Zoologische Histologie: Geweiknochen eines Rothirsches (Cervus elaphus)

[DieterS.]

Liebe Mikroskopiker,

in diesem Beitrag möchte ich die Histologie eines Anteiles des Geweihknochens des Rothirsches (Cervus elaphus) an einem Dünnschnitt beschreiben. Einführend sollen zunächst einige allgemeine Merkmale der Geweihbildung beschrieben werden:  Das Rothirschgeweih des Vorjahres wird zwischen Februar und April abgeworfen. Hierbei trennen sich die beiden Geweihstangen von den unterliegenden Rosenstöcken. Die Rosenstöcke sind aufsitzende Bildungen der paarigen Stirnbeinfortsätze und bleiben als Strukturen der alljährlichen  Geweihneubildung erhalten.  Das neue Geweih wird in einem Zeitraum von 110 bis 150 Tagen zwischen Juli und August gebildet; eine Rekordzeit der Knochenbildung bei Säugetieren (aber auch des gesamten Tierreiches). Die aus den Rosenstöcken auswachsenden Geweihstangen (das "Schieben")  sind von einer behaarten, stark durchbluteten sowie von Nerven versorgten Basthaut/dem Bast umgeben, die den schnell wachsenden Knochen ernährt. Der Knochen selbst wird vom Periost (der Knochenhaut) umgeben, der für die direkte Versorgung der sich bildenden Knochenstruktur verantwotlich ist. Von hieraus ziehen Blutgefäße und Nerven in die lakunären Bereiche des Geweihknochens ein. Mit Abschluss der Geweihbildung wird die Blutversorgung unterbrochen, so dass die Basthaut stirbt und im Zuge eines Abstreifens/Abschieben (des "Fegens") entfernt wird. Da die ernährende Funktion der Basthaut nicht mehr gegeben ist, stirbt der Geweiknochen ab und steht nun als vollständig ausgebildetes Geweih für das Imponiergehabe des Hirsches bei der Brunft zur Verfügung. Mit einem starken hormonellen Abfall des Testesterongehaltes im Blut wird der Abwurf des Geweihes vorbereitet bzw. eingeleitet.

Ein Geweiknochen besteht, wie jeder Kochen eines Säugetieres, aus Wasser, organischen sowie  anorganischen Bestandteilen. Bei den organischen Bestanteilen handelt es sich vor allem um Kollagen des Typs I, das für Elastizität und Zugfestigkeit verantwortlich ist und bei den anorganischen Bestandteilen im Verbindungen des Typs Calciumhydroxylapatit, das für Druckfestigkeit und Härte zuständig ist. Histologisch lässt sich beim Knochen eine dichte, äußere Knochenschicht, die Substantia compacta von einer inneren, trabekulär aufgebauten Substantia spongiosa unterscheiden. Im Folgenden soll die Strukturen der Substantia compacta eines Geweihknochens im entmineralisierten ("entkalkten") Zustand beschrieben werden.

Histologie:  In Abbildung 1 wird eine mikroskopische Aufnahme eines Dünnschnittes durch einen vollständig  entmineralisierten Randbereich eines Geweihknochens des Rothirsches (Cervus elaphus) gezeigt. Das Knochenstück wurde kurz oberhalb eines rechten Rosenstockes entnommen. Hierbei handelt es sich um Material der Substantia compacta. Nach einer Entmineralisierung/Entkalkung der S. compacta verbleibt nur die organische Grundmasse des Knochens, das Osteoid, das im Wesentlichem aus Kollagen besteht. Als morphologisch bestimmendes Elemente sind die Osteone zu nennen, die aus konzentrisch abgelagerten Kollagenfibrillen bestehen. Die Lumen der Osteone erscheinen nahezu leer, weisen aber an ihren Rändern Reste hämolysierten Blutes auf. Im vitalen Zustand enthalten die Zentren der Osteone Blutgefäße und Nerven, die in Längsrichtung des Knochens verlaufen. Als weitere auffällige Strukturen fallen die Volkmann-Kanäle auf. Im Unterschied zu den Havers-Kanalen verlaufen die Volkmann-Kanäle quer zur Knochenachse und sind auf diese Weise mit den Havers-Kanälen verbunden. Auch sie enthalten Blutgefäße und Nerven. Das Blut fließt hierbei vom Periost (der Knochenhaut) über die Volkmann- zu den Havers-Kanälen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Geweihknochen während des Wachstums ausreichend mit Blut und mit darin enthaltenen Elementen/Verbindungen (incl. Sauerstoff) versorgt wird. Im Osteoid sind zudem Schaltlamellen zu beobachten, bei denen es sich um Anteile abgebauter Osteone handelt. Im Vergleich zu typischen Röhrenknochen sind bei diesem Geweihknochen nur wenige Schaltlamellen zu beobachten, was auf einen geringen Grad eines Remodellings (Ab- und Umbau der Knochenmatrix) schließen lässt. Das histologische Bild des Geweihknochens entspricht dem einer Substantia compacta eines Röhrenknochens, der ebenfalls auf enchondrale Weise (d.h. über einer knorpelige Vorstufe) entsteht. Als wesentliche Unterschiede in der Genese des Geweihknochens ist die hohe Wachstumsgeschwindigkeit, die Ausbildung einer Basthaut sowie das Absterben/Abstreifen der Gleichen und der Knochenabwurf zu nennen. Die Frage, auf welche Weise die Trennung zwischen Geweihstange und Rosenstock stattfindet, kann ich hier nur spekulativ beantworten. Ich vermute, dass sich das Gleichgewicht zwischen osteoblastischer Aktivität  (Bildner der Knochenmatrix) zugunsten der osteoclastischen Aktivität (Abbau der Knochenmatrix), vielleicht unter der Einwirkung des stark abgefallenen Testesteronspiegels, verschiebt und so der Knochenbereich zwischen Geweihstange und Rosenstock "perforiert" wird.


Abb. 1:  Mikrofotografische Aufnahmen eines Dünnschnittes der entmineralisierten Substantia compacta des Geweihknochens des Rothirsches Cervus   
              elaphus (Azan-Färbung)

Abkürzungen der Abb. 1:
eOst    .......... entmineralisiertes Osteoid (org. Knochengrundmasse)
hBr      ........... hämolysierte Blutreste
H.-K.  ........... Havers-Kanal
Ks      ............ Kittsubstanz
Os      ........... Osteon (strukturelle Grundeinheit der S. compakte)
Oz      ........... eingemauerter Osteozyt in Lacune (passive Form des Osteoblasten)
Sl        ........... Schaltlamelle (degradierte, raumfüllende Reste eines Osteons)
Spl      ........... konzentrische kollagene Schichtungen des Osteons
V.-K.    ........... Volkmann-Kanal

Abschlussbemerkung:  Nach Abwurf des Geweihs verbleiben breite Wundbereiche an den Bruchenden der Rosenstöcke. Von denWundrändern beginnend migrieren nicht differenzierte Zellen eines Blastems über die Wundfläche und führen so zu einem Wundverschluss. Unterhalb des Blastems bzw. der neu gebildeten Epidermis kommt es im Zuge einer Regeneration zu einer enchondralen Knochenneubildung des Geweihs. Hierbei wird zunächst ein knorpeliges Gefüge angelegt, das sekundär umgebaut wird und in Folge verknöchert. Eine besondere Herausforderung stellt für den Hirsch die Bereitstellung der anorganischen Bestandteile dar, die in der kurzen Zeitspanne des Geweihwachstums bereit gestellt werden müssen. Hierbei kann es vorkommen, dass die notwendigen, anorganischen Elemente und Verbindungen (Calcium, Magnesium, Phospate, usw.) nicht in ausreichender Menge über die Nahrungsaufnahme aufgenommen werden können. In einem solchen Fall werden die anorganischen Elemente und Verbindungen aus dem bestehenden Körperskelett remobilisiert. Das kann in ausgeprägten Hungerzeiten der Tiere zu einem Extrem führen, bei dem zwar ein vollständiges Geweih gebildet wird, das Skelett aber nicht in der Lage ist, das Gewicht des Geweihs zu tragen.

Vielen Dank für Euer Interesse an diesem Beitrag!

Dieter

[Gerd Schmahl]

Hallo Dieter,
ein sehr schöner Beitrag zum Aufbau dieses speziellen Knochens.
Womit hast Du fixiert und womit entkalkt?
Da sich noch Blutreste in den Haverschen Kanälen befinden, nehme ich mal an, dass das Geweih noch im Aufbau war?


Wenn Du erlaubst, würde ich den Beitrag gerne mit zwei Bildern von einem Dünnschliff aus dem Geweih eines nahen Verwandten, des Rehs (Capreolus capreolus L.) ergänzen. Da es ein Dünnschliff ist, war ein Entmineralisieren nicht nötig. Allerdings handelt es sich um eine Abwurfstange, also einen schon abgestorbenen Knochen:


Das Bild ist im polarisierten Licht aufgenommen mit einem Rot-1-Hilfsobjekt, deshalb ist der Hintergrund rot. Die anderen Farben (Blau und die Komplementärfarbe Orange) zeigen die Richtung der Kalzit- bzw. Calciumhydroxylapatit-Kristalle. Das Bild wurde im Randbereich der Stange aufgenommen und zeigt auch, dass es einen deutlichen Rand mit stärker mineralisierten Osteonen gibt, wobei auch der innere Bereich noch zur S. compacta gehört.

Das Schleifen so porösen Materials stellt eine Herausforderung dar, der ich damals (2017) noch nicht wirklich gewachsen war. Ich habe Fehler gemacht, die ich heute sicher nicht mehr machen würde:
1. Quellfähiges Material muss trocken geschliffen werden, sonst verbiegen die immer dünner werden Schliffe leicht und lösen sich vom Objektträger.
2. Sollte man mit festen Schleifkörnern schleifen (z.B. mit Diamantplatten), nicht mit losen. Letztere setzen sich in den Hohlräumen fest, wo sie kaum noch zu entfernen sind, wie dieses Bild der S. spongiosa vom gleichen Präparat zeigt:


Alternativ kann man eine kleine Knochenprobe auch in Kunstharz einbetten und dann schleifen.
Beste Grüße
Gerd