Gelenke

Aufbau

Gelenkknorpel

Der Gelenkknorpel bildet eine glatte Oberfläche, wodurch es zu einem reibungsarmen Gleiten zwischen den beteiligten Knochen kommt. Der Druck wird auf das subchondrale Knochengewebe verteilt, indem Flüssigkeit abgegeben und diese bei Entlastung wieder vom Gewebe aufgenommen wird. Durch diesen Vorgang können die Gelenkflächen reversibel verformt werden.

Es findet jedoch keine nennenswerte Federung statt, da die Verformbarkeit nur sehr gering (ca. 10%) und die Dicke der Knorpelschicht für das Abfangen von Stößen nicht ausreichend ist. Bei zu kräftigen, innerhalb kurzer Zeit auftretenden Stößen kann es daher zu Knorpelverletzungen kommen.

Der Faserknorpel von Menisken, Disci und Symphysen dagegen besitzt eine höhere Toleranz gegenüber druckvermittelten Kompressionen. Die Kompression der Zwischenwirbelscheiben zum Beispiel führt zu einer Abnahme der Körpergröße um 1 bis 2 cm während des Tages. Im Liegen kann das Wasser wieder aufgenommen werden und der Knorpel gewinnt seine ursprüngliche Form zurück.

Neben der Verringerung der Reibung dient Gelenkknorpel auch dem Ausgleich lokaler Unebenheiten und sorgt so für eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen den Gelenken.

Die Dicke der Knorpelschicht kann – je nach Belastung der Gelenkfläche – bis zu 8 mm betragen (z.B. Kniescheibe). In großen Gelenken beträgt sie üblicherweise zwischen 1 und 4 mm, in kleinen Gelenken häufig weniger als 1 mm.

Die Ernährung des Gelenkknorpels erfolgt nur durch Diffusion, dazu tragen die Synovia und die Blutgefäße des subchondralen Knochengewebes bei.

Histologisch besteht Gelenkknorpel meist aus hyalinem Knorpel, der in vier Zonen eingeteilt wird:

• Mineralisierungszone
• Radiärfaserzone
• Übergangszone
• Tangentialfaserzone

Gelenkknorpel enthält zeitlebens teilungsfähige, syntheseaktive Zellen ( Chondroblasten), die im begrenzten Maße in der Lage sind, kleine Gewebedefekte zu heilen. Dies geschieht durch Proliferation und Synthese von Interzellularsubstanzen.

Das Ausmaß der Regenerationsfähigkeit ist jedoch begrenzt und Knorpeldefekte von mehreren Quadratmillimetern heilen bereits nicht mehr vollständig aus. Reicht ein Defekt bis zum subchondralen Knochen, wächst Narbengewebe in den Defekt ein und füllt ihn aus. Dieses Narbengewebe wandelt sich nicht mehr in hyalinen Knorpel um und ist funktionell nahezu wertlos.

Membrana fibrosa

Die äußere Schicht der Gelenkkapsel wird durch die Membrana fibrosa gebildet. Sie besteht aus straffem kollagenen Bindegewebe und ist mit dem Knochen über Kollagenfasern (Sharpey-Fasern) verwachsen. Ihre Dicke und Gestalt variiert in Abhängigkeit des zugehörigen Gelenkes erheblich. Sie kann hauchzart sein oder durch sich anlegende, benachbarte Bandstrukturen und Muskelsehnen verstärkt sein.

Membrana synovialis

Das straffe kollagene Bindegewebe der Membrana fibrosa geht an der Innenseite kontinuierlich in das lockeres kollagenes Bindegewebe der Membrana synovialis über. Stellenweise ragen Falten (Plicae synoviales) oder Ausstülpungen (Villi synoviales) der Membrana synovialis in die Gelenkhöhle hinein.

In den Gelenkspalt des Kniegelenkes beispielsweise ragen sichelförmige Plicae hinein und stellen hier den Übergang zu den Menisken dar. Plicae und Villi vergrößern die Fläche der Synovialmembran und beschleunigen damit Resorption und Sekretion.

Am Rand des Gelenkknorpels geht die Membrana synovialis meist kontinuierlich und ohne scharfen Übergang in die Tangentialfaserschicht des Gelenkknorpels über. Sie kann jedoch auch zunächst eine kleine Strecke auf der Oberfläche des Knochens verlaufen, in der Regel fehlt in diesem Bereich dann das Periost.

Histologisch besteht die Membrana synovialis aus Intima und Subintima. Die Intima ist eine zellreiche Lage von Synovialdeckzellen (Synovialozyten) und die Subintima besteht aus lockerem bis straffem kollagenen Bindegewebe.

In der Intima finden sich zwei Zelltypen: A- und B-Zellen, dabei sind A-Zellen etwa doppelt so häufig. Sie liegen hauptsächlich an der Oberfläche und bilden die Grenzschicht zur Gelenkhöhle. Es handelt es sich um Zellen des monozytären Phagozytensystems, die dem Knochenmark entstammen. Sie phagozytieren Bakterien und Zelltrümmer, sind mit MHC Klasse II-Rezeptoren ausgestattet und zur Präsentation von Antigenen befähigt.

B-Zellen sind spezialisierte Fibroblasten, die mit Fortsätzen oder auch ihrem Zellleib zwischen den A-Zellen an die luminale Oberfläche der Synovialmembran gelangen können und den größten Teil der Hyaluronsäure der Synovia synthetisieren (s.u.).

Die Subintima ist reich an Blut- und Lymphgefäßen. Die Blutgefäße dieser Schicht besitzen fenestriertes Endothel, was den Stoffaustausch erheblich erleichtert. Sie stellt die mechanische Verbindung zur Membrana fibrosa her.

Synovia

Die Synovia ist eine klare, leicht gelbliche Flüssigkeit, die beim Zerreiben zwischen den Fingern "Fäden zieht". Sie füllt den Gelenkspalt aus und ihr Volumen beträgt zwischen 1 und 3 ml.

Es handelt sich um ein Ultrafiltrat des Blutes, dessen Filtration durch das fenestrierte Epithel der Subintima der Membrana synovialis gewährleistet wird. Ihr Elektrolytgehalt entspricht weitgehend dem des Blutserums. Der Glucosegehalt ist jedoch etwas niedriger und der Proteingehalt beträgt etwa 1/4 des Serumproteingehaltes.

Neben Proteinen sind auch verschiedene Glykoproteine und Proteoglykane enthalten, die hauptsächlich von den B-Zellen der Intima der Membrana synovialis produziert werden. Die visköse und fadenziehende Konsistenz beruht auf ihrem hohen Gehalt an Hyaluronsäure (Hyaluronat), außerdem finden sich bis zu 100 Zellen pro μl Blut. Dabei handelt es sich hauptsächlich um abgeschilferte Deckzellen und Leukozyten.

Die wichtigste Funktion der Synovia ist die Schmierung der Gelenkflächen zum Zwecke der Verringerung der Reibung. Dies wird hauptsächlich durch die enthaltene Hyaluronsäure vermittelt. Zudem dient sie als Stoßdämpfer und sorgt für die Nährstoffversorgung des Gelenkknorpels vor allem mit Glucose und Aminosäuren.

Da der Gelenkknorpel nur durch Diffusion versorgt wird, ist seine nahezu einzige Quelle für Nährstoffe die Synovia. Dadurch erklärt sich auch, warum sie ein Ultrafiltrat und kein Sekret darstellt, denn Ultrafiltration ist ein passiverer Prozess als Sekretion (wenngleich bei der Ultrafiltration auch Transporter eine Rolle spielen) und benötigt damit keine zusätzliche Energie. 

Training und Überlastung

Die Weite der Gelenkkapsel und das maximale Bewegungsausmaß eines Gelenkes sind aufeinander abgestimmt. Wird ein Gelenk jedoch über lange Zeit nicht beansprucht, beispielsweise bei längerer Bettlägerigkeit oder aufgrund von habituellem Bewegungsmangel, kommt es zu Umbauvorgängen. Diese können mit einer funktionellen und später auch anatomischen Schrumpfung der Kapsel einhergehen, wodurch sich der Bewegungsumfang des Gelenkes verringert.

Kapsel und Kapselbänder können aber auch durch systematisches moderates Training gedehnt werden, sodass sich der Bewegungsumfang des Gelenkes vergrößert. Hierbei ist von erheblicher Bedeutung, dass die Dehnungsbelastung nur in geringem Ausmaß im Zuge eines moderaten Trainings erfolgt. Das "Antrainieren" eines größeren Bewegungsumfanges ist ein sehr langsamer Prozess der über Monate oder gar Jahre geschehen muss.

Durch unphysiologische Beanspruchung können Kapsel und Bandapparat allerdings auch gedehnt und dadurch dauerhaft verlängert werden. Anders als beim systematischen Training liegt dann jedoch eine Dysbalance zwischen Belastung, Erholung und Funktionalität vor, sodass eher von einem "Ausleiern" des Kapsel- und Bandapparates gesprochen werden muss.

Innervation der Gelenke

Die Gelenke sind sensibel innerviert. Innerhalb der Subintima (äußere Schicht) der Membrana synovialis befinden sich mechanorezeptive Endorgane: Vater Pacini- und Ruffini-Körperchen. Diese dienen der Registrierung von Spannungszustand und Bewegungen im Gelenkbereich.

Des Weiteren finden sich freie Nervenendigungen, die vornehmlich paravasal sowie nahe der Lymphgefäße liegen. Da sie relativ hochschwellig sind, reagieren sie nur auf starke mechanische und chemische Reize. Wird ihre Schwelle überschritten, werden nozizeptive Signale ans Gehirn weitergeleitet und führen zur Wahrnehmung von Schmerz.

Zudem gibt es Nervenendigungen, die im gesunden Gelenk stumm sind. Kommt es zu einer Veränderungen des Milieus, d.h. im erkrankten Gelenk, werden diese Endigungen erregbar und führen zur Steigerung der Schmerzempfindlichkeit.

Außerdem finden sich neben freien Nervenendigungen und Mechanosensoren, Sensoren in den Gelenkbändern, die mit ihren Informationen zur Steuerung der Bewegungsabläufe beitragen.

Systematik der Diarthrosen

Diarthrosen lassen sich nach Form der Gelenkkörper, Gestalt der artikulierenden Flächen und nach ihren Bewegungsmöglichkeiten einteilen. Das Ausmaß der möglichen Bewegung wird mit Hilfe der Achsen, auf denen eine Bewegung möglich ist, bestimmt.

Form der Gelenkkörper

Nahezu alle Gelenkflächen sind mehr oder weniger stark gekrümmt. Häufig artikuliert ein konvex gewölbter Gelenkkörper mit einem konkav geformten Gegenstück. Der Gelenkkörper wird nach seiner Form benannt. Kugel- oder eiförmige werden als Kopf (Caput), walzenförmige als Walze (Trochlea) und in zwei Ebenen konvex gekrümmte als Rolle (Condylus) bezeichnet.

Die konkaven Gelenkabschnitte werden Pfannen genannt. Eine flache Gelenkpfanne wird als Fovea oder Cavitas articularis, eine vertiefte Pfanne als Fossa articularis und eine rinnenförmige als Incisura articularis bezeichnet.

Gestalt der artikulierenden Flächen

Ebene Gelenke (Articulatio plana) besitzen Gelenkflächen, die annähernd flach bzw. nur sehr schwach gewölbt sind. Gleitbewegungen sind theoretisch in alle Richtungen möglich, jedoch werden diese durch kräftige Hemmbänder verhindert. Zu diesen Gelenken gehören unter anderem die Facettengelenke (Artt. zygapophysiales) und das Calcaneocuboidgelenk (Art. calcaneocuboidea).

In Kugelgelenken (Articulatio spheroidea) sind die Gelenkkörper annähernd halbkugelförmig und die Pfanne ist entsprechend ausgehöhlt. Umschließt die Pfanne den Kopf über dessen Äquator hinaus, wird ein solches Gelenk als Nussgelenk bezeichnet. Zu den Kugelgelenken gehören das Hüftgelenk (Art. coxae), das Schultergelenk (Art. glenohumeralis) und die Fingergrundgelenke (Artt. metacarpophalangeae).

In einem Eigelenk (Articulatio ellipsoidea) ist der Gelenkkopf eiförmig und die Pfanne entsprechend ausgehöhlt. Funktionell ähnelt es einem Kugelgelenk. Zu dieser Kategorie gehört zum Beispiel das proximale Handgelenk (Art. radiocarpea).

Kondylengelenke (Articulatio bicondylaris) besitzen zwei Rollen (Kondylen), die mit einer planen bis konkaven Pfanne artikulieren. Dabei stehen die Kondylen zueinander annähernd parallel, wie im Kniegelenk (Art. genus) oder dem Atlantooccipitalgelenk bzw. schräg zueinander, wie im Kiefergelenk (Art. temporomandibularis).

Rad- bzw. Zapfengelenke (Articulatio trochoidea) besitzen einen zapfen- bzw. radförmigen Kopf, der von einem osteofibrösen Führungsring umfasst wird. Dieser Führungsring wird durch ein Ligamentum gebildet. Beispiele stellen das Speichen-Ellen-Gelenk (Art. radioulnaris) und das mittlere Atlantoaxialgelenk (Art. atlantoaxialis medialis) dar.

Die Gelenkflächen eines Sattelgelenkes (Articulatio sellaris) sind sattelförmig gekrümmt und stehen senkrecht zueinander. Es gibt nur ein Gelenk dieser Art im menschlichen Körper, das Daumensattelgelenk (Art. carpometacarpalis pollicis).

Der Gelenkkopf eines Scharniergelenkes (Ginglymus) besitzt Walzenform und wird von einer zangenförmigen konkaven Gelenkfläche partiell umfasst. Dadurch erhält er eine knöcherne Führung. Beispiele für solche Gelenke sind der ulnare Teil des Ellenbogengelenkes (Art. radioulnaris proximalis) und das obere Sprunggelenk (Art. talocruralis).

Freiheitsgrade der Bewegung

Eine jede Gelenkbewegung kann auf zwei Grundbewegungen zurückgeführt werden: Translations- und Rotationsbewegungen.

Bei einer Translationsbewegung (Linearbewegung) gleitet das bewegte Skelettelement auf dem unbewegten Skelettelement. Es kommt zu einer Verlagerung und dadurch zum Auseinandergleiten der Gelenkflächen.

Im Rahmen einer Rotationsbewegung (Drehbewegung) ändert eines der Skelettelemente seine Orientierung im Raum, jedoch bleiben Abstand und relative Position der Gelenkflächen zueinander unverändert.

Gelenkhemmung

Das Ausmaß der Bewegung eines Gelenkes wird physiologischerweise durch eine Reihe von Mechanismen begrenzt.

Stoßen in einem Gelenk zwei Knochen aneinander, sodass die Bewegung nicht mehr fortgeführt werden kann, liegt eine sogenannte Knochenhemmung vor. Dies ist beispielsweise am Olecranon in der Fossa olecrani der Fall.

Wird ein Band oder eine bandartige Struktur im Verlauf der Gelenkbewegung so angespannt, dass die Bewegung beendet wird, handelt es sich um eine Bandhemmung. Beispiele dafür stellen das Lig. iliofemorale oder das Lig. coracoacromiale dar.

Eine weitere wichtige Art der Hemmung ist die Muskelhemmung. Hier stellen Skelettmuskeln, die enormen Widerstand aufbauen können, eine Begrenzung der Bewegung dar. Beispiele dafür sind die Unmöglichkeit die Faust zu schließen, wenn das Handgelenk maximal gebeugt ist oder die Verhinderung der maximalen Flexion im Hüftgelenk durch die ischiokrurale Muskulatur.

Hilfsstrukturen an Gelenken

Intraartikulär

Zu den intraartikulären Hilfsstrukturen zählen Gelenkscheiben (Disci articulares), Menisken (Menisci articulares) und Gelenklippen (Labra articulare) sowie Bänder und Sehnen.

Disci articulares sind Scheiben aus Faserknorpel und straffem kollagenen Bindegewebe, die ein Gelenk in zwei voneinander getrennte Kammern unterteilen. Sie kommen nur an Anlagerungsgelenken (Kiefergelenk, Sternoklavikulargelenk und Ulnokarpalgelenk) vor und sind nicht mit den Disci intervertebrales zu verwechseln. Die Membrana synovialis setzt am gesamten peripheren Umfang des Discus an, setzt sich aber nicht auf dessen Oberfläche fort. Die Membrana fibrosa hingegen ist mit dem Discus verwachsen. 

Menisci articulares sind sichelförmige Strukturen aus straffem kollagenen Bindegewebe, die wechselnde Anteile Faserknorpel enthalten. In relevanter Ausprägung kommen sie nur im Kniegelenk vor, wo sie Inkongruenzen zwischen den stark gekrümmten Oberflächen der Kondylen von Femur und Tibia ausgleichen.

Gelenkscheiben und Menisken unterscheiden sich also letztlich nur dadurch, dass Gelenkscheiben den gesamten Gelenkspalt durchziehen und Menisken im Randbereich liegen.

Im Schulter- und Hüftgelenk finden sich Auflagerungen auf den Rändern der knöchernen Hüft- und Schultergelenkpfanne: die aus Faserknorpel bestehenden Gelenklippen (Labra articulare). Außen sind sie mit der Gelenkkapsel verwachsen, die Innenseite geht kontinuierlich in die Gelenkpfanne über und stellt damit einen Teil der Gelenkfläche dar. Durch die Gelenklippe wird die artikulierende Fläche der Pfanne vergrößert, außerdem wirkt sie als Stoßdämpfer.

Extraartikulär

Außerhalb von Gelenken finden sich Ligamenta (Verstärkungsbänder) der Membrana fibrosa. Diese bedingen als Führungs- und Hemmbänder die Bewegungsrichtung des Gelenkes. Solche Bänder können auch in erheblicher Entfernung zum Gelenk liegen und dadurch eine Hebelwirkung entfalten.

Neutral-Null-Methode 

Die Bestimmung der Bewegungsumfänge von Gelenken gehört zu den elementaren Aspekten der körperlichen Untersuchung. Für die exakte Dokumentation wurde die Neutral-Null-Methode entwickelt.

Als Neutral-Null-Stellung ist der aufrechte Stand mit Knöchelschluss der Füße und angelegten Handflächen (Daumen vorne) definiert. Diese Stellung entspricht weitgehend der anatomischen Nullstellung, bei der allerdings die Handinnenflächen nach vorn zeigen. Die Systematik der Beschreibung von Bewegungsumfängen der Gelenke folgt der anatomischen Nullstellung.

Folgende Bewegungen sind definiert:

• Flexion (Beugung) und Extension (Streckung) -> Bewegungen in der Sagittalebene
• Anteversion und Retroversion (Vor- und Zurückführen der Extremitäten) -> Bewegungen in der Sagittalebene
• Abduktion (Abspreizen) und Adduktion (Heranführen) -> Bewegungen in der Frontalebene
• Lateralflexion (Seitwärtsbewegung von Rumpf und Kopf) -> Bewegung in der Frontalebene
• Innenrotation (Einwärtsdrehung) und Außenrotation (Auswärtsdrehung) -> Rotation der Extremitäten um eine vertikale Achse

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