Faszination Achillessehne – Forscher entdecken dünne Proteinfasern

(idw) Die Achillessehne ist die stärkste Sehne des menschlichen Körpers und verbindet die wichtigsten Beugemuskeln des Unterschenkels mit dem dorsalen Teil des Fußskeletts. Bei jeder Bewegung wird sie enormen Kräften ausgesetzt und dennoch hält die Verbindung zwischen Fersenbein und Achillesehne. Tatsächlich reißt eher die Sehne, als dass sich die Verbindung zum Knochengewebe löst. Warum das so ist, hat ein interdisziplinäres Team aus Medizin, Biophysik, Biochemie und Ingenieurwissenschaften an der Technischen Universität München (TUM) erforscht.

Der Übergang von Sehne zu Knochen
„Obwohl in der Orthopädie tagtäglich Patientinnen und Patienten mit Sehnenverletzungen behandelt werden, wissen wir noch immer sehr wenig über den genauen feingeweblichen Aufbau am direkten Übergang von der Sehne zum Knochen: Die biochemischen Vorgänge, die Mikromechanik und die Mikrostruktur des Gewebes sind bisher kaum erforscht“, berichtet PD Dr. Rainer Burgkart, Oberarzt und Forschungsleiter am Lehrstuhl für Orthopädie und Sportorthopädie der TUM.

Übergang zwischen Sehne und Knochen
Fluoreszenz-Mikroskopbild des Übergangs von Sehne (links unten) zu Knochen (rechts oben). In der Mitte sind die feinen Fasern des Collagen-Typs 2 zu sehen

Zwischen Sehnen und Knochen entdeckten die Experten nun eine Gewebeschicht, die aus extrem dünnen Proteinfasern besteht und für eine sehr hohe Stabilität sorgt. „Dass die Sehnen direkt am Knochen ansetzen, das war bislang die Annahme. Tatsächlich gibt es jedoch einen Übergangsbereich. Hier spleißt sich das Sehnengewebe auf in Dutzende von feinen Fasern mit einer ganz charakteristischen biochemischen Zusammensetzung“, erklärt Prof. Andreas Bausch, Inhaber des Lehrstuhls für Zellbiophysik und Leiter der interdisziplinären Forschungsgruppe. „Die dünnen Fasern sind fest in der zerklüfteten Oberfläche des Knochens verankert und mechanisch äußerst belastbar.“

Leone Rossetti und Lara Kuntz von der TUM
Leone Rossetti und Lara Kuntz von der TUM am Fluoreszenz-Mikroskop bei der Analyse der Verbindung von Sehne und Knochen

Interdisziplinäres Denken
„Die Innovation der Arbeit liegt darin, dass wir verschiedene medizinische, physikalische und ingenieurwissenschaftliche Verfahren kombiniert haben“, sagt Bausch.

Proteinfasern werden sichtbar
Ein Stück Schweineknochen mit Sehne, in der Orthopädie sorgfältig präpariert, wurde am Lehrstuhl für Zellbiophysik in eine Apparatur eingespannt und fixiert. Dann richteten die Forscherinnen und Forscher das Mikroskop auf die Grenzschicht, entlang derer die Sehne mit dem Knochen verwachsen ist. Mit Hilfe der Multiskalen-Mikroskopie-Technik wurden Dutzende von Aufnahmen erstellt und digital zu einem großen Bild zusammengeführt. „Auf diese Weise konnten wir die Struktur der feinen, aufgespleißten Fasern sichtbar machen“, berichtet Bausch.
Im nächsten Schritt verwendete das Team fluoreszierende Antikörper, um bestimmte Proteine zum Leuchten zu bringen. Hier zeigte sich, dass die dünnen Fasern eine andere biochemische Zusammensetzung haben als die eigentliche Sehne. Im dritten Teil des Experiments bewegten sie die Sehne unter Belastung hin und her und filmten dabei die Fasern. Je nach Belastungsrichtungen sind unterschiedliche Fasern aktiv und stabilisieren den Kontakt. Ergänzt wurden die lichtmikroskopischen Untersuchungen durch besonders hochauflösende Bilder eines Elektronenmikroskops. Mitarbeiter des Lehrstuhls für Medizinische Biophysik setzten außerdem einen Mikro-Computertomographen ein, mit dem sich die Grenzregion dreidimensional darstellen ließ. Am Lehrstuhl für organische Chemie wurden die unterschiedlichen Proteine in Sehnen und Übergangsfasern analysiert.

Fazit
„Unsere Ergebnisse erlauben es erstmals, die biochemischen und biomechanischen Prozesse in der Kontaktzone zwischen Knochen und Sehne zu verstehen, die unserem Bewegungsapparat seine enorme Stabilität verleihen“, resümiert Bausch. Diese Struktur erlaubt es dem Menschen zu laufen, zu springen und andere Bewegungen auszuführen, ohne dass diese Verbindung Schaden nimmt.

Publikation:
L. Rossetti, L. A. Kuntz, E. Kunold, J. Schock, K. W. Müller, H. Grabmayr, J. Stolberg-Stolberg, F. Pfeiffer, S. A. Sieber, R. Burgkart and A. R. Bausch: The microstructure and micromechanics of the tendon–bone insertion, Nature Materials 27.02.2017 – DOI: 10.1038/NMAT4863

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Fotos: Lara Kuntz, Leone Rossetti/TUM und Andreas Heddergott/TUM