Magnesium `

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Magnesium-Bulletin la/1981
Die Hemmung der Kalzium-Phosphat-Blldung im lebenden Gewebe durch
Magnesium
V on Anders, G. und Flajs, G.
Orthopadische Klinik der Universitat Bonn, Palaontologisches Institut der Universitat Bonn, 5300 Bonn 1,
Siegmund-Freud-Str. 2 5
Zusammenfassung
Nach Injektion eines kalzergischen Agens (Bleichlorid) wurden
im Tierversuch rasterelektronenmikroskopisch die am Ort der lnjektion entstandenen Kalziumphosphate untersucht. Dabei fanden
wir Apatit, Oktokalziumphosphat und Brushit.
Durch Magnesium, das mit Bleichlorid zusammen injiziert wurde,
lid~ sich die Ausbildung von Kalzium-Phosphat-Kristallen verhindern. Unter dem Rasterelektronenmikroskop stellten sich fast nur
organische Fasetn dar, denen vereinzelte ,amorphe Kalziumphosphate" anhafteten.
Mit den Ergebnissen konnten friihere in-vitro-Untersuchungen
verschiedener Autoren bestiitigt werden.
Die Hemmung der Verkalkungsreaktion und die Verhinderung
der Ausbildung kristalliner Substanzen ist nach unserer Auffassung am ehesten physiko-chemisch erkliirbar.
In der Arbeit werden die eigenen V ersuche beschrieben und die
eigenen Ergebnisse mit Mitteilungen in der Literatur diskutiert.
Nach unseren in-vivo-Untersuchungen liegt die Vermutung nahe,
daE der VerkalkungsprozeE im Weichteilgewebe iihnlich wie im
Knochen abliiuft. Wie wir im Weichteilgewebe fand auch Mun~
zenberg seinerzeit im Knochen auEer Apatit Oktokalziurnphosphat
und Brushit.
Summary
Caldurnphosphates which were formed locally at the site of injection after the application of a calcergic agent (PbCl2) were examined by means of the screen electronic microscopy (M). There
was found apatite, octocalcium, phosphate and brushit.
Mg given together with PbCl2 prevented the formation of caldurnphosphate ctistals. Using the M-technique there were found
nearly exclusively organic fibrils to which sporadically stuck
"amorphous calciurnphosphate". These observations confirmed
in-vitro-findings of other authors.
To our opinion the inhibition of calcification and formation of
crystaline substances can be easiest explained on a physicochemical basis. The experiments are described and the results are
discussed in connection with relevant literature.
Our in-vivo investigation~ let us suppose that calcification processes are similar in soft tissues and bones. In the experiments of
Munzenberg octocalcium-phosphate and brushit were also found in
addition to apatite in bones.
Apres une injection d'un agent calcergique (chlorure de plomb) le
phosphate de cal.ciurn se formant clans le site de !'injection a ete
aide de la microscopic electronietudie clans 1'essai sur 1' animal
que.
La formation de cristaux de phosphate de calcium a pu etre prevenue par le magnesium qui a ete injecte de facon concomitante avec
le chlorure de plomb. Sous le microscope electronique ne se sont
formees pratiquement que des fibres organiques auxquelles adhere
du phosphate de «calcium amorphe" isole.
Avec ces resultats ont pu ~tre confirmees les recherches in vitro
anterieures de divers auteurs. L'inhibition de la reaction de calcification et la prevention de la formation de substances cristallines
ar
selon notre conception peut s'expliquer plutot de fa<;on physicochimique.
Dans le travail sont decrits des essais personnels et nos resultats
personnels sont discutes avec les communications de la litterature.
D'apres nos recherches in vivo apparait concevable !'opinion que
le processus de calcification clans les tissus des parties molles se deroule de fa<;on semblable a cdui se deroulant clans les os. De
rueme que nous Munzenberg a trouve clans les os aussi de son cote,
outre r apatite, du phosphate octocalcique et de la brushite.
Einleitung
Der genaue Mechanismus einer Mineralisierung und
Kalzifikation im lebenden Gewebe ist bis heute noch
nicht geklart. Eine Verkalkung wird durch das Zusam~
menspiel lokaler und humoraler Faktoren ausgelost
und gesteuert. Der lokale Mechanismus ist fiir die Ablagerung der Kalziumsalze sowie ihre Proportionen zur
Matrix verantwortlich, der humorale fiir die Kalziumund Phosphat-Konzentration in den Geweben. Weiterhin greifen in den ProzeB der Kalzifikation nichtenzymatische und enzymatische Reaktionen sowie
Hormone und Vitamine ein.
Bei der Mineralisation des Knochens liegen mehrere
kristalline Phasen vor. Miinzenberg ( 19 70) konnte in
seinen Untersuchungen Brushit, Oktokalziumphosphat
und Apatit nachweisen.
Apatit bildet sich als flachenarmes Tafelchen oder als
kurze Sau1e.
Oktokalziumphosphat kristallisiert im allgemeinen in
Form diinner Plattchen, deren Kanten einen Winkel
von 90 Grad betragen (Brown und Mitarbeiter, 1962.
Kurmies, 19 5 3). Es gehOrt zum trigonal en System und
zur hexagonalen Klasse.
U nter Zugrundelegung einer Kristallstruktur, wie sie
von Brown angenommen wurde, ist das Oktokalziumphosphat dem H ydroxylapatit zwar verwandt, unterscheidet sich von ihm jedoch dadurch, daB zwischen
Apatitebenen j eweils H 20- Ebenen eingela(00 1)
gert sind.
Beim Brushit handelt es sich urn kristallisiertes Kalziumhydrogenphosphat-Dihydrat. Es gehOrt zum monoklinischen System und zur prismatischen Klasse. Typisch sind entsprechende kantige Winkelbildungen, die
·
8 7 Grad betragen. ..
Eine schematische Ubersicht iiber die eben beschriebenen Kalziumphosphate gibt die Abb. 1.
Nach Newesely (1970) fiihrt der biogene Kristallisationsmechanismus der Kalziumphosphate iiber eine
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a
b
Brush it
Oktokalzium phosphat
Habitus des Apotits
(a, b)
Abb. 1: Es sind schematisch Brushit, Oktokalziumphosphat und
die H abitusformen des Apatits dargestellt. Typisch fiir Brushit
sind KristaUe, deren Flachen in einem Winkel von 8 7 Grad auf-
einander treffen , typisch fur Oktokalziumphosphat Flachen, die in
einem W inkd von 90 Grad aufeinander treffen. Apatit bildet sich
als flachenarmes T afelch en oder als kurze Saule.
apatitahnliche, schichtenformig aufgebaute Vorstufe.
Die Konsolidierungsreaktionen der anorganischen
Phase werden von Begleitionen und Spurenelementen
beieinflulSt.
Im lebenden Organismus kornmt es aber nicht nur im
Knochen, sondern auch in W eichteilgeweben zu Kalziumphosphat-Ablagerungen, so zum Beispiel nach
V erletzungen, dem Einbau kiinstlicher Gelenke, bei
neurogenen Erkrankungen und nach der Gabe von
Natrium-Fluorid.
und rontgenologisch darstellbaren V erkalkungen,
wenn dieses subkutan injiziert wurde. Nach Bleichlorid stellten sich sowohl intramuskulare wie subkutane
Kalkablagerungen ein. Intramuskulare Bleichloridinjektionen iiber 2 Monate erhielten 3 Tiere tii.glich mit Ausnahme von Sonntag - in einer Dosierung von
0,2 bzw 0,4 ml. Die Losung enthielt 35,9 mval Pb/1.
Bei Gruppe 2 ( 10 Tiere) wurden Bleichlorid und Magnesium-L-glutamat in einer Spritze aufgezogen und
als Gemisch verabreicht. N aeh dem gemeinsamen Aufziehen der beiden Substanzen kam es zu keinen Ausfallungen und chemischen Reaktionen. Die Injektionsdauer betrug wiederum ein his zwei Monate.
Bleichlorid wurde in der Dosierung von 0,2 und
0,4 ml, Magnesium-L-glutamat von 2-3 ml verwendet. Die Magnesium-Ampullen enthielten in l 0 ml l g
Magnesium-L-glutamat (entsprechend 77 mg Mg =
6,3 mval).
V on den Tieren der Gruppe 3 (insgesamt 7) erhielten
drei taglich - mit Ausnahme von Sonntag - in die
linke Glutealmuskulatur 0,2 ml Bleichlorid und rechts
2 ml Magnesium und vier Tiere links 0,4 rnl Bleichlorid und rechts 5 ml Magnesium.
Die meisten der Tiere wurden nach vier Wochen getotet, einige wenige nach zwei Monaten. Die Injektionsstellen wurden sorgfaltig prapariert. N aeh entsprechen-
Eigene Untersuchungen
In der Literatur wurde wiederholt uber experimentell
gesetzte V erkalkungen berichtet, so vor allem von Se/ye
und Mitarbeitern (1962, 1963/1964, 1965).
In den eigenen Versuchen sollte die kristallographische
Beschaffenheit einer experimentellen Verkalkung und
die Wirkung von Magnesium auf die Kalzergische
Wirkung untersucht werden.
Als V ersuchstiere dienten etwa 3 Monate alte Kaninchen. Diese teilten wir in drei Gruppen ein:
Bei Gruppe l, die 11 Tiere umfa1Ste, injizierten wir
Kalziumchlorid (CaC1 2) und Bleichlorid (PbC12) subkutan und intramuskular.
Nach der Gabe von Kalziumchlorid kam es zu tast-
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der V orbereitung wurden von all en Proben unter anderem rasterelektronenmikroskopische V ntersuchungen vorgenommen.
Bei der Auswertung der Aufnahmen zeigten sich deutliche V nterschiede zwischen Gruppe l und 3 auf der
einen Seite und Gruppe 2 auf der anderen.
Bei den Gruppen l und 3 lieEen sich unter dem Rasterelektronenmikroskop bei starkeren V ergroEerungen
Kalzium-Phosphate darstellen, deren Kristallkanten
Apatit, Oktokalziumph osphat und Brushit entsprachen. Die Kristalle lageo click gepackt aoeinander. Auf
Abbildung 2 sind typische kurzsaulige Apatitkristalle
zu sehen, auf Abbildung 3 ein tafelformiger Apatit.
Auf Abbildung 4 erkennt man wiederum nur anorganische Bestandteile. In der Mitte des unteren Bildanteiles sehen wir einen Brushit-Kristall, am rechten oberen
Rand einen kurzsauligen Apatit. Abbildung 5 enthalt
in der Mitte einen Oktokalziumph osphat-Kristall.
Abb. 2: 13 OOOfache VergroBerung einer Gewebsprobe. Dem
Tier war Bleichlorid an diese Stelle injiziert worden. Organische
Fasern sind nicht sichtbar. In der Mitre des Bildes stellen sich typische kurzsaulige Apatitkristalle dar.
Abb. 3: 2 500fache VergroBerung. Organischen Fasern liege ein
.tafelformiger Apatit auf. Der Kristall entspricht dem Habitus des
Apatits, wie er auf Abbildung 1 unter b) schematisch dargestellt
wurde.
Abb. 4: 11 OOOfache VergroBerung. In der Mitre des unteren
Bildanteils sieht man einen Brushit-Kristall, dessen Kanten in einem Winkel von 8 7 Grad zueinander stehen, am rechten oberen
Rand einen kurzsauligen Apatit.
Abb. 5: 12 300fache VergroBerung Oktokalziumphosp hatkristall. Wie auf der schematisierten Abb. 1 bilden die angrenzenden
Flachen einen Winkel von 90 Grad miteinander.
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Die Formationen der einzelnen Kristalle entsprechen
den schematischen Darstellungen der Abbildung 1.
Im Gegensatz zu den Aufnahmen, die von Gewebsproben der Tiere aus den Gruppen 1 unci 3 gewonnen
wurden, zeigen die Aufnahmen von Gewebsproben
der Tiere, die eine Mischinjektion erhalten batten,
hauptsachlich organische B estandteile; zumindestens
werden hier Kristalle nicht sichtbar. Auf Abbildung 6
haften einem N etzwerk organischer Fasern nur vereinzelte ,knollenartige Gebilde" an, bei denen es sich urn
amorphe Kalziumphosphatabscheidungen handelt, die
jedoch im Vergleich zur organischen Masse nur gering
in Erscheinung treten.
Abb. 6: 11 OOOfache Vergrogenrng. Das Bild zeigt ein N etzwerk organischer Fasern, denen vereinzelte ,knollenartige Gebilde" anhaften. Hierbei diirfte es sich urn geringe Mengen amorpher Kalziurn-Phosphate handeln.
Diskussion
Sobel unci Hanok. (19 52) gelang es, die Prazipitation
von Kalziumphosphaten durch Zugabe von Magnesium deudich zu hemmen. Bachra, Trautz unci Simon
{1965) wiesen nach, daiS Magnesiumionen die Kristallisation von Apatit verhindern. Die Ergebnisse von Sobel unci Hanok. ( 19 52) sowie Bachra unci Mitarbeitern
(1965) konnten Miinzenberg unci Mitarbeiter (1972)
reproduzieren. Hierbei handelte es sich jedoch jedesmal urn in-vitro V ersuche.
In den eigenen Untersuchungen wurden rasterelektronenmikroskopisch das Aussehen der Kalzium-Phosphate, die nach Verabreichung eines kalzergischen Stoffes
entstanden, unci die Wirkung von Magnesium auf diesen Kalzifikationsvorgang im lebenden Gewebe gepruft.
Nach Injektion von Bleichlorid zeigten sich unter dem
Rasterelektronenmikroskop Kristalle, die nach ihrer
Formation unci Kantenausmessung Apatit, Oktokalziumphosphat unci Brushit zuzuordnen waren.
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Moglicherweise konnte bier derselbe Mechanismus ablaufen, wie ihn Miinzenberg (1970) fill die Mineralbildung im Knochen angenommen hat:
Wurde die kalzergische Substanz, in unserem Fall
Bleichlorid, rnit Magnesium zusammen injiziert, so unterblieb die Ausbildung von Kristallen. E s lieBen sich
nur vereinzelte ,knollenartige Gebilde" nachweisen.
V ersucht man die gefundenen Ergebnisse zu deuten, so
konnen sie nach unserer Auffassung nur physiko-chemisch erklart werden. Magnesium-Injektionen in die
kontra-laterale Glutealmuskulatur beeintrachtigen den
Kalzifikations-Vorgang nicht. Folgender Ablauf im
Gewebe ist denkbar: das kalzergische Agens (PbC1 2)
ftihrt zur Anreicherung von Kalziurn unci Phosphat.
Entsprechende histochemische Vorgange wurden von
Selye unci Mitarbeitern (1963/1964) beschrieben.
Nach subkutanen Injektionen von FeC1 3 konnte bei
vorher mit Dihydrotachysterin sensibilisierten Ratten
flinf Minuten und eine Stunde nach der subkutanen
Injektion an der Injektionsstelle nur Eisen nachgewiesen werden. N ach funf Stun den zeigten sieh Spuren
von Phosphat und Karbonat, aber noch kein Kalzium.
N aeh 2 4 Stunden waren Phosphat/Karbonat nicht our
an der Injektionsstelle, sondern auch an den Bindegewebsfasern der umgebenden Hautmuskulatur zu finden. Zur selben Zeit wurde Kalzium sichtbar. In den
niichsten Tagen wurde die Eisenreaktion schwacher,
wiihrend Phosphat/Karbonat- unci Kalziumreaktionen
stiirker ausfielen. Nach 6 Tagen war nur mehr sehr wenig Eisen vorhanden. Die Injektionsstelle unci ihre
U mgebung wiesen eine deutliche V erkalkung auf.
Auch bei unseren V ersuchen kann man demnach annehmen, daiS es zu einer Anreicherung von Phosphat/
Karbonat unci spiiter Kalziurn kam. Zusatzlich wurde
Magnesium verabreicht. Am Injektionsort waren
Mg++, P0 4- - unci Ca++_Ionen in reichlicher Menge
vorhanden. Diese konnen die verschiedenen Verbindungen miteinander eingehen:
- - - - - - - CaHP04
Mg++ - - - -
- MgHP04
========
P04___
CasH2(P04)6
c,..
Mg,C,.(P0,)40H);
Cat0::P04)6(0H)2
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Selye und Mitarbeiter ( 196 3/ 1964) batten gefunden,
daB sich zuerst Phosphat/Karbonat und erst spiiter
Kalzium anreicherte. In unserem Fall wiirde nun das
Phosphat von Magnesium gebunden, es stiinde fur das
spiiter sich einfindende Kalzium nicht mehr zur V erfiigung. Die Magnesium-Phosphat-Verbindungen wiiren
nur von kurzer Dauer, die aber ausreichen wiirde, urn
eine V erbindung von Phosphat mit Kalzium zu verhindern.
Eine weitere Erkliirung konnte durch die Ergebnisse
von Leonard und Mitarbeitern (1972) gegeben werden. Diese Autoren fanden nach der subkutanen Injektion von CaATP-Losungen bei Ratten die Bildung
amorpher Kalziumphosphate. Die Menge des Kalziums in den Ablagerungen entsprach etwa der hundertfachen eingespritzten Menge. N ach Ansicht der
Autoren laBt sich daraus schlieBen, daB das Kalziumphosphat, das im ATPase-aktiven subkutanen Gewebe
aus CaATP gebildet wurde, als Keim fiir die Kristallisation wirken kann. Bei V erwendung einer Losung,
die zunehmende Mengen von Magnesium enthielt,
wurden Plattchen gebildet, deren GroBe und Aschgewicht umgekehrt proportional zum Mg/Ca-Verhaltnis
in der eingespritzten Losung standen. Magnesium bildet mit ATP MgATP, ja es wetteifert geradezu mit
Kalzium urn ATP. Nach Nanninga (1957) ist
MgATP stabiler als CaATP. Magnesium wiirde in
diesem Fall eine fiir den Kalzifikations-Vorgang wichtige Reaktion unterbrechen.
Fassen wir unsere Untersuchungen zusammen, so lassen sich folgende SchluEfolgerungen ziehen:
1. Bleichlorid, intramuskular injiziert, fiihrt zur Bildung von Kalzium-Phosphaten, die rasterelektronenmikroskopisch nach ihrer Formation und Kantenausmessung Apatit, Oktokalziumphosphat und
Brushit entsprechen.
2. Magnesium, das in die kontralaterale Glutealmuskulatur injiziert wird, beeinfluBt den kalzergischen
Vorgang und die Ausbildung von Kalzium-Phosphat-Kristallen nicht.
3. Magnesium, in einer Mischspritze mit Bleichlorid
injiziert, bremst die kalzergische Wirkung des
Bleichlorids bzw. verhindert sie ganz. Es kommt
nur zur Ausbildung vereinzelter amorpher Kal.zium-Phosphate.
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4. Der gesamte Vorgang ist am ehesten physiko-chemisch erklarbar, durch die Bildung kurzlebiger Magnesium-Phosphat-Verbindungen oder durch die
,Blockierung" von ATP.
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