Die Verteilung des Bindegewebes im Menschen

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Die Verteilung des Bindegewebes im Menschen
Heiko Stark · Maximilian Fichtner · Martin S. Fischer
Einleitung
Eine Literatursuche mit dem Google Tool „Ngram Viewer“ lieferte für die Stichwörter
„Bindegewebe und Faszien“ für den Zeitraum von 1880 bis 1910 die meisten Einträge
(Michel et al. 2010). Nach den topografischen Beschreibungen kam es zur Erforschung
der zugrundeliegenden Proteine, wie dem Kollagen, Elastin und Titin (Abb. 1). Und erst
seit neuester Zeit ist es zudem möglich, die komplexen Zusammenhänge mittels
computergestützter Verfahren genauer zu simulieren und zu analysieren, was sich in
biomechanischen Theorien widerspiegelt (Mooney 1940, Rivlin 1970, Herakovich 1998,
Holzapfel 2007). Die zuvor erwähnten Ebenen (Topografie und Biochemie) sind dabei für
eine mathematische Beschreibung unerlässlich.
Unser Körper besteht zu einem nicht unerheblichen Anteil aus Wasser (60 bis 65%), was
gebunden (zum Beispiel durch die Hyaluronsäure) und in Form gehalten werden muss
(B10NUMB3R5 – Groß 1963). Dies wird teilweise durch abgeschlossene Räume realisiert,
welche zu einem nicht unerheblichen Anteil aus Bindegewebe mit seinem
Hauptbestandteil Kollagen (25 bis 35% der Proteinmasse im Körper) bestehen. Das
Kollagen kann aus verschiedenen molekularen Bestandteilen (60 Gene für
unterschiedliche Aminosäuresequenzen) und strukturellen Kompositionen (lockeres,
straffes, …) zusammengesetzt sein (Gelse et al. 2003, Voermans et al. 2008, Gordon &
Hahn 2010). Die kleinsten Räume sind dabei auf der Zellebene zu finden und
gewährleisten die Integrität der einzelnen Zellen. Darüber hinaus bildet das kollagene
Bindegewebe spezielle Strukturen für die Organe (Muskeln, Gehirn, Verdauungstrakt, …)
und verbindet sie. Die Haut schließlich trennt uns von unserer Umwelt. Im Schwerefeld
sind zudem weitere Strukturen für die Stabilität notwendig, wie das mineralisierte
Bindegewebe (Knochen). Die Knochen sind dabei hauptsächlich für Kompressionen
ausgelegt, also dem Druck standzuhalten, wobei sie aber auch Zugkräften widerstehen
können. Dagegen ist das kollagene Bindegewebe mehr auf die Zugspannung ausgelegt
und weniger auf Druckkräfte, mit Ausnahme der Bandscheiben. Die Hauptaufgabe des
Bindegewebes ist es somit, einzelne Zellen, Organe und Körperteile zusammenzuhalten.
Warum interessiert uns das kollagene Bindegewebe speziell? An vorangegangen
Rekonstruktion der Muskulatur sind immer wieder Lücken zwischen den einzelnen
Muskelfaszikeln zu erkennen (Hesse et al. 2017, Nyakatura & Stark 2015, Stark et
al. 2013, Stark et al. 2011). Im Körper gibt es jedoch keine Lücken, sondern sie sind, wie
oben erwähnt, mit Bindegewebe oder Flüssigkeiten ausgefüllt. Die Kenntnis über die
Verteilung und die Zusammensetzung ist dabei entscheidend für die Berechnung von
Simulationen. Erst dadurch lassen sich Kräfteübertragungen, auch zum Beispiel zwischen
den Muskeln, korrekt abbilden. Aktuelle Modelle nehmen hier noch eine Gleichverteilung
des Bindegewebes im Körper an, was aber schon einfache anatomische Zeichnungen
widerlegen.
Material & Methode
Auf der makroskopischen Ebene nutzen wir den vorhandenen Datensatz eines
männlichen Körperspenders (38 Jahre) des Visible Human Project® (VHP) unter
Verwendung von digitaler Bildverarbeitung, um die kollagenhaltigen Strukturen zu
selektieren und zu rekonstruieren. Der Datensatz bestand aus Farbaufnahmen von
Cryoschnitten mit einer Auflösung von <0,144;0,144;1> mm (Spitzer et al. 1996, Spitzer &
Whitlock 1998). Mit einer spezifischen Einfärbung des Bindegewebes konnten wir dieses
kontrastieren und selektieren (Stark et al. 2017). Basierend darauf konnten wir in einem

ersten Schritt ein topografisches Modell erstellen und weiter auswerten (Abb. 2a & b). Uns
interessierte hierbei die Verteilung, Dicke und Ausrichtung des Bindegewebes an den
verschiedenen Stellen im Körper. Für die Dichte- und Dickenmessung nutzten wir das freie
Tool imageXd (Heiko Stark, Jena, Germany, URL: https://starkrats.de). Mit ihm konnte
quantitativ die Verteilung des Bindegewebes im Körper bestimmt werden. Für die
Bestimmung der Faserausrichtung nutzten wir hingegen eine neue Technik. Diese wurde
eigentlich für eine muskuläre Fragestellung entwickelt, jedoch ist sie generell auf alle
faserigen Strukturen anwendbar (Kupczik et al. 2015, Dickinson et al. 2018). Diese
Methode soll unter Verwendung von ImageXd, auch mit dem schon von uns erstelltem
Modell angewendet werden.
Auf mikroskopischer Ebene wollen wir mit immunhistochemischer Anfärbung von
Schnittserien die Kollagenverteilung von biomechanisch interessanten Strukturen
untersuchen. Dazu stehen uns Daten von einer vorangegangenen
Wirbelkörperstabilisierungsstudie zu Verfügung (Stark et al. 2016). Diese war eigentlich
angelegt, die Veränderungen in der Muskulatur zu charakterisieren. Uns ist aber zusätzlich
aufgefallen, dass der Bindegewebeanteil in der Nähe der Verschraubungen sehr hoch war,
sodass wir jetzt nochmal genauer schauen wollten, welche Kollagentypen dort
vorkommen.
Nanoskopisch haben wir die Empfindlichkeit der verschiedenen kollagenen Proteine auf
chemische Modifikationen (Oxydation, Carboxylation, ...) untersucht. Die verschiedenen
Kollagene sind aus unterschiedlichen Aminosäuren aufgebaut und die unterschiedlichen
Aminosäuren zeigen eine unterschiedliche Stabilität hinsichtlich der Modifikationen
(Fichtner et al. in prep.). Durch die unterschiedliche Gewichtung der Aminosäuren ist es
uns möglich die Proteine hinsichtlich ihrer typischen unterschiedlichen Anfälligkeit zu
sortieren.
Ergebnisse
In der Rekonstruktion der kollagenen Bindegewebestrukturen sind die größeren
strukturellen Verbindungen und die feinen Verästelungen zu sehen (Abb. 2a). Somit lassen
sich die Zusammenhänge auch organübergreifend darstellen und auswerten (Abb. 2b).
Insbesondere lassen sich die faszialen Ketten untersuchen. Die Verteilung der
Bindegewebestrukturen sollen dann in einem zweiten Schritt in ein biomechanisches
Modell überführt werden.
Für die gemessenen Dicken ist es nicht verwunderlich, dass an den Gelenken die
höchsten Werte gefunden wurden (Abb. 3b). Hier müssen die Gelenke gehalten und
geführt werden. Zudem fallen auch die hohen Werte am Thorax auf (Abb. 3a). Dazu muss
man sich nur vor Augen führen, dass er als zentraler Punkt für die Kraftübertragung
zwischen den Armen und Beinen sowie untereinander eine wichtige Rolle spielt. Des
Weiteren sind hier viele wichtige Organe verankert und müssen stabil gehalten werden.
Die grafische Darstellung der Empfindlichkeit der Kollagentypen ergab eine Gruppierung
der Kollagene nach strukturellen Besonderheiten (Abb. 4). Vor allem fällt auf, dass der
Wert für die Mehrzahl der Kollagene unter einem aus zufälligen Aminosäuren
zusammengesetzten Protein lag. Das heißt, sie sind dahingehend optimiert weniger
anfällig gegenüber Modifikationen zu sein. Der Kollagen Typ I ist dabei der häufigste
Kollagentyp im Körper und er hat hierbei den niedrigsten Wert in dem Ranking der
Modifikationsempfindlichkeit, er ist also der stabilste Kollagentyp.
Diskussion
Wir haben uns dem Bindegewebe und speziell dem Kollagen auf makro-, mikro- und
nanoskopischer Ebene genähert. Auf makroskopischer Ebene interessierte uns die
Verteilung der kollagenhaltigen Strukturen. Noch ist aber einiges an Forschung notwendig,
die vorhandenen Daten in ein biomechanisches Modell zu überführen. Dies betrifft
insbesondere die Helligkeitsartefakte in der Schnittserie und die Ausrichtungsartefakte.
Mikroskopisch sind wir aktuell noch auf der Suche nach neuen Proben, um die
Kollagentypenverteilung genauer untersuchen zu können. Und auf nanoskopischer Ebene

gingen wir der Frage nach, warum es so viele Genvarianten des Kollagens gibt, welche
Auswirkungen sie auf die Biomechanik haben und welchen zeitlichen Veränderungen
(Alterung) sie unterliegen. Bei den tiefen Faszien ist zum Beispiel bekannt, dass der
unempfindlichste Kollagentyp (Typ I) seinen höchsten Anteil im Epimysium hat
(Stecco 2014). Für die anderen Bereiche gibt es hingegen sehr unterschiedliche
Zusammensetzungen, somit sind hier unterschiedliche Alterungseffekte zu erwarten. Dies
hat insbesondere auf mögliche Therapien einen Einfluss, da je nach Erreichbarkeit der
Strukturen unterschiedliche Effekte zu erwarten sind (Peter 1981, Kolster 2003,
Brenke 2012). Für die nanoskopische Ebene fehlen uns aber noch die biomechanische
Interpretation und die Berücksichtigung der 3D Strukturen der Proteine. Für uns ist
besonders die Biomechanik auf allen drei Ebenen von Interesse, da sie durch die
anisotropen hyperelastischen Materialeigenschaften des Kollagens bestimmt werden,
welche letztendlich auf den eingangs erwähnten Ebenen modifiziert werden.
Danksagung
Wir danken der U.S. National Library of Medicine für die Bereitstellung der Daten des
Visible Human Project®. Wir danken außerdem Prof. Stefan Schuster, Julian Sartori, Irina
Mischewski und der KIP.Faszien Research Group für die stimulierenden Diskussionen.

Literatur
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Abbildungen
Abbildung 1: Darstellung der Suchergebnisse des Google Tools „Ngram Viewer“
für die digitalisierten Bücher in dem jeweiligen Zeitraum mit den Stichwörtern
(fascia, connective tissue, collagen, elastin, titin, actin und myosin).
Abbildung 2: a) Übersicht dreier eingefärbter Schnitte (auf Höhe Th5, L1 und S1)
des Visible Human Project. Grau: Haut und mineralisierte Strukturen. Hellrot:
Fettgewebe. Dunkelrot: Fettassoziiertes kollagenes Bindegewebe. Grün:
Muskulatur, weitere Organe. Blau: Organassoziiertes kollagenes Bindegewebe. b)
Mediale Frontalschnittübersicht der Rekonstruktion der kollagenen
Bindegewebsstrukturen.
Abbildung 3: a) Dorsoventrale Ansicht der Dickenmessung. Je heller der
dargestellte Wert ist, umso dicker waren die gemessenen Strukturen. b) Laterale
Ansicht der Dickenmessung. c) Laterale Detailansicht der Dickenmessung in der
Knieregion.
Abbildung 4: Übersicht der Häufigkeiten der Proteinmodifikationen für alle
untersuchten Proteine (rot) und einigen Kollagentypen (orange). Zusätzlich ist ein
aus zufälligen Aminosäuren bestehendes Protein (schwarz) dargestellt.

Autoren
Dr. rer. nat. Heiko Stark1
Maximilian Fichtner2
Prof. Dr. rer. nat. habil. Martin S. Fischer1
1Lehrstuhl für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie
Institut für Zoologie und Evolutionsforschung
Friedrich-Schiller-Universität Jena
2Lehrstuhl für Bioinformatik
Matthias-Schleiden-Institut für Genetik, Bioinformatik und Molekulare Botanik
Friedrich-Schiller-Universität Jena