Sollbruchstellen im Kollagen verhindern schwere Gewebeschäden

Kollagen ist das häufigste Protein im menschlichen Körper. Mit seiner dreifach geflochtenen und durch Querverbindungen stabilisierten Aminosäuren-Helix spielt es z. B. eine entscheidende Rolle für die strukturelle Integrität von Sehnen, Bändern, Knorpeln, Knochen und Haut. Auch bei der Genesung von Verletzungen spielt Kollagen eine wichtige Rolle, denn es unterstützt die Reparatur von Geweben. Eine Forschergruppe am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) hat nun im Detail untersucht, wie Gewebeschäden entstehen – und dabei eine weitere faszinierende Funktion von Kollagen entdeckt: Ähnlich wie eine Sicherung „opfern“ sich gewisse Verbindungen im Kollagen, um schwerere Schäden am umliegenden Gesamtgewebe zu verhindern (1).

Frühere Arbeiten der Forschergruppe hatten bereits gezeigt, dass bei mechanischer Überlastung von Sehnenkollagen durch homolytische Spaltung kovalenter Bindungen so genannte Mechanoradikale entstehen (man kennt diesen Effekt u. a. von Polymeren), welche oxidativen Zellstress verursachen. Diese primären Radikale, deren grundsätzliches Bestreben darin besteht, sich weiter auszubreiten und dabei weitere Schäden zu verursachen, werden im Kollagengewebe auf den Radikalenfänger Dihydroxyphenylalanin (DOPA) stabilisiert und unspezifische Reaktionen wie z. B. unkontrollierte Migration reduziert.

Neue Computersimulationen und experimentelle Versuche an organischen Geweben ergaben jetzt, dass jedes Kollagengerüst schwächere Sollbruchstellen („sacrificial bonds“) innerhalb der Querverstrebungen enthält, die bei mechanischer Überlastung schneller brechen als der Rest der Struktur. Der verbleibende „Opferarm“ kann durch Energiedissipation und anschließende Entspannung mechanisch die Zähigkeit des noch unverletzten Gewebes erhöhen. Zusammen mit der bereits bekannten Radikalenfänger-Mission der DOPAs werden die zerstörerischen chemischen und physikalischen Kräfte der Radikale lokalisiert, quasi abgeleitet und wirken einem frühen Beginn von makroskopischem Gewebeversagen entgegen. Andere Bindungen bleiben auf diese Weise intakt und schwerere Gewebeschäden werden vermieden. Die Autoren vermuten, dass auf diese Weise auch frühzeitig molekulare Erholungsprozesse angestoßen und gefördert werden.

Diese Erkenntnisse könnten dabei helfen, Strategien zur Erhaltung der Widerstandsfähigkeit von Gewebe besser zu verstehen und diese zu fördern, etwa im Rahmen von Gewebe-Neuzüchtung und Regenerationsmethoden.

■ Kura L

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