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Knorpelgewebe

Beim Knorpelgewebe handelt es sich um spezielles Bindegewebe, welches gemeinsam mit den Knochen eine Stützfunktion im Körper erfüllt. Aufgrund seiner strukturellen und morphologischen Eigenschaften gibt Knorpel Druck und Zug nach, ohne sich dabei zu verformen. Er ist somit fest, druckelastisch verformbar und schneidbar.

Aufbau

Knorpelgewebe besteht aus Knorpelzellen und Interzellularsubstanz, die sowohl geformte als auch ungeformte Matrix besitzt. Ihre jeweils unterschiedliche Zusammensetzung ist namensgebend und funktionell bedeutsam. Es werden drei Arten von Knorpel unterschieden:

  • hyaliner Knorpel
  • elastischer Knorpel
  • Faserknorpel

hyaliner Knorpel der Luftröhre - Histologie

Hyaliner und elastischer Knorpel werden von Perichondrium (Knorpelhaut) umgeben, der Faserknorpel hingegen nicht. Das Perichondrium besteht aus einer inneren zellulären Schicht (Stratum cellulare), die Vorläuferzellen enthält und einer äußeren bindegewebigen Schicht (Stratum fibrosum), die Blut-, Lymphgefäße und Nerven enthält.

elastischer Knorpel - Histologie

Die Ernährung des Knorpels geschieht über die zuführenden Blutgefäße, allerdings reichen diese nur bis in das Stratum fibrosum heran. Ab dort gelangen Nährstoffe, Ionen und Moleküle ausschließlich über Diffusion zu den Knorpelzellen. Dagegen wird perichondrienfreier Gelenkknorpel über die Gelenkflüssigkeit sowie ein subchondrales Gefäßnetz versorgt.

Faserknorpel - Histologie

Knorpelwachstum und -regeneration

Es werden zwei Arten von Wachstum im Knorpelgewebe unterschieden, das appositionelle und das interstitielle Wachstum.

  • Beim appositionelle Wachstum teilen sich im Statum cellulare vorhandene Zellen und differenzieren sich zu Chondroblasten.
  • Beim interstitiellen Wachstum handelt es sich dagegen um ein "Dehnungswachstum". Chondroblasten bilden Interzellularsubstanz, wodurch sich der interzellulare Abstand vergrößert.

Chondroblasten - Histologie

Da die Blutgefäße nur bis zum Stratum fibrosum reichen, regeneriert sich Knorpelgewebe nur sehr langsam und gelegentlich auch unvollständig oder fehlerhaft. Die Einsprossung von Blutgefäßen (Angiogenese) ist allerdings weder hilfreich noch sinnvoll.

Im Rahmen einzelner Erkrankungen oder iatrogen kann eine solche Angiogenese bis in das Stratum cellulare stattfinden und somit die mechanischen Eigenschaften des Knorpels verändern. Es kommt dann bei jeder Druckbelastung zur Gefäßkompression, zur Freisetzung von Zelltrümmern und zur deutlichen Veränderung des intrachondralen Milieus. Das defekte Gewebe wird dann durch bindegewebiges Narbengewebe ersetzt und die Funktion des Knorpels ist deutlich gestört.

Hyaliner und elastischer Knorpel können sich grundsätzlich nicht regenerieren. 

Hyaliner Knorpel

Der hyaline Knorpel ist der verbreitetste Knorpeltyp beim Erwachsenen. Er ist glasig und, wenn in dünne Scheiben geschnitten, durchscheinend. Im histologischen Präparat zeigt er typische kleine Gruppen basophiler Zellen (Knorpelzellen), die in eine homogene Interzellularsubstanz eingebunden sind.

Knorpelzellen

Es gibt zwei Arten von Knorpelzellen:

  • Chondroblasten - teilungsfähige Knorpelzellen, die bläschenförmige Zellkerne mit lichtmikroskopisch sichtbaren Nukleoli besitzen
  • Chondrozyten - postmitotische Zellen, die aus einer Knorpelzelle entstehen und kleiner als Chondroblasten sind. Ihre Kerne sind chromatindicht und dunkel.

isogene Gruppe von Chondrozyten - Histologie

Zwei bis zehn Chondrozyten bilden einen Zellkomplex, der üblicherweise aus einem einzigen Chondroblasten entstanden ist und daher als isogene Gruppe bezeichnet wird. Eine solche Gruppe liegt in einer Knorpelhöhle, die frei von Matrix ist und von einer Knorpelkapsel umgeben wird. Daran schließt sich der Knorpelhof an, der stark basophil ist.

Dieser Komplex aus Chondrozyten mit Knorpelkapsel, -hof und -höhle bildet das Chondron (Territorium), welches durch die  Interzellularsubstanz (Interterritorien) von anderen Chondronen getrennt ist.

Interzellularsubstanz

Die Interzellularsubstanz, bei der es sich um geformte extrazelluläre Matrix handelt, besteht aus kollagenen Fibrillen v.a. vom Typ II. Diese Fibrillen lagern sich allerdings nicht zu Fasern zusammen. Die ungeformte extrazelluläre Matrix besteht aus hochmolekularen Glycosaminoglykanen, die Proteoglykan-Monomere (z.B. Aggregan) formen.

Mehrere Aggregan-Moleküle sind über Hyaluronektin an Hyaluronan gebunden. Diese Konstruktion führt zur Entstehung großer Proteoglykan-Hyaluronan-Aggregate, die wegen ihrer negativen Ladung eine hohe Wasserbindungsfähigkeit haben. Der hohe Wassergehalt sorgt für die gute Dehnbarkeit, die Zug- und Biegefestigkeit und das Rückstellvermögen nach Verformung.

Videoempfehlung: Hyaliner Knorpel (en)
Diese Form des Knorpels hat eine gläserne Erscheinung.

Hyalines Knorpelgewebe besteht zu etwa 80% aus extrazellulärem Material (Matrix) und zu rund 20% aus Knorpelzellen. Die Matrix wiederum besteht zu rund 80% aus Wasser und rund 20% organischen Matrixmolekülen, von denen rund 2/3 Kollagen, 1/3 Proteoglykane und der Rest verschiedene Glykoproteine sind.

Vorkommen und Entwicklung

Im Körper des adulten Menschen kommt hyaliner Knorpel mit oder ohne Perichondrium vor. Perichondrialer hyaliner Knorpel findet sich im Knorpelskelett von Nase, Kehlkopf, Trachea und Bronchien sowie im Rippenknorpel. Gelenkknorpel besitzt kein Perichondrium, was seine Gleitfähigkeit garantiert. Er kommt in allen Gelenken mit Ausnahme des Kiefer- sowie des Sternoklavikulargelenkes vor.

In der embryonalen Entwicklung kommt hyaliner Knochen bereits ab der 5. Entwicklungswoche innerhalb von Mesenchymverdichtungen vor. Die dortigen Chondroblasten runden sich ab, bilden Chondrozyten und beginnen mit der Sekretion von Knorpelmatrix. Für diesen Zweck besitzen sie ein kräftig entwickeltes rauhes endoplasmatisches Retikulum, einen ebenso prominenten Golgi-Apparat sowie zahlreiche Sekretvesikel. Zudem sind sie reich an Mitochondrien, Lysosomen und Glykogenpartikeln.

hyaliner Knorpel II - Histologie

Im heranreifenden Kind bzw. Jugendlichen kommt hyaliner Knorpel in Knorpelfugen vor, v.a. in den Epiphysenfugen der langen Röhrenknochen. Diese "Knorpelfüllungen" werden im Laufe des Knochenwachstums mit Knochengewebe aufgefüllt, sodass der Knorpel am Ende des Längenwachstums vollständig durch Knochengewebe ersetzt ist.

Fasermaskierung

Proteoglykane und kollagene Fibrillen sind miteinander vernetzt und besitzen den gleichen Brechungsindex. Dadurch werden die Fibrillen maskiert und in der histologischen Übersichtsfärbung (z.B. Hämatoxylin-Eosin) normalerweise nicht sichtbar. Verändern sich die Eigenschaften des Knorpelgewebes, kann es zur Demaskierung der Fibrillen ("Asbestfaserung") kommen.

Verkalkung

Hyaliner Knorpel besitzt die Eigenschaft verkalken zu können. Mit der Adoleszenz beginnt die Verkalkung des Rippenknorpels sowie von Schild- und Ringknorpel des Kehlkopfes, was zur natürlichen Veränderung der Stimme beiträgt. In beiden Geweben kann der Vorgang die gesamte Matrix betreffen.

Ringknorpel - links lateral

Verkalkter Knorpel wiederum kann ganz oder vollständig durch Knochengewebe ersetzt werden (Verknöcherung), was bei Männern insgesamt ausgeprägter ist als bei Frauen. Ein Grund dafür ist, dass Chondrozyten Androgen- aber keine Östrogenrezeptoren auf ihrer Zelloberfläche exprimieren. Die Grenzlinie des Gelenkknorpels (s.u.) trennt die Zone regelmäßiger Verkalkung von der nicht verkalkten Zone.

Gelenkknorpel

Kollagene Fibrillen des Gelenkknorpels zeigen eine arkadenförmige Anordnung. Sie verlaufen zur Oberfläche parallel und biegen nach innen ab. Überkreuzend durchziehen sie einander und gliedern sich dann in die Kalkzone (dem Knochen nahe verlaufender, nahezu verkalkter Knorpelbereich) ein.

Echte Gelenke besitzen Knorpel, der dem Knochen aufliegt. Direkt auf dem Knochen befindet sich mineralisierte Knorpelmatrix mit Knorpelzellen. Darauf folgt die Radiärzone, die Übergangszone und die Tangentialfaserzone. Zwischen Mineralisierungs- und Radiärzone liegt die Grenzlinie (tidemark).

Die Ernährung des Knorpels erfolgt in einem echten Gelenk durch die im Gelenkspalt befindliche Synovialflüssigkeit. Jedoch ist der Diffusionskoeffizient kleiner Moleküle im Knorpel nur etwa halb so groß wie in Wasser, für Proteine ist er z.T. 10- bis 100-fach niedriger. Regelmäßige Druckbeanspruchung führt durch "Auspressen" zum Wiedereinstrom von Wasser, was den Stofftransport beschleunigt.

Videoempfehlung: Hauptgelenke (en)
Überblick über die wichtigsten Gelenke des Körpers.

Da der degenerative Abbau des Knorpels durch Nährstoffmangel begünstigt wird, hat mäßige und regelmäßige körperliche Aktivität einen protektiven Effekt in Bezug auf die degenerative Arthrose.

Die Sauerstoffversorgung im Gelenkknorpel ist eher schlecht, daher betreiben Chondrozyten überwiegend anaerobe Glykolyse. Dadurch ist der Gehalt an Laktat in der Knorpelmatrix relativ hoch.

Elastischer Knorpel

Elastischer Knorpel ist sehr zellreich, besitzt dichte Netze elastischer Fasern und kommt in Ohrmuschel, äußerem Gehörgang, Tuba auditiva, kleinen Kehlknopfknorpelanteilen der Epiglottis und in kleinsten Bronchien vor.

Die hohe Dichte elastischer Fasern bedingt die starke Druck- und Biegeelastizität sowie die gelbliche Färbung. Die Fasern lassen sich mit einer Elastika Färbung, z.B. Resorcin-Fuchsin, lichtmikroskopisch darstellen.

Die mechanische Verformbarkeit führt zu einer hohen Belastbarkeit bei Vibrationen, was erklärt, warum elastischer Knorpel im Gehörsystem sowie im Kehlkopf und der Epiglottis zu finden ist. Schallwellen können erhebliche Vibrationen verursachen, bei denen jedes andere Gewebe seine interzelluläre Integrität verlieren würde.

elastischer Knorpel II -Histologie

Faserknorpel

Faserknorpel, der auch als Bindegewebsknorpel bezeichnet wird, besitzt Ähnlichkeiten mit straffem kollagenen Bindegewebe. Er ist sehr zellarm und die Chondrone besitzen einen schmalen azidophilen Knorpelhof. Die Interzellularsubstanz besteht aus unmaskierten kollagenen Faserbündeln, die von Fibrozyten gebildet werden. Es finden sich reichlich Kollagenfasern vom Typ I, was die weiße Färbung des Gewebes bedingt.

Faserknorpel findet sich an Gelenkflächen des Kiefergelenkes, im Anulus fibrosus der Disci intervertebrales, der Symphyse, den Gelenklippen, den Menisken des Kniegelenkes und an chondralen Sehnenansätzen sowie Druckzonen von Gleitsehnen. Er ist vor allem auf Druck-, Zug- und Scherbeanspruchung ausgelegt.

Klinik

Eine häufige Erkrankung ist die Abnutzung des Knorpels, Arthrose. Dabei handelt es sich um eine chronisch-destruierende Erkrankung des hyalinen Gelenkknorpels, die auch auf das Synovialgewebe, das periartikuläre Gewebe und sogar auf die Knochen übergehen kann.

Arthrose wird in primäre Formen, die entweder belastungs- oder altersbedingt sind und sekundäre Formen eingeteilt. Sekundäre Arthrosen können traumatisch, immunologisch, metabolisch oder endokrin bedingt sein.
Die Diagnose einer Arthrose wird zunächst aufgrund der Symptome gestellt und anschließend radiographisch bestätigt. Sie zeichnet sich durch ein typisches Quartett aus, das in der nativen Röntgenaufnahme zu erkennen ist:

  • Verschmälerung des Gelenkspaltes als Ausdruck des fehlenden Knorpels, der normalerweise in der Röntgenaufnahme nicht sichtbar ist (der normalerweise zu sehende "Gelenkspalt" ist also eher ein Artefakt)
  • subchondrale Randsklerosierung
  • Bildung von Resorptionshöhlen (Geröllzysten)
  • knöcherne Randanbauten (Osteophyten)

Das Vorhandensein oder Fehlen dieser Merkmale ist einerseits abhängig vom Stadium der Arthrose, andererseits ist der Verlauf der Degeneration interindividuell verschieden. Grundsätzlich gilt, dass die Diagnose immer durch eine Verbindung aus Anamnese, körperlicher Untersuchung und Röntgenbild zu stellen ist.

Bei fehlenden Beschwerden können trotzdem katastrophale Gelenkzustände herrschen, es handelt sich dann um eine stumme Arthrose. Andererseits können auch winzige Veränderungen, die im Röntgenbild als gering ausgeprägte Arthrosezeichen erscheinen, schwere Schmerzen verursachen. Sofern Schmerzen, Bewegungseinschränkungen und typische Symptome bestehen, liegt eine symptomatische Arthrose vor, unabhängig vom Schweregrad der Ausprägung arthrotischer Zeichen im Röntgenbild. Die degenerative Arthrose ist eine der häufigsten im Alter vorkommenden Erkrankungen.

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Quellen anzeigen

Quellen:

  • A. Benninghoff, D. Drenckhahn: Anatomie Band 1, 16. Auflage, Urban & Fischer (2003), S. 128 ff.
  • R. Lüllmann-Rauch: Taschenlehrbuch Histologie, 3. Auflage, Thieme (2009), S. 137 ff.
  • W. Siegenthaler, H. E. Blum: Klinische Pathophysiologie, 9. Auflage, Thieme (2006), S. 1010
  • G. Aumüller, G. Aust, A. Doll et al.: Duale Reihe Anatomie, 2. Auflage, Thieme (2010), S. 42 ff.
  • M. Schünke, E. Schulte, U. Schumacher et al.: Allgemeine Anatomie und Bewegungssystem – Prometheus, 2. Auflage, Thieme (2007), S. 44

Text, Review, Layout:

  • Andreas Rheinländer
  • Marie Hohensee, Claudia Bednarek

Illustration:

  • hyaliner Knorpel der Luftröhre - Histologie
  • elastischer Knorpel - Histologie
  • Faserknorpel - Histologie
  • Chondroblasten - Histologie
  • isogene Gruppe von Chondrozyten - Histologie
  • Ringknorpel - links lateral - Yousun Koh
  • elastischer Knorpel II - Histologie
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