Gibt es einen spezifischen Wachstumsreiz für den Knochen?

Astronauten verlieren in der Schwerelosigkeit des Weltraumes in kurzer Zeit extrem viel Knochen:

• 25 % Verlust in etwa 3 Monaten,
• 50 % Verlust in etwa 6 Monaten.

Warum? Weil keine mechanischen Belastungsreize auf den Knochen einwirken. Dasselbe passiert bei konsequenter Bettruhe. Dieser Knochenverlust durch fehlende mechanische Beanspruchung lässt sich auch nicht durch Medikamente aufhalten. Knochenverlust durch Bettruhe - dieses Modell simuliert die Schwerelosigkeit im Weltraum. Es dient der Univer-sität Berlin - Zentrum für Muskel- und Knochenerforschung - in Zusammenarbeit mit der ESA (Europäische Weltraum Agentur) für Forschungszwecke.

Gewichtheber haben eine um 20 - 30 % höhere Knochenmasse als Marathonläufer. Welche mechanische Belastung fördert das Wachstum in der Jugend und erhält den Knochen im Alter? Diese Frage wurde vom bereits erwähnten amerikanischen Orthopäden Frost untersucht und 1987 veröffentlicht.

Der Mechanische Wachstumsreiz für Knochen ergibt sich aus folgenden Belastungsmöglichkeiten:

• Druck auf den Knochen
• Zug am Knochen
• Verbiegung des Knochens
• Verdrehung des Knochens (Torsion).

Knochen verkürzt sich durch Druck, er verlängert sich durch Zug. Bei Verbiegung des Knochens wirkt Zug auf der konvexen Seite und Druck auf der konkaven Seite.

Bei Verdrehung des Knochens (Torsion) wirkt Zug. Letztendlich bewirkt jede mögliche Belastung eine Verformung des Knochens im Sinne von Druck oder Zug. Die Maßeinheit für die Knochenverformung ist Microstrain (MS): 1000 MS entsprechen 0,1 % Verkürzung (bei Druck) oder Verlängerung (bei Zug) des Knochens.

Knochenabbau

Unterhalb einer Knochenverformung von 50 MS wird Knochen abgebaut. Der Sensor (Mechanostat genannt) registriert, dass die vorhandene Knochenmasse nicht benötigt wird. Überschreitet der Abbau eine kritische Schwelle, tritt ein osteoporotischer Knochenbruch ein.

Knochen-Erhaltung

Bei einer Verformung zwischen 50-1000 MS wird der Knochen erhalten. Dies entspricht einer Verformung seiner Länge von 0,005-0,1%. Wahrscheinlich reicht dazu eine solche Verformung pro Woche aus. Jeder Knochen des Körpers sollte mindestens einmal pro Woche dieser Verformung (Belastung) ausgesetzt sein.

Knochen-Aufbau

Bei einer Verformung zwischen 1000 bis etwa 3000 MS wird Knochen aufgebaut. Dies entspricht einer Verformung seiner Länge von 0,1-0,3%. Krafttraining mit maximal möglichen Muskelanspannungen (Nautilus-Trainings-Prinzip) bewirkt Verformung des Knochens in diesem Bereich.

Überlastung des Knochens

Bei einer Verformung über 4000 MS ( 0,4 % Längenveränderung) baut der Knochen zunächst FaserKnochen auf. Dieser ist mechanisch minderwertiger als der stabile Lamellenknochen. Dieser FaserKnochen wird nach einer gewissen Erholungszeit in den stabilen Lamellenknochen umgewandelt. Fehlt diese Erholungszeit durch ständige Überbelastung des Knochens, kommt es zu einem Ermüdungsbruch.

Beispiel: Ein 50-jähriger Mann war sportlich noch nie aktiv. Die Stabilität seines Schienbeines hat sich an die Bürotätigkeit angepasst. Plötzlich beginnt er zu joggen, täglich etwa 6 Kilometer. Ein Ruhetag pro Woche wird eingelegt. Für sein relativ schwaches Schienbein bewirkt das Joggen eine Verformung von etwa 0,4%. Beim Knochenumbau wird der mechanisch minderwertige Faserknorpel aufgebaut. Zeit zur Umwandlung in den festeren Lamellenknochen ist nicht vorhanden, weil der Mann täglich joggt. Nach etwa 3 Monaten tritt ein Ermüdungsbruch des Schienbeines auf, spürbar durch zunehmende Schmerzen bei Belastung, tastbar an einer druckschmerzaften Verdickung des Schienbeines. Das Röntgenbild zeigt den Frakturspalt. Eine Entlastung des Beines über etwa 4-6 Wochen führt zur Ausheilung. Überlastung in diesem Sinne bedeutet eine ungewohnte Belastung. Hierher gehört auch die Marschfraktur von Mittelfußknochen bei Rekruten, die zuvor lange Märsche nicht gewohnt waren.

Bruchlast des Knochens

Bei einer Verformung von 25000 MS und mehr bricht der Knochen. Dies entspricht einer Verformung von 2,5 % seiner Länge. Auch bei einem explosivartigen, maximalen Krafteinsatz der Muskulatur wird die Bruchgrenze eines Knochens nicht einmal näherungsweise erreicht. Vorausgesetzt, der Knochen ist gesund.

Zum Vergleich: Bruchlast von Holz, Knochen und Stahl. Vorausgesetzt wird, dass alle Materialien den gleichen Durchmesser haben (also z. B. gleich dicke Stäbe, die gebogen werden). Die Bruchlast von Knochen liegt etwa 3-mal so hoch wie von trockenem Holz. Knochen ist also etwa 3-mal stabiler als Holz.

Die Bruchlast von Stahl ist etwa 2-mal so hoch wie von Knochen. Knochen ist also nur halb so stabil wie Stahl.