Je skelet leeft op bij angst

Bot wordt continu opgebouwd

Met een totaalgewicht van circa 10 kilo is het skelet het zwaarste orgaanstelsel van het lichaam.

De activiteit in de beenderen ontspringt enerzijds aan de stamcellen in hun binnenste, die het beenmerg vormen en continu vitale rode en witte bloedcellen produceren, en anderzijds aan het harde botweefsel zelf.

Hierin leven allerlei cellen, die ervoor zorgen dat het skelet kan groeien en na een breuk kan herstellen.

De opbouw van de botten is vergelijkbaar met die van gewapend beton. Als ze groeien, kunnen ze niet meerekken, zoals ander weefsel. Een netwerk van sterke eiwitvezels gevuld met minerale afzettingen maakt ze hard en stijf, waardoor ze zich niet in de lengte en breedte kunnen uitstrekken.

Maar in grotere en kleinere holten in het dode botweefsel bevinden zich levende cellen, waarvan twee celtypen in het bijzonder van belang zijn voor de botgroei.

Het ene celtype wordt gevormd door de osteoclasten. Die glijden als slakken over het botoppervlak en schrapen er botweefsel af. Het andere celtype, de osteoblasten, maakt nieuw botweefsel aan en bouwt de botten dus juist op.

De botten bestaan uit een harde buitenkant en een sponsachtige binnenkant, en ze groeien doordat de twee celtypen hun activiteiten coördineren, zodat bijvoorbeeld de schil van een dijbeen vooral aan de binnenkant wordt afgebroken en aan de buitenkant wordt opgebouwd.

Als je een bot breekt, slijpen de osteoclasten de twee breukvlakken bij, zodat die weer op elkaar passen, waarna de osteoblasten ze aan elkaar ‘lijmen’ door de tussenruimte op te vullen met nieuw botweefsel.

In 2010 ontdekte Gerard Karsenty al dat de osteoblasten niet alleen bot opbouwen, maar ook osteocalcine uitscheiden. En in 2019 kon hij uiteindelijk de invloed van dit hormoon op de alarmtoestand van het lichaam demonstreren.

Karsenty deed proeven met muizen, die een stroomstootje door hun pootjes kregen of werden blootgesteld aan de geur van vossenurine. Beide situaties roepen een automatische angstreactie op, waardoor de muizen stil blijven staan en hun hartslag en ademhaling versnellen.

Karsenty nam bloedmonsters van de bange muizen en constateerde dat de hoeveelheid osteocalcine in het bloed twee minuten na de schok vijf keer zo hoog was.

Het niveau van adrenaline, het hormoon dat gewoonlijk met angstreacties wordt geassocieerd, was echter normaal. Dit niveau steeg pas na vijf minuten, toen de hoeveelheid osteocalcine juist weer omlaag ging.

Uit nader onderzoek van Karsenty bleek dat het angstcentrum in de hersenen, de amygdala, signalen naar de botten stuurt, waardoor het bloed ver voordat de productie van adrenaline op gang komt al volloopt met osteocalcine.

Maar Karsenty wist niet zeker of het bothormoon direct betrokken was bij de vecht-of-vluchtreactie. Daarom modificeerde hij het DNA van een aantal muizen zo, dat ze geen osteocalcine meer konden aanmaken.

Als deze muizen een stroomstootje kregen, reageerden ze lang niet zo sterk. De hartslag en ademhaling stegen veel minder dan bij de andere dieren.

Omgekeerd ontdekte Karsenty dat hij de vecht-­of-vluchtreactie kon opwekken door veel osteocalcine rechtstreeks in het bloed van de muizen te injecteren, ook als die in een rustige omgeving waren zonder gevaar.

Bothormoon dempt zenuwen

Karsenty’s proeven wijzen dus uit dat het bothormoon noodzakelijk is en volstaat om een angstreactie op te roepen.

Met andere woorden: niet adrenaline uit de bijnierschors maar osteocalcine uit de botten brengt het lichaam in staat van paraatheid als we tegenover een acute dreiging staan.

Met enkele andere experimenten wist Karsenty ook duidelijk te maken hoe het bothormoon de angstreactie opwekt.

Als osteocalcine via het bloed in contact komt met de neuronen in het parasympathisch zenuwstelsel, worden de zenuwen in slaap gesust en geven ze minder signalen af.

Het parasympathisch zenuwstelsel vormt met het sympathisch zenuwstelsel het autonome zenuwstelsel, dat de hersenen met alle organen verbindt en vitale onbewuste functies aanstuurt,
zoals de hartslag, de ademhaling, de spijsvertering en het urineren.

De twee onderdelen van het autonome zenuwstelsel hebben een tegenovergestelde werking. Het parasympathisch zenuwstelsel probeert het lichaam ontspannen te houden zodat je in alle rust kunt eten en het voedsel verteren.

Het sympathisch zenuwstelsel bereidt het lichaam juist voor op de vecht-of-vluchtreactie.

Als osteocalcine, zoals uit Karsenty’s proeven blijkt, de ontspannende signalen van het parasympathisch zenuwstelsel dempt, krijgt het sympathische deel de vrije hand om het lichaam in een staat van opperste paraatheid te brengen en het hart en de longen overuren te laten draaien.

Spieren krijgen extra brandstof

Uit eerdere onderzoeken is gebleken dat osteocalcine nog diverse andere functies heeft. Maar volgens Gerard Karsenty passen die allemaal in hetzelfde patroon: de kans vergroten dat mensen, muizen en andere dieren met een skelet kunnen overleven in een wereld vol gevaren.

In 2016 ontdekte Karsenty dat osteocalcine de spieren stimuleert, waardoor die meer glucose en vetzuren opnemen uit het bloed en de moleculen beter als brandstof kunnen gebruiken.

Toen hij gewone muizen en gemodificeerde muizen, die het hormoon niet konden vormen, op een loopband zette, bleek de extra energie een aanzienlijk effect te hebben op hun fysieke kunnen.

Het bot­hormoon gaf de muizen meer uithoudingsvermogen, waardoor ze 25 procent langer konden rennen voor ze uitgeput waren, en meer kracht, waardoor ze sneller renden.

De positieve werking van osteocalcine heeft zelfs een zelfversterkend effect, want door de fysieke activiteit gaan de botten nog meer van het hormoon uitscheiden.

Behalve de osteoclasten en osteoblasten, die op het oppervlak en in de holten van het botweefsel leven, bevatten de botten nog een type cellen: osteocyten.

Die zitten diep in het compacte botweefsel zelf, en een van hun belangrijkste taken is de activiteit van de andere twee celtypen te reguleren en zo de opbouw en de afbraak van de botten in balans te houden. Daarnaast houden de osteocyten in de gaten hoe het bot door fysieke activiteit wordt belast.

Als je bijvoorbeeld rent of je voeten hard neerzet, veroorzaakt dat een mechanische schok, die zich voortplant door de botten van benen en ruggengraat. En als je een zwaar voorwerp optilt, strekken en buigen de botten van je arm.

Al die mechanische invloeden worden geregistreerd door de osteocyten, die een geïntegreerd deel van het botweefsel zelf zijn en de osteoblasten laten weten dat deze meer osteocalcine moeten gaan produceren.

Zo zorgt het bothormoon niet alleen dat het lichaam bij gevaar in een alarmtoestand wordt gebracht, maar ook dat de spieren energie krijgen om te vechten of vluchten.

Gerard Karsenty gaat echter nog een stap verder en denkt dat een andere, eerdere ontdekking van hem het beeld van osteocalcine als onze primaire bescherming tegen gevaar compleet maakt: in 2013 concludeerde hij op basis van proeven bij muizen dat het hormoon ook invloed heeft op de hersenen.

Hormoontekort tast geheugen aan

Karsenty haalde gemodificeerde muizen die geen bothormoon konden vormen uit hun eigen omgeving en zette ze in een makkelijk te herkennen ruimte.

Daar kregen ze elke paar minuten een zwak stroomstootje door hun pootjes. Gewoonlijk leren muizen dan al snel om de omgeving te koppelen aan de onplezierige schokjes, en als ze een dag later weer in dezelfde ruimte worden neergezet, verstijven ze meteen.

De gemodificeerde muizen leerden die les echter lang niet zo goed en hadden als ze weer in de ruimte werden geplaatst veel minder de neiging om te ‘bevriezen’ dan andere muizen.

Bij een ander experiment werden het leervermogen en geheugen van de dieren getest in een zogeheten Morris-watertank.

Hierbij zwemmen de muizen door een tank en zoeken ze naar onder water verborgen platforms waarop ze kunnen rusten.

Door de proef te herhalen, testen onderzoekers hoe snel de muizen de locatie van de platforms leren onthouden en hoe doelgericht ze ernaartoe zwemmen.

Het experiment van Karsenty toonde aan dat normale muizen de locatie van de verborgen platforms snel leerden kennen en er vrijwel direct naartoe zwommen om vaste grond onder hun voeten te krijgen. Bij de gemodificeerde muizen was dat heel anders.

Zij waren niet in staat de locaties te leren of te onthouden. Hoe vaak ze het ook mochten proberen, de muizen bleven willekeurig rondzwemmen en ontdekten de platforms alleen bij toeval.

In combinatie met andere experimenten overtuigde dit resultaat Karsenty ervan dat de aanmaak van osteocalcine cruciaal is voor de natuurlijke ontwikkeling en het functioneren van de hersenen.

Een tekort aan dit hormoon belemmert het vermogen om nieuwe dingen te leren en te onthouden en vermindert op die manier het vermogen om gevaarlijke situaties te herkennen.

Toen de onderzoeker deze proeven in 2013 deed, was hij niet zo bezig met de invloed van de botten op de cognitieve functies, maar dat veranderde in 2019.

Door de ontdekking dat het bothormoon bepalend is voor de alarmtoestand van het lichaam, vielen opeens alle puzzelstukjes op hun plaats.

In zijn publicatie van de resultaten schreef hij dan ook: ‘Ik denk dat de botten zijn ontwikkeld als middel voor gewervelde dieren om aan gevaren te ontkomen.’

Karsenty’s theorie gaat uit van de klassieke functie van het skelet als een stevig raamwerk dat de organen achter de ribben beschermt en de spieren een houvast geeft, waardoor ze het lichaam kunnen bewegen.

Maar hij wijst ook op het gehoor, dat bij gewervelde dieren fungeert dankzij botjes in het binnenoor.

Het gehoor is een zintuig met allerlei praktische voordelen, maar gezien in evolutionair perspectief had het mogelijk oorspronkelijk het primaire doel roofdieren en andere gevaren op tijd te ontdekken.

Afvalstoffen vormden het skelet

Geobioloog Shuhai Xiao van Virginia Tech in de VS bestudeert al ruim tien jaar fossielen om de ontwikkelingsgeschiedenis van het skelet in kaart te brengen. Hij denkt dat het van oorsprong een manier was om giftige afvalstoffen kwijt te raken.

In plaats van calcium- en fosforverbindingen uit te scheiden, werden ze gemineraliseerd tot primitief botweefsel, dat in eerste instantie fungeerde als afvaldepot.

Maar circa 600 miljoen jaar geleden ontdekte de evolutie een manier om die depots te benutten. In die periode veranderden veel dieren hun eetgewoonten en werden ze roofdieren, waardoor er grote behoefte aan zelfbescherming ontstond.

Die opgave kon het botweefsel allereerst uitvoeren door een beschermend pantser te vormen, maar later ontwikkelden voorouders van de paling, conodonten, als een van de eerste diersoorten een wervelkolom, met behulp van het harde afvaldepot.

Met die wervelkolom konden ze door het water kronkelen en zo roofdieren ontvluchten, en dat was een geweldig nuttige eigenschap.

Tijdens de zogeheten cambrische explosie 543 miljoen jaar geleden ontstonden er heel veel nieuwe diergroepen en -soorten, waaronder de succesvolle gewervelden, die een benige wervelkolom hebben.

Mettertijd hebben de gewervelde dieren, waaronder de mens, de functie van het skelet verfijnd en osteocalcine ontwikkeld als een signaalstof die het lichaam niet alleen in staat van paraatheid brengt, maar nog meer functies heeft die ons in enigerlei mate helpen om gevaren te vermijden.

Zo stimuleert het hormoon ook de aanmaak van het mannelijk geslachtshormoon in de testikels, waardoor mannen grotere en sterkere spieren krijgen en beter in staat zijn om te vechten en te vluchten.

Tevens is al ruim tien jaar bekend dat osteocalcine een beslissende rol speelt bij de omzetting van glucose en vetzuren.

Dat doet het hormoon onder meer door de alvleesklier meer insuline te laten produceren en tevens veel lichaamscellen gevoeliger te maken voor insuline.

Zo stabiliseert osteocalcine de bloedsuikerspiegel en helpt het diabetes en obesitas tegen te gaan.

Hoewel het bothormoon de organen dus op allerlei manieren beïnvloedt, lijkt het verrassend genoeg geen effect te hebben op de botten zelf.

Alles wijst erop dat de botten en de osteocalcineproductie ervan allereerst bedoeld zijn om je lichaam klaar te maken voor actie als je op een late avond voetstappen achter je hoort.