Die funktionelle Reaktion des Knochens auf mechanische Reize

ZZI 03/2000, 139-45

Die funktionelle Reaktion des Knochens auf mechanische Reize

H. Windhagen ; F. Thorey

Zusammenfassung:
Spätestens seitdem Woff das Gesetz der Transformation des Knochens postulierte, ist die Bedeutung des Einflusses von mechanischen Kräften auf die Knochenheilung bekannt. Die Erforschung dieses Phänomens bietet die Möglichkeit, durch geeignete Krafteinleitung eine Knochenstimulation zu erreichen. In irgendeiner Form muss jedoch die mechanische Kraft in eine zelluläre Information umgewandelt werden. Diese Signaltransduktion spielt eine entscheidende Rolle in der Physiologie von vielen Geweben, unter anderem auch Knochen. Im Knochen kann der Prozess der mechanischen Reizweiterleitung in vier verschiedene Schritte eingeteilt werden: 1. mechanische Kopplung, 2. biochemische Kopplung, 3. Signaltransduktion and 4. Effektorzellantwort. Während der mechanischen Kopplung verursachen mechanische Belastungen In-vivo-Deformationen im Knochen. In der biomechanischen Kopplung erfolgt dann die Kräfteweiterleitung über das Zytoskelett oderaktive Transportsysteme. Die enge Interaktion von jedem dieser Wege legt die Vermutung nahe, dass die ganze Zelle ein Mechanosensor ist und viele verschiedene Wege möglich sind ein mechanisches Signal weiterzuleiten. Während der Weiterleitung des Signals agieren Osteoblasten, Osteozyten und Präosteoblasten als Sensoren für das mechanische Signal and kommunizieren möglicherweise über intrazelluläre Prozesse miteinander. In der Effektorzellantwort schließlich zeigen sich die Effekte der mechanischen Belastung dann abhängig von der Größe, der Länge der Belastung und der Rate der applizierten Belastungen in Form der Knochenneubildung.

In diesem Artikel sollen einige Prinzipien der mechanobiologischen Skelettregeneration dargestellt werden, die die komplexe Differenzierung and Anpassung der Bauteile des Skelettsystems besser verständlich machen.



The functional response of bone tissue to mechanical stimuli,

Summary:
Since Wolff s postulation of his law of bone transformation the importance of the effect of mechanical loads on bone healing has been well known. Further research efforts in this field have made itpossible to achieve, bone stimulation by appropriate force application. In many tissues, including bone, mechanotransduction - the conversion of mechanical loads into cellular information - plays an important role. In bone tissue, the process of mechanotransduction can be subdivided into four distinct phases: 1. mechanocoupling, 2. biochemical coupling, 3. signal transduction, and 4. effector cell response. In the mechanocoupling phase mechanical loads result in deformations of the bone. The biochemical coupling phase involves transmission of the mechanical loads via active transport systems and by stretching the cytoskeleton. The close interaction between these pathways suggests that the entire cell acts as a mechanical sensor and that there are many ways to transmit a mechanical signal. In the signal transduction phase osteoblasts, osteocytes, and preosteoblasts act as sensors for mechanical loads and possibly communicate with each other via intracellularprocesses. In the effector responsephase, the effects of mechanical loads are translated into new bonegrowth depending on the magnitude, duration and frequency otf the applied mechanical loads. The paper outlines the principles of mechanobiological regeneration of the skeleton focussing on the complex processes underlying bone remodeling.


(Stand: 01.03.2000)

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