Achillessehne: Der Stabilität auf den Fersen

3. März 2017
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Wieso hält unsere Achillessehne so viel aus? Untersuchungen zeigten, dass mehr als Sehnen und Knochen dahinter stecken: Eine Gewebeschicht dazwischen sorgt für besonders hohe Stabilität. Ein möglicher Ansatz für die Materialforschung?

Rund 8.000 Risse der Achillessehne müssen in Deutschland jedes Jahr behandelt werden, obwohl sie die stärkste Sehne des menschlichen Körpers ist. Sie verbindet Fersenbein und Wadenmuskel und hält das Zehnfache des eigenen Körpergewichts aus.

„Obwohl in der Orthopädie tagtäglich 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 Dr. Rainer Burgkart, Forschungsleiter am Lehrstuhl für Orthopädie und Sportorthopädie der Technischen Universität München (TUM).

Dünne Fasern, perfekter Halt

Zusammen mit einem interdisziplinären Team aus Biochemie und Biophysik hat Burgkart die Achillessehne näher untersucht. Zwischen Sehnen und Knochen entdeckten die Experten eine Gewebeschicht, die aus extrem dünnen Proteinfasern besteht und für eine sehr hohe Stabilität sorgt. Sie ermöglicht Menschen, 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.

„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. Bausch, Leiter der interdisziplinären Forschungsgruppe. „Die dünnen Fasern sind fest in der zerklüfteten Oberfläche des Knochens verankert und mechanisch äußerst belastbar.“

Richtungsweisende Erkenntnisse

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

Anwendung in Materialforschung und Medizin 

Ergänzt wurden die lichtmikroskopischen Untersuchungen durch besonders hochauflösende Bilder eines Elektronenmikroskops. Biophysiker 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 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. In der Orthopädie sollen die Erkenntnisse künftig genutzt werden, um in der Tumorchirurgie Sehnen an Implantate zu refixieren.

Originalpublikation:

The microstructure and micromechanics of the tendon–bone insertion
L. Rossetti et al.; Nature Materials, doi: 10.1038/nmat4863; 2017

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