeit (7, 12, e9). Die Knochenfestigkeit ist eine Funktion von der Materialeigenschaft (Dichte), der Materialmenge (Masse) und der Verteilung der Masse um den Massenschwerpunkt (Geometrie). Entscheidend ist, dass kleine Änderungen der Geometrie, etwa die Zunahme des Durchmessers, in hohem Maße zur Steigerung der Knochenfestigkeit, beitragen.
Skelettentwicklung – eine Funktion einwirkender Muskelkräfte
Der in der „Mechanostat-Hypothese“ postulierte Zusammenhang zwischen Muskel- und Knochenentwicklung wurde im Rahmen der DONALD-Studie (Dortmund Nutritional and Anthropometric Longitudinally Designed Study) bei 349 gesunden Kindern und Jugendlichen im Alter von 6 bis 19 Jahren (183 Mädchen) und ihrer Eltern im Alter von 29 bis 59 Jahren (201 Mütter) im Querschnitt untersucht. Die DONALD-Studie ist eine longitudinale Untersuchung, die den Effekt der Kinderernährung und anderer „Lifestyle“-Faktoren auf die kindliche Entwicklung prüft (e10).
Die Untersuchung der Muskel- und Skelettentwicklung erfolgte mit der peripheren quantitativen Computertomographie (pQCT) am nicht dominanten Unterarm. Die Messorte werden als relativer Abstand des CT-Querschnittbildes von der distalen Ulna-Epiphyse in Bezug auf die Gesamtlänge des Knochens angegeben. Die Grafik 3 beschreibt die Lokalisation der CT-Schichten am Radius und die exemplarisch dargestellten Parameter für Knochendichte (Spongiosadichte, Kortikalisdichte), Knochenmasse („bone mineral content“ [BMC]) und Knochenfestigkeit („bone strength index“ [BSI]).
Der Parameter BSI zeigte in vielen tierexperimentellen Untersuchungen und Bruchfestigkeitsanalysen an menschlichen Knochen postmortem eine hohe Vorhersagegenauigkeit der Kräfte, die notwendig sind, um diese Knochen zu brechen. Die Grafik 4 beschreibt die Beziehung der Knochenparameter Masse (BMC) und Festigkeit (BSI) in Abhängigkeit von der Muskulatur (Muskelfläche im Querschnitt am Unterarm). Wird die Knochenmasse und -festigkeit auf die Muskulatur bezogen, lässt sich unabhängig vom Alter (Kinder, Eltern) eine lineare Beziehung nachweisen. Diese Daten sprechen für den von Julius Wolff 1892 dargestellten Zusammenhang zwischen Knochen und einwirkenden Kräften und für das 1964 dargestellte Konzept des Mechanostaten durch Harold Frost. Dagegen ist beim gesunden, normal aktiven Probanden die Entwicklung der Spongiosadichte am distalen Radius weder vom Alter noch in relevanter Weise von der Muskulatur abhängig. Aufgrund dieser Eigenschaft hat sich in der klinischen Arbeit der Autoren dieser Parameter als guter Screeningparameter zum Nachweis von frühen Knochenverlusten bei angeborenen Störungen oder chronischen Erkrankun-
gen bewährt. Ausführliche Informationen über die DONALD-Studie, die Analyse der Interaktion zwischen Muskel und Knochen, die Methoden und die dazugehörigen Referenzwerte wurden in verschiedenen Publikationen veröffentlicht (1217, e11e15).
Neues Diagnostikkonzept: Die „funktionelle Muskel-Knochen-Einheit“
1996 wurde anhand von Pilotuntersuchungen über die Muskel- und Skelettentwicklung im Kindes- und Jugendalter der „functional muscle-bone unit“ beschrieben (18). Aufgrund der Beziehung zwischen Muskel und Knochen wurde empfohlen, bei Skeletterkrankungen konsequenterweise auch die Muskulatur zu prüfen. Wenn die Entwicklung beziehungsweise der Erhalt des Skelettsystems eine Funktion der Muskulatur ist, dann muss konsequenterweise der Muskel mituntersucht werden. Dieses Vorgehen stellt einen Paradigmenwechsel dar. Bisher wurden Knochenparameter im Kindes-, Jugend- und Erwachsenenalter in Bezug auf das chronologische Alter und somit im Vergleich zu einem Altersmittelwert einer Population ausgewertet. Die „funktionelle Muskel-Knochen-Einheit“ verwendet dagegen die Muskulatur als Referenzwert. Zur Umsetzung dieser Vorgehensweise wurde eine Zwei-Stufen-Diagnostik vorgeschlagen (Grafik 5) (19, e16).
Im ersten Schritt wird die Muskelentwicklung untersucht. Hierbei dient als individuelle Referenzgröße die Körperlänge. Die Körperlängenentwicklung besitzt eine sehr enge Assoziation zur Entwicklung der Muskelmasse (19, e17). Dieser Zusammenhang lässt sich aus einem teleologischen Blickwinkel verstehen. Größere Skelettelemente benötigen aufgrund größerer Masse und stärkerer Hebelkräfte auch größere Muskelkräfte, um Bewegungen auszuführen.
Im zweiten Schritt des vorgestellten Algorithmus wird die Skelettadaption analysiert. Durch dieses Vorgehen werden Skeletterkrankungen in primäre und sekundäre Störungen unterteilt. Bei primären Störungen handelt es sich um eine Adaptionsstörung des Skelettsystems zum Beispiel Osteogenesis imperfecta, juvenile idiopathische Osteoporose, Medikamentennebenwirkungen. Bei sekundären Störungen liegt eine unzureichende Anregung durch die Muskulatur vor, beispielsweise infolge primärer muskulärer Erkrankungen, kataboler Zustände bei chronischen Krankheitsbildern, körperlicher Inaktivität. Diese Vorgehensweise erlaubt die Unterscheidung zwischen Ursache und Wirkung. „Osteoporose“ wird als Symptom betrachtet und die Pathophysiologie strenger berücksichtigt.
Fazit und Ausblick
Die Untersuchung des Zusammenwirkens der Muskel- und Skelettentwicklung im Kindes- und Jugendalter weist auf die ständige Adaption des Skelettsystems an die äußeren Kräfte. Die äußeren Kräfte stellen dabei die muskulären Maximalkräfte im Rahmen der körperlichen Alltagsaktivitäten dar. Die Verwendung von altersabhängigen Referenzwerten für die Knochenmasse ohne Berücksichtigung der Körpermaße führt zu Interpretationsfehlern, wenn Aussagen über die Knochenstabilität mit Hinblick auf das Frakturrisiko gemacht werden sollen.
Erste Schritte der Hersteller verschiedener quantitativer Knochenanalyseverfahren haben zu Änderungen ihrer Software für Kinder und Jugendliche geführt. Es erfolgt jetzt der Bezug des Parameters Knochenmasse auf die Körpergröße und damit indirekt auf die Knochengröße. Dieser Bezug vernachlässigt jedoch weiterhin die Funktionalität des Systems.
Die Beschreibung von Muskelmasse und Muskelfunktion ermöglicht eine exaktere pathophysiologische Abklärung des Symptoms „Osteoporose“. Bei vielen chronischen Erkrankungen wie juvenile rheumatoide Arthritis, Niereninsuffizienz, Zustand nach Nierentransplantation, Mukoviszidose, Wachstumshormonmangel et cetera konnte gezeigt werden, dass eine Störung der Muskelentwicklung und sekundär eine Störung des Skelettsystems vorliegt (20, 21, 22, 23, e18, e19). Diese Ergebnisse haben in der Pädiatrie zu einem grundsätzlichen Umdenken geführt. Aktuelle Studien widmen sich der Intensivierung des Muskelaufbaus beziehungswiese -erhalts bei chronischen Erkrankungen. Herausragend sind diese Gesichtspunkte für die Diskussionen zur Prävention der Osteoporose.
Die dargestellten Zusammenhänge und aktuellen Forschungsergebnisse, die anlässlich des Third International Congress on Bone Health in Childhood in Sorrento vorgestellt wurden, zeigen, dass der optimale Aufbau von Muskelmasse und Muskelfunktion einen wesentlich höheren Stellenwert haben sollte als dies in den zurückliegenden Jahren der Fall war (e20). Besonders wichtig ist die Erkenntnis, dass ein „Spitzenwert für Knochenmasse“ („peak bone mass“) im Jugendalter kein dauerhafter Schutz vor Osteoporose im hohen Alter bedeutet. Muskel und Knochen sind ein funktionelles System, das sich immer wieder den neuen Gegebenheiten anpasst (24, 25). Aufgrund des Verständnisses über die Funktionalität des Systems Muskel-Knochen wird es zunehmend klar, dass die körperliche Aktivität im Kindes- und Jugendalter, die hoffentlich dann auch im Erwachsenenalter fortgesetzt wird, eine wichtige Grundvoraussetzung für eine möglichst optimale und langanhaltende körperliche Mobilität darstellt.

Interessenkonflikt
Prof. Schönau erhielt von der Firma Novotec Medical GmbH finanzielle Fördermittel. Dr. Fricke erklärt, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht.

Teile der Arbeit wurden 2003 mit dem Hufelandpreis 2002 ausgezeichnet.

Manuskriptdaten
eingereicht: 27. 7. 2005, revidierte Fassung angenommen: 19. 6. 2006


Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. Eckhard Schönau
Klinik und Poliklinik für Kinderheilkunde
Klinikum der Universität zu Köln
Kerpener Straße 62, 50924 Köln


Mit „e“ gekennzeichnete Literatur:
www.aerzteblatt.de/Lit5006.de
English version of this article is available online:
www.aerzteblatt.de/english
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