Wie passen sich Sehnen eigentlich an Belastung an?

Anpassung der Sehnen

Sehnen, die Zugkräfte zwischen Muskeln und Knochen übertragen, fungieren als mechanische Federn, indem sie elastische Dehnungsenergie speichern und wieder abgeben, um so die mechanische Effizienz des Bewegungssystems zu optimieren (1).

Innerhalb der hierarchisch angeordneten Mikrostruktur der Sehne erfahren die zwischen den Kollagenfasern befindlichen Zellen eine Scherbelastung (s. Abb. b), wenn die Fasern belastungsbedingt aneinander vorbeigleiten (2,3). Die Sehnenzellen nehmen diese mechanischen Reize wahr und reagieren darauf, indem sie infolge einer mechanischen Belastung biologische Veränderungen herbeiführen und so die Eigenschaften des gesamten Gewebes modulieren (4-6, s. Abb. c).

Die spezifischen Wege, über die mechanische Signale in der Sehne von den Tenozyten erkannt und in chemische Signale umgesetzt werden, die dann in der Folge eine biologische Reaktion auslösen, waren bis dato unbekannt.

Passini und Kollegen (10) zeigen nun in der Zeitschrift „Nature Biomedical Engineering“, dass in Sehnenzellen der mechanosensitive Ionenkanal PIEZO1 (der als Reaktion auf mechanische Belastung Konformationsänderungen erfährt und in einer Vielzahl von Geweben eine wichtige mechanobiologische Rolle spielt (7-9, s. Abb. d) für die mechanisch induzierte Kalzium-Signalgebung verantwortlich ist (10, s. Abb. e).

Die Forscher gehen dabei von  einen Rückkopplungsmechanismus aus, durch den die Sehnenleistung (s. Abb. h) infolge einer besseren Kollagenvernetzung (Querbrückenbildung mit Zunahme der Sehnen-Stiffness, s. Abb. f und g) als Reaktion auf die PIEZO1-Signalisierung (s. Abb. d) verbessert wird.

Literaturangaben

Primärquelle: Eekhoff et al. (2021) Shear mechanosensing drives tendon adaptation.

1. Ker, R. F., Bennet, M. B., Bibby, S. R., Kester, R. C. & Alexander, R. McN. Nature 325, 147–149 (1987).
2.  Arnockzy, S. P., Lavagnino, M., Whallon, J. H. & Hoonjan, A. J. Orthop. Res. 20, 29–35 (2002).
3.  Szczesny, S. E. & Elliott, D. M. Acta Biomater. 10, 2582–2590 (2014).
4. Garvin, J., Qi, J., Maloney, M. & Banes, A. J. Tissue Eng. 9, 967–979 (2003).
5.  Lavagnino, M., Arnockzy, S. P., Tian, T. & Vaupel, Z. Connect. Tissue Res. 44, 181–187 (2003).
6.  Wall, M. & Banes, A. J. Musculoskelet. Neuronal Interact. 5, 70–84 (2005).
7.  Coste, B. et al. Science 330, 55–60 (2010).
8.  Ranade, S. S. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, 10347–10352 (2014).
9. Lin, Y.-C. et al. Nature 573, 230–234 (2019).
10.  Passini, F. S. et al. Nat. Biomed. Eng. https://doi.org/10.1038/ s41551-021-00716-x (2021)
11. Eekhoff, J.D., Iannucci, L.E. & Lake, S.P. Shear mechanosensing drives tendon adaptation. Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00724-x