Botten hebben misschien een minder dynamisch imago dan spieren, maar toch gebeurt er van alles in onze beenderen. Oud botweefsel wordt voortdurend afgebroken en vervangen door nieuw, sterk weefsel. Bij deze renovatiewerkzaamheden, die worden beïnvloed door de manier waarop het bot wordt belast, zijn drie soorten botcellen betrokken; de osteoclasten graven het oude bot weg, osteoblasten zetten in de ontstane ruimte nieuw botmateriaal af en osteocyten coördineren als bouwopzichters de werkzaamheden. Graafcellen, bouwcellen en opzichtercellen dus.

Het is niet eenvoudig deze processen te volgen in levend botweefsel, vertelt promovendus René van Oers (29). Het bot wordt afgegraven met een snelheid van ongeveer een millimeter per maand, en het is volgens hem lastig om een stuk bot zo lang in leven te houden, inclusief de benodigde bloedvaten en actieve cellen. “Er zitten gewoon heel veel haken en ogen aan het doen van experimenten met levend botweefsel.”

Computersimulaties zijn daarom een nuttige aanvulling om te leren hoe de bouwprojecten in ons bot verlopen. En dat is van belang, aangezien alleen al door botontkalking (osteoporose) één op de twee vrouwen en een op de vijf mannen ooit in het ziekenhuis belandt. Totale kosten in Europa: dertig miljard euro. Van Oers: “Bij osteoporose zijn de regelmechanismen in het bot ontregeld. Het is nog niet bekend welke signaalstoffen hierbij betrokken zijn, maar aan de hand van modellen kun je er wel iets over zeggen.” En botonderzoek heeft niet alleen medisch nut. Ook paleoantropologen zijn erg geïnteresseerd in Van Oers’ onderzoek. “Als je de groeimechanismen begrijpt, kun je uit botten teruglezen hoe ze zijn belast. En dus of een beest in de bomen heeft gehangen of rechtop liep, bij wijze van spreken.”

Van Oers is een van de weinige onderzoekers ter wereld die modellen maakt van bot op het niveau van individuele cellen. Zijn programma oogt op het scherm als een variant op het klassieke spel Pac-man, waar de graafcellen de rol van het bekende gele ‘happertje’ innemen. Maar de onderzoeker hoeft geen joystick te bedienen; Van Oers geeft slechts de krachten aan die op het bot worden uitgeoefend, en eventueel de locatie van de opzichtercellen.

Het is al lang bekend dat bot groeit langs langgerekte structuren, in de vorm van balkjes in de poreuzere binnenkant van het bot, en in de vorm van cilinders (osteonen) langs de zwaarder belaste en daardoor stevigere buitenkant. De balkjes groeien vanaf de buitenkant aan, ze zijn direct vanuit het beenmerg toegankelijk voor de bouwcellen. De cilinders ontstaan uit tunnels die worden gegraven door de osteoclasten, waarna de osteoblasten langs de binnenwand een aantal lagen bot afzetten. Alleen de centrale holte wordt niet gevuld met bot; daar loopt het bloedvat dat de bouwvakkers van voedsel voorziet. De graafcellen graven dus het oude bot weg en maken daardoor plaats voor de bouwcellen om nieuw, sterk bot af te zetten. De cilinders en balken groeien langs de belastingsrichting. Dat is ook logisch: op die manier wordt het bot het sterkst in de richting waarin het normaal gesproken wordt belast (in het dijbeen is dat bijvoorbeeld in de lengterichting van het bot). Van Oers heeft met een simpel model, met de krachten op het bot als input, laten zien dat de bouwcellen zich inderdaad een weg banen langs deze krachten. Dat komt door de opzichtercellen, die de krachten meten en signaalstoffen afgeven aan de gravers en de bouwers. Voelen de opzichtercellen een grote kracht, dan zorgen ze ervoor dat de gravers worden afgeremd en de bouwers juist gestimuleerd.

Van Oers legt uit hoe dat leidt tot langs de krachten gerichte botstructuren. “De krachten worden om de aanwezige holtes heengeleid. Hierdoor ontstaan spanningen aan weerszijden van de holte.” Langs de zijkanten van de tunnels worden dus de bouwers het meest gestimuleerd en de gravers het meest afgeremd door de opzichtercellen. Hierdoor ontstaan lange tunnels in de richting van de kracht, die vanuit de binnenwand worden volgebouwd met nieuw bot. De opzichtercellen blijven al na relatief korte belasting -een paar keer heen en weer springen-, nog enkele uren actief. Hierdoor gaat de botrenovatie nog een tijd in de juiste richting door. Elke paar uur een korte inspanning zou dus het beste recept zou zijn voor sterkere botten. De gravers worden echter niet afgeremd als het bot niet wordt belast. Dat is goed zichtbaar bij mensen die in het gips hebben gezeten en astronauten die lang in gewichtsloze toestand doorbrengen.

Niet alleen de richting, maar ook de vorm van de botcilinders blijkt voorspeld te worden door de belasting van het bot. Bij hogere belasting (zoals die meestal op de buitenkant van het bot staat) ontstaan smallere cilinders. Als je een zogeheten krachtgradiënt aanlegt, waarbij de belasting van binnen naar buiten toeneemt, zie je dat aan de wand van de tunnel die het minst wordt belast het meeste bot wordt weggevreten. De tunnels ‘schuiven’ daardoor een beetje naar de binnenkant toe, een fenomeen bekend uit de praktijk. Van Oers: “Deze effecten hadden we helemaal niet voor ogen toen we het model ontwikkelden, maar ze rollen er wel uit. Dat is mooi.” (TJ)/.