Mikromechanik und Mikrostruktur: Dem Geheimnis der Achilles-Ferse auf der Spur

Gehen, lau­fen, ren­nen – jede Bewe­gung des Fußes zerrt an der Achil­les-Seh­ne. Bei Sprün­gen kann die Belas­tung das Zehn­fa­che des Kör­per­ge­wichts betra­gen. Erstaun­li­cher­wei­se hält die Ver­bin­dung zwi­schen Fer­sen­bein und Achil­les­seh­ne die­sen enor­men Kräf­ten stand.

Rund 8000 Ris­se der Achil­les­seh­ne müs­sen in Deutsch­land jedes Jahr behan­delt wer­den. Und das, obwohl sie die stärks­te Seh­ne des mensch­li­chen Kör­pers ist. Sie ver­bin­det Fer­sen­bein und Waden­mus­kel und hält bis zum Zehn­fa­chen des Kör­per­ge­wichts aus. Benannt ist sie nach dem – fast – unver­letz­ba­ren grie­chi­schen Hel­den Achil­leus, dem ein Pfeil­schuss in die Fer­se zum Ver­häng­nis wur­de.

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 Pri­vat­do­zent Dr. Rai­ner Burg­kart, Ober­arzt und For­schungs­lei­ter am Lehr­stuhl für Ortho­pä­die und Sport­or­tho­pä­die der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen (TUM).

Zusam­men mit einem inter­dis­zi­pli­nä­ren Team aus Bio­che­mie und Bio­phy­sik der TUM hat der Medi­zi­ner jetzt im Rah­men des neu­ge­grün­de­ten Cen­ter for func­tio­nal Pro­te­in Assem­blies (CPA) und der Munich School of Bio­en­gi­nee­ring (MSB) das Geheim­nis der Achil­les­seh­ne ent­schlüs­selt: Zwi­schen Seh­nen und Kno­chen ent­deck­ten die Exper­ten eine Gewe­be­schicht, die aus extrem dün­nen Pro­te­in­fa­sern besteht und für eine extrem hohe Sta­bi­li­tät sorgt.

Men­schen sind daher in der Lage, über Hür­den zu sprin­gen, hohe Sprün­ge und har­te Lan­dun­gen zu machen, ohne dass die Ver­bin­dung zwi­schen Seh­ne und Fer­sen­bein Scha­den nimmt. Tat­säch­lich reißt eher die Seh­ne, als dass sich die Ver­bin­dung zum Kno­chen­ge­we­be löst.

Bis­her dach­te man, dass die Seh­nen direkt am Kno­chen anset­zen. Tat­säch­lich gibt es jedoch einen Über­gangs­be­reich. Hier spleißt sich das Seh­nen-Gewe­be 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

Ent­deckt wur­den die fei­nen Fasern durch einen neu­en, inter­dis­zi­pli­nä­ren For­schungs­an­satz: „Die eigent­li­che Inno­va­ti­on der Arbeit liegt dar­in, dass wir ver­schie­de­ne medi­zi­ni­sche, phy­si­ka­li­sche und inge­nieur­wis­sen­schaft­li­che Ver­fah­ren kom­bi­niert haben“, so Bausch.

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. Das Ergeb­nis: 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.

Unse­re Ergeb­nis­se erlau­ben es jetzt erst­mals, die bio­che­mi­schen und bio­me­cha­ni­schen Pro­zes­se in der Kon­takt­zo­ne zwi­schen Kno­chen und Seh­ne zu ver­ste­hen, die unse­rem Bewe­gungs­ap­pa­rat sei­ne enor­me Sta­bi­li­tät ver­lei­hen“, resü­miert Bausch.

Mög­li­che Anwen­dun­gen erge­ben sich sowohl in der Mate­ri­al­for­schung als auch in der Medi­zin: Inge­nieur­tech­nisch könn­ten inno­va­ti­ve Ver­bin­dun­gen zwi­schen fes­ten und wei­chen Stof­fen her­ge­stellt wer­den. Und in der Ortho­pä­die sol­len die Erkennt­nis­se genutzt wer­den, um künf­tig in der Tumor­chir­ur­gie Seh­nen an Implan­ta­te zu refi­xie­ren.

Die Arbeit ent­stand in einem Pro­jekt der aus Mit­teln der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) im Rah­men der Exzel­lenz­in­itia­ti­ve geför­der­ten Inter­na­tio­nal Gra­dua­te School of Sci­ence and Engi­nee­ring (IGSSE) und wur­de vom Exzel­lenz­clus­ter Nano­sys­tems Initia­ti­ve Munich (NIM) unter­stützt.

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