Skelettsystem 2: Aufbau und Funktion des Bewegungsapparats

Einführung

Der Bewegungsapparat besteht aus Knochen, Knorpel, Bändern, Sehnen und Muskeln, die ein Gerüst für den Körper bilden. Sehnen, Bänder und Fasergewebe halten die Strukturen zusammen und sorgen für Stabilität, wobei die Bänder die Knochen mit den Knochen und die Sehnen die Muskeln mit den Knochen verbinden. Das Skelett eines Erwachsenen besteht aus 206 Knochen; das männliche und das weibliche Skelett sind fast identisch, aber das weibliche Skelett hat ein breiteres Becken, um die Geburt zu ermöglichen, und das männliche Skelett ist in der Regel größer und hat eine höhere Knochendichte. Das Skelett ist unterteilt in:

• Axialskelett – bestehend aus dem Schädel, der Wirbelsäule und dem Brustkorb;
• Appendikulärskelett – bestehend aus dem Becken- und Brustgürtel sowie den oberen und unteren Gliedmaßen (Cedar, 2012).

Koordinierte Bewegungen werden durch die Kombination von zielgerichteten und synchronisierten Bewegungen der entsprechenden Muskeln und Knochen ermöglicht, um die Artikulation der Gelenke zu ermöglichen. Die Konfiguration der Gelenkfläche bestimmt die mögliche Bewegung. Zu den Bewegungsebenen gehören Flexion, Extension, Abduktion, Adduktion, Rotation und Zirkumduktion (Tabelle 1).

Gelenke

Die Gelenke sind die Gelenkflächen zwischen zwei Knochen und können danach eingeteilt werden, wie viel Bewegung sie zulassen:

• Synarthrose – ein festes, unbewegliches Gelenk;
• Amphiarthrose – ein Gelenk, in dem etwas Bewegung möglich ist;
• Diarthrose – ein frei bewegliches Gelenk (Moini, 2020).

Sie können auch nach den Komponenten klassifiziert werden, die die Knochen verbinden (wie faserige Strukturen, knorpelige Strukturen und synoviale Strukturen), wie unten gezeigt.

Faserige Gelenke

Faserige Gelenke sind Gelenkflächen, die durch zähe faserige Verbindungen miteinander verbunden sind. Ein Beispiel sind die Nahtlinien im Schädel, wo ursprünglich getrennte Knochen zu einem Knochen verschmolzen sind (Synostose) (Danning, 2019). Da die Nahtlinie nach der Verschmelzung keine Bewegung mehr zulässt, spricht man von einem synarthrotischen Gelenk.

Syndesmosen sind eine weitere Art von fibrösen Gelenken, bei denen Bänder und Zwischenknochenhaut das Gelenk zu einer festen Struktur verbinden. Ein Beispiel ist das Tibiofibularis inferior-Gelenk, bei dem interossäre, tibiofibuläre und transversale Bänder das distale Schienbein und das Wadenbein des Unterschenkels miteinander verbinden. Ein weiteres Gelenk ist das Radioulnargelenk, bei dem eine intraossäre Membran die distalen Radius- und Ulnarknochen des Unterarms miteinander verbindet. Dieses Gelenk kann auch als amphiarthrotisches Gelenk eingestuft werden, da es eine gewisse Bewegung zulässt, um die Pronation und Supination von Hand und Unterarm zu ermöglichen.

Knorpelgelenke

Diese Gelenke sind durch zähen Knorpel zwischen den Knochen verbunden und können als primär (Synchondrosen) oder sekundär (Symphysen) klassifiziert werden.

Synchondrosen
Synchondrosen sind Knorpelgelenke, die aus hyalinem Knorpel bestehen und hauptsächlich im wachsenden Skelett als Verknöcherungszentren des wachsenden Knochens zu finden sind, der im Laufe der Zeit verknöchern wird (Synostose), wie z. B. die epiphysäre Wachstumsplatte.

Knorpelgelenke sind in der Regel unbeweglich, aber bei einer seltenen Erkrankung bei Kindern und Jugendlichen lockert sich die Befestigung der Epiphyse, so dass der Hüftkopf in den Oberschenkelhals rutschen kann. Dies wird als verrutschte obere Oberschenkelepiphyse bezeichnet und äußert sich oft durch ein unerwartetes Hinken des Kindes (Robson und Syndercombe Court, 2019).

Im reifen Skelett ist ein Beispiel für eine Synchondrose das erste Sternocostalgelenk (zwischen der ersten Rippe und dem Manubrium); alle anderen Sternocostalgelenke sind synovial.

Symphysen
Dies sind permanente Knorpelgelenke, in denen die Knochen durch Faserknorpel verbunden sind; interessanterweise liegen diese alle in der Körpermitte (Robson und Syndercombe Court, 2019). Die Bandscheiben zwischen den Wirbelkörpern der Wirbelsäule sind ein Beispiel für durch Faserknorpel verbundene Knochen. Diese faserigen Gelenke lassen einzeln nur eine relativ begrenzte Bewegung zu, können aber gemeinsam über die gesamte Wirbelsäule hinweg weitreichende Bewegungen ausführen.

Ein weiteres Beispiel für eine Symphyse ist die Schambeinfuge im Becken, die zur Stabilität des Beckens beiträgt. In der Schwangerschaft wird die Schambeinfuge durch Hormone aufgeweicht, damit sie sich während der Geburt ausdehnen kann. Zusammen mit den nicht verschmolzenen Schädelknochen des Babys ermöglicht dies die Passage des Kopfes durch den Geburtskanal.

Da die Symphysen eine leichte Bewegung zwischen den Gelenkflächen zulassen, gelten sie als Amphiphysen.

Synovialgelenke

Synovialgelenke sind so konzipiert, dass sie eine freie Bewegung des Gelenks ermöglichen, und werden als Diarthrosen eingestuft. Sie zeichnen sich durch einen Spalt zwischen den Gelenkknochen aus und werden durch eine Gelenkkapsel zusammengehalten. Die Kontraktion der das Gelenk umgebenden Muskulatur hält die Bewegung aufrecht, während die Stabilität durch Weichteilstrukturen wie Bänder, Schamlippen, Fettpolster und Menisken aufrechterhalten wird (Danning, 2019).

Das Gelenk hat eine äußere Faserkapsel, die das gesamte Gelenk umhüllt und mit der Knochenhaut verbunden ist, die Bewegung ermöglicht, die Zugfestigkeit aufrechterhält und hilft, eine Verrenkung zu verhindern. Im Inneren der Kapsel befinden sich sensorische Nervenfasern, die Schmerzen wahrnehmen und die Position des Gelenks bestimmen (Moini, 2020). Die innere Schicht der Kapsel ist stark vaskularisiert und wird von langsamen/kleinen Nervenfasern durchzogen, die bei Stimulation ein diffuses brennendes oder schmerzendes Gefühl verursachen können (Danning, 2019). Diese Schicht enthält auch die Synovialmembran (Synovium), die aus Synoviozyten besteht, von denen es zwei Typen gibt:

• Typ A – vermitteln die Freisetzung von Zytokinen und sind an der Erzeugung einer Immunantwort beteiligt (Robson und Syndercombe Court, 2019);
• Typ B – produzieren die Synovialflüssigkeit.

Synovialflüssigkeit
Die Synovialflüssigkeit hilft, das Gelenk vor mechanischen Verletzungen zu schützen und enthält Hyaluronsäure und Lubricin (Danning, 2019). In einem gesunden Gelenk ist die Synovialflüssigkeit sehr zähflüssig und klar und entweder farblos oder von blasser Strohfarbe. Während einer Entzündung kann Wasser sehr leicht in das Gelenk eindringen, aber sobald es sich mit der Hyaluronsäure vermischt hat, kann es nicht mehr so schnell austreten (Robson und Syndercombe Court, 2019) – so kann es zwar nur wenige Stunden dauern, bis das Gelenk anschwillt, aber es kann einige Tage dauern, bis die Schwellung wieder abklingt.

Die Synovialflüssigkeit kann sich durch eine hämatogene (durch Blut übertragene) Ausbreitung von Bakterien, die Ausdehnung einer benachbarten Infektion oder eine direkte Inokulation nach einem Trauma oder einem invasiven Eingriff infizieren. Dies wird als septische Arthritis bezeichnet und kann die Synovia oder den Knorpel schädigen.

Rheumatoide Arthritis
Hierbei handelt es sich um eine autoimmunbedingte entzündliche Arthropathie, die die Synovia betrifft. Sie tritt häufiger bei Rauchern auf und ist bei Frauen dreimal so häufig wie bei Männern (Ralston und McInnes, 2014).

Der klinische Beginn ist durch die abnorme Produktion von Zytokinen und Entzündungsmediatoren wie Interleukin 1, Interleukin 6, Interleukin 15 und Tumornekrosefaktor gekennzeichnet (Ralston und McInnes, 2014). Dies führt dazu, dass sich die Synovialis entzündet und hypertrophiert, so dass die Synovialzotten verdickt werden und zu einem Pannus zusammenwachsen. Der Pannus dringt in das umliegende Gewebe (wie Knorpel, Bänder und Gelenkkapsel) ein, was zu einer fortschreitenden Zerstörung des Gelenks führen kann (Danning, 2019).

Rheumatoide Arthritis kann auch periartikuläre Strukturen, einschließlich Sehnenscheiden und Schleimbeutel, sowie extraartikuläre Manifestationen betreffen.

Osteoarthritis
Die Gelenkflächen in den Synovialgelenken sind mit einer etwa 2-3 mm dicken Schicht aus hyalinem Knorpel überzogen, die eine glatte Oberfläche bildet und die Reibung während der Bewegung verringert. Dies trägt dazu bei, das Gewicht über das Gelenk zu verteilen, wodurch Reibung und Schäden an der Knochenoberfläche verringert werden (Robson und Syndercombe Court, 2019).

Osteoarthritis ist eine degenerative Erkrankung, die mit einem fokalen Verlust des Gelenkknorpels einhergeht, so dass der Knorpel die Knochenenden immer weniger wirksam schützt (Ralston und McInnes, 2014). Im Laufe der Zeit kann dies dazu führen, dass die Knochenoberflächen bei Bewegungen aneinander reiben, was Schmerzen und ein hörbares Krepitieren verursacht. Da der Knochen versucht, den Verlust des Gelenkknorpels auszugleichen, bildet er neuen Knochen, um das Gelenk zu stabilisieren. Dies führt zu einer Verdickung des Knochens unter dem verbleibenden Knorpel (Sklerose) und zur Bildung von Osteophyten an den Gelenkrändern, die den Bewegungsspielraum des Gelenks einschränken können.

Stützbänder
Synovialgelenke sind so konzipiert, dass sie Bewegungen ermöglichen und gleichzeitig das Gleichgewicht, die Festigkeit und die Stabilität erhalten. Sie unterscheiden sich in ihrer Struktur und der Art der Bewegung, die sie zulassen – Tabelle 2 fasst die verschiedenen Typen zusammen.

Die Stabilität des Gelenks hängt von seiner Form, der Anzahl und Position der stützenden Bänder um das Gelenk herum, ihrer Stärke und der Spannung, die sie ausüben, ab (Tortora und Derrickson, 2009). Die stützenden Bänder werden nach ihrer Position in Bezug auf die Kapsel (extrakapsulär oder intrakapsulär) beschrieben. Eine übermäßige Spannung auf die Bänder, z. B. durch Bewegen des Gelenks über seinen funktionellen Bewegungsbereich hinaus, kann zu einer Dehnung der Bänder führen, was eine Verstauchung oder einen Riss zur Folge haben kann. Bänderschäden können die Stabilität und Funktion des Gelenks beeinträchtigen.

Lange Nichtbenutzung des Gelenks, z. B. durch Ruhigstellung in einem Gipsverband oder durch Bettruhe, führt häufig zu einer verminderten Flexibilität der Bänder und Sehnen sowie zu Muskelschwund (Tortora und Derrickson, 2009). Dies kann zu einer verminderten Beweglichkeit der Gelenke und zu Schwierigkeiten bei funktionellen Aktivitäten führen.

Muskel

Es gibt drei Arten von Muskeln im Körper:

• Glatte Muskeln;
• Herzmuskeln;
• Skelettmuskeln.

Im Gegensatz zu Skelettmuskeln unterliegen glatte und Herzmuskeln nicht der willentlichen Kontrolle (Soames und Palastanga, 2019). Die Skelettmuskulatur wird von den somatischen (motorischen) Nerven innerviert, um willkürliche Bewegungen zu simulieren, während die Herzmuskulatur und die glatte Muskulatur vom autonomen Nervensystem innerviert werden.

Skelettmuskulatur
Die Anatomie der Skelettmuskulatur ist in Abbildung 1 dargestellt. Skelettmuskelfaserzellen sind schmal, können aber lang sein (Danning, 2019), und jede Faser hat ihre eigene bindegewebige Hülle, das sogenannte Endomysium (Soames und Palastanga, 2019). Die Muskelfasern liegen in Bündeln, den so genannten Faszikeln, die durch eine Bindegewebsschicht, das Perimysium, zusammengehalten werden. Diese Faszikel sind zu Muskeln gruppiert, die von einer Hülle aus faserigem Bindegewebe, dem Epimysium, umgeben sind. Das Epimysium verschmilzt mit dem Perimysium zur Muskelsehne, die den Muskel an der Knochenhaut befestigt.

Die Stelle, an der Sehnen und Bänder am Knochen ansetzen, wird als Enthese bezeichnet; diese Stelle ist bei seronegativen Spondyloarthropathien (z. B. Spondylitis ankylosans, Psoriasis-Arthritis und reaktive Arthritis) am häufigsten betroffen. Seronegative Arthropathien sind eine Art von Arthritis, bei der keine Rheumafaktor-Antikörper vorhanden sind.

Schleimbeutel sind mit Flüssigkeit gefüllte Säcke, die sich an Stellen befinden, an denen Scherkräfte auftreten können, z. B. wenn Muskeln und Sehnen über oder um den Rand eines Knochens herum verlaufen – z. B. in der Schulter (subacromialer Schleimbeutel) oder in der Hüfte (trochantärer Schleimbeutel) (Robson und Syndercombe Court, 2019). Schleimbeutel ermöglichen ein reibungsloses Gleiten der Strukturen übereinander und verringern die Reibung während der Bewegung. Gelegentlich können sie sich aufgrund von Infektionen, Arthritis oder wiederholten Bewegungen und „Überbeanspruchung“ des Gelenks entzünden und schmerzhaft werden, was als Bursitis bezeichnet wird. Häufige Beispiele sind die präpatellare Bursitis (Hausmädchenknie) und die Olekranonbursitis (Studentenellenbogen).

Skelettmuskeln haben mehrere wichtige Funktionen, darunter:

• Aufrechterhaltung der Körperhaltung und -position;
• Erzeugung von Bewegung;
• Hilfe bei der Rückführung von venösem Blut aus den unteren Gliedmaßen zur rechten Seite des Herzens (Skelettmuskelpumpe);
• Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie, was Wärme erzeugt und zur Körpertemperatur beiträgt (Moini, 2020; Robson und Syndercombe Court, 2019).

Viele Muskeln werden nach ihren verschiedenen Eigenschaften benannt, wie zum Beispiel: brevis (kurz), longus (lang), maximus (groß) und minimus (klein). Ihre Namen können auch die Richtung des Muskels angeben – zum Beispiel verläuft der transversale Abdominus quer und der Musculus rectus abdominis vertikal („rectus“ bedeutet gerade) – und sie können auch die Funktion angeben; zum Beispiel bezeichnet der Flexor pollicis longus einen Muskel, der sich beugt (Drake et al., 2020).

Skelettmuskeln sind antagonistisch – sie arbeiten gegeneinander, um Bewegungen zu erzeugen. Wenn ein Skelettmuskel ein Signal vom somatischen (motorischen) Nerv erhält, verkürzt er sich und zieht einen Knochen zum anderen. Wenn sich ein Muskel des Paares zusammenzieht, entspannt sich der andere Muskel; der Prozess wird dann umgekehrt, um das Knochengelenk zu begradigen.

Skelettmuskeln benötigen vier Schlüsseleigenschaften:

• Kontraktilität – damit sie sich zusammenziehen können, um Kräfte zu erzeugen, die ausreichen, um den Knochen zu bewegen;
• Dehnbarkeit – damit sie sich dehnen können, ohne beschädigt zu werden;
• Elastizität – damit sie in ihren Ruhezustand zurückkehren können, nachdem sie gedehnt oder zusammengezogen wurden;
• Erregbarkeit – damit ist sie in der Lage, auf einen Reiz (Aktionspotential) zu reagieren.

Die neuromuskuläre Verbindung ist die chemische Synapse, die zwischen der Nervenfaser und der Muskelfaser entsteht. Der Nerv in der Synapse zwischen dem Muskel und der Nervenfaser setzt Acetylcholin frei, das als chemischer Neurotransmitter wirkt, um den elektrischen Impuls vom Nerv zu den Rezeptoren im Muskel zu übertragen. Bei chirurgischen Eingriffen ist die neuromuskuläre Verbindung ein wichtiger Ort für die Wirkung von Medikamenten, da die Blockade der Acetylcholinrezeptoren zu einer neuromuskulären Blockade führt, die eine Muskellähmung hervorruft.

Die Skelettmuskulatur ist am leistungsfähigsten, wenn sie regelmäßig beansprucht wird, und durch gezieltes Training oder Übungen kann ihre Ausdauer und Kraft verbessert werden. Ebenso kann ein Verlust an Muskelmasse (Atrophie), d. h. eine Abnahme der Muskelgröße und -kraft, aufgrund von Inaktivität oder Faktoren wie schlechter Ernährung oder chronischen Krankheiten auftreten. Obwohl das Altern und die damit einhergehende geringere Mobilität die Qualität des Bindegewebes beeinträchtigen und dazu führen können, dass die Bänder einen Teil ihrer Flexibilität verlieren (Robson und Syndercombe Court 2019), ist es wichtig, die Gesundheit des Bewegungsapparats zu optimieren, indem man sich gesund ernährt und sich weiterhin im Rahmen seiner Möglichkeiten körperlich betätigt (Rowe et al, 2019).

Schlussfolgerung

Muskeln und Gelenke sind ein wichtiger Teil des Bewegungsapparats. Die Struktur der Gelenkflächen und die Art des Bindegewebes spielen eine wichtige Rolle für den Umfang und die Ebene der Bewegung, die am Gelenk möglich ist. Die Skelettmuskeln sind für die Bewegung und die Körperhaltung verantwortlich und funktionieren am besten, wenn sie regelmäßig benutzt werden, um eine Atrophie zu verhindern. Die Pathologie der Gelenke kann erhebliche Auswirkungen auf die Funktion und den Bewegungsumfang haben. Wenn man versteht, wie sich die Pathologie auf das Muskel-Skelett-System auswirkt, kann der Arzt auf Anzeichen und Symptome eingehen und die Gesundheit des Muskel-Skelett-Systems proaktiv fördern.

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