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Fragestellung: Der extravaskuläre Transport von Nähr-, Abfall- und Botenstoffen im Knochengewebe findet hauptsächlich in den extrazellulären Flüssigkeitsräumen zwischen den Osteozyten und ihren Zellfortsätzen, und der Knochenmatrix statt, sowie in geringerem Masse in den Mikroporen zwischen den Kollagenfasern und Apatitkristallen der Knochenmatrix. Die Osteozyten ihrerseits werden aufgrund ihrer grossen Anzahl im Knochen und ihrer optimalen Verteilung mit mechano-, chemo- und elektrosensorischen Funktionen in Verbindung gebracht. Zudem bilden die Osteozyten, welche durch ihre Zellfortsätzen mit den benachbarten Osteozyten und Osteoblasten verbunden sind, zusammen mit den die Zellen umgebenden Flüssigkeitsräumen ein funktionelles Netzwerk. Die Struktur dieses Netzwerks ändert sich mit zunehmendem Alter und als Folge von Knochenkrankheiten, wie z.B. Osteoporose. Es ist anzunehmen, dass die Veränderungen dieses funktionellen Netzwerks den Transport von Metaboliten und Signalmolekülen beinflussen und so zur Beschleunigung des Krankheitsverlaufs beitragen können. Um dies zu untersuchen, wurde in dieser Studie der Transport von Molekülen verschiedener Grösse durch Knochen in unterschiedlichen Krankheitsgraden rechnerisch simuliert.

Methodik: Wir generierten stochastische Netzwerkmodelle, welche die zur Verfügung stehenden Transportwege im Knochen darstellten: die zellumgebenden Flüssigkeitsräume zwischen der Oberfläche der Osteozyten und ihren Zellfortsätzen, sowie die Mikroporen der Knochenmatrix. In einer parametrischen Analyse wurde die Anzahl der Osteozyten (Ot) zwischen 270 und 220 Ot/mm², sowie die Anzahl der verbindenden Zellfortsätze zwischen benachbarten Osteozyten zwischen 5 und 2 variiert, basierend auf publizierten histomorphometrischen Messungen. Anschliessend wurde der diffusive (aufgrund eines Konzentrationgradienten) und konvektive (aufgrund eines Druckgradienten) Transport von Molekülen verschiedener Grösse durch die simulierten Netzwerke berechnet.

Ergebnisse: Die rechnerischen Simulationen ergaben eine massive Abnahme der Transportkapazität (Diffusivität und Permeabilität) bei abnehmender Anzahl von Osteozyten (maximale Reduktion um ca. 20%), wie auch bei abnehmender Konnektivität zwischen benachbarten Osteozyten (max. Red. ca. 60%). Diese Beobachtung galten für sämtliche untersuchten Molekülgrössen.

Schlussfolgerungen: Die Berechnungen zeigen, dass sich die Osteozyten im osteoporotischen Knochen in einem Teufelskreis befinden, der nur schwer zu durchbrechen ist: Einerseits hat die reduzierte Konnektivität zur Folge, dass die Versorgung der verbleibenden Osteozyten mit Nährstoffen erschwert wird, und andererseits wird der Knochenabbau durch Osteoklasten zusätzlich erleichtert, da die Konzentration von Osteoklasten-hemmenden Signalstoffen, welche durch die Osteozyten abgegeben werden, im Knochengewebe sinkt. Diese Erkenntnisse bekräftigen die Wichtigkeit einer vorzeitigen Diagnose und Bekämpfung der Krankheit.