Extrazelluläre Matrix: Zellen und Makromoleküle im Überblick

Die Extrazelluläre Matrix (ECM): Eine Einführung

Die extrazelluläre Matrix (ECM) ist ein komplexes Netzwerk von Makromolekülen, die als „Zement“ zwischen den biologischen Zellen fungieren. Sie ist Bestandteil hochspezialisierter Strukturen wie Knorpel, Sehnen und Knochen. Neben dieser Stützfunktion regelt die ECM das Verhalten der Zellen, die mit ihr in Kontakt stehen, da sie Differenzierung, Entwicklung, Migration und Form beeinflusst. Die ECM wird von spezialisierten Zellen des Bindegewebes produziert.

Stützgewebe und ECM-produzierende Zellen

Stützgewebe: Dieses besteht weitgehend aus der ECM und den darin eingebetteten Zellen. ECM-produzierende Zellen: Diese leiten sich vor allem aus dem Mesoderm ab, einige auch aus dem Ektoderm. Sie teilen strukturelle Merkmale und besitzen Zelladhäsionsmechanismen, um mit den ECM-Materialien zu interagieren. Sie bilden feste Zellpopulationen im Stützgewebe, in dem die ECM die vorherrschende Komponente ist.

1. Mesenchymale Zellen

Morphologisch sind dies sternförmige Zellen mit langen, dünnen Fortsätzen, die untereinander Kontakt halten und ein Zytoretikulum bilden. Sie befinden sich im embryonalen Mesenchym. Im Erwachsenen existieren noch einige multipotente mesenchymale Stammzellen, vor allem in der Nachbarschaft von Blutgefäßen (Adventitiazellen). Sie weisen einen hohen Mitoseindex und die Fähigkeit zur Multipotenz bei der Differenzierung auf.

2. Fibroblasten

Dies sind die häufigsten gewebespezifischen Zellen, die für die Synthese der ECM verantwortlich sind. Wenn sie ausdifferenziert sind und die Produktion einstellen, werden sie als Fibrozyten bezeichnet. Strukturell zeigen sie eine sternförmige Morphologie in Kultur und eine spindelförmige Form im Gewebe. Der Kern ist groß, das Zytoplasma zeigt eine PAS-positive Sekretion. Sie sind in der Lage, sich aktiv an der Gewebereparatur zu beteiligen und können in Histiozyten, Fettzellen oder glatte Muskelzellen umgewandelt werden.

• Myofibroblasten: Sie teilen Merkmale mit Fibroblasten und glatten Muskelzellen und kommen in Nebennieren, Hoden und Samenleitern vor.
• Perizyten: Diese befinden sich in den Wänden von Venolen und Kapillaren und sind an der Bildung der Basalmembran beteiligt.

3. Chordoblasten und Chordozyten

Dies sind Zellen des chordoiden Gewebes. Wenn sie aufhören, aktiv ECM zu synthetisieren, werden sie Chordozyten genannt. Ihr Ursprung ist ektodermal. Strukturell ähneln sie Epithelzellen mit nur wenig Interzellularsubstanz zwischen ihnen.

4. Chondroblasten und Chondrozyten

Dies sind knorpeleigene Zellen. Chondroblasten produzieren die spezifische, solide und nicht mineralisierte ECM. Sobald sie die Synthese einstellen, werden sie als Chondrozyten bezeichnet. Chondroblasten haben eine runde oder ovale Morphologie mit einem zentralen Kern. Chondrozyten liegen in sogenannten Chondroplasten innerhalb der ECM. Isogene Gruppen entstehen durch die Teilung eines einzelnen Chondroblasten.

5. Osteoblasten und Osteozyten

Dies sind die ECM-produzierenden Zellen im Knochengewebe. Das neu gebildete Material, das Osteoid, wird durch die Ablagerung von Calcium-Phosphat-Salzen schnell in Knochen umgewandelt. Osteoblasten haben ein epitheliales Aussehen und eine hohe Stoffwechselaktivität. Osteozyten sind reife Zellen mit feinen Zytoplasmafortsätzen, einem ovalen Kern und lysosomenreichem Zytoplasma. Sie sind wichtig für die Osteolyse und die Regulation des Calcium-Phosphat-Haushalts.

6. ECM-produzierende Zellen im Zahngewebe

• Ameloblasten: Verantwortlich für den Zahnschmelz (ektodermal).
• Odontoblasten: Verantwortlich für das Dentin (mesodermal).
• Zementoblasten: Verantwortlich für den Zement (mesodermal).

Makromoleküle der extrazellulären Matrix

1. Kollagen

Die Aminosäure-Zusammensetzung von Kollagen ist einzigartig, insbesondere durch das Vorkommen von Glycin, Prolin und Hydroxyprolin. Kollagenmoleküle bestehen aus Tropokollagen-Untereinheiten in einer Triple-Helix-Struktur.

• Typ I: In tiefer Dermis, Sehnen und Knochen; bildet sehr zugfeste Fasern.
• Typ II: Im Knorpel vorhanden; bildet Fasern.
• Typ III: In fetaler Haut; bildet retikuläre Fasern.
• Typ IV: In der Basallamina; bildet Maschenwerke.
• Typ V: In geringen Mengen diffus im Gewebe verteilt; bildet dünne Fasern.
• Typ VI: Bildet dünne Fibrillen.
• Typ VII: Kurze Fibrillen, die in der Basallamina der Haut verankert sind.

Die Kollagenogenese beginnt in den Zellen, während die Polymerisation zu Fibrillen extrazellulär erfolgt. Kollagenfasern sind weiß, wellig und besitzen eine hohe Zugfestigkeit. Retikulumfasern bestehen aus Kollagen-Mikrofibrillen, die mit Kohlenhydraten und Fetten überzogen sind, was die Bildung dickerer Bündel verhindert. Sie bilden Netzwerke in Leber, Knochenmark und lymphatischen Organen.

2. Fibrillin

Ein Glykoprotein, das Mikrofibrillen bildet und die Hauptkomponente der extrazellulären Mikrofibrillen darstellt. Es ist mit Elastin assoziiert und an der Organisation elastischer Fasern beteiligt, beispielsweise im Mesangium der Nierenglomeruli.

3. Elastin

Ein unlösliches Protein, dessen strukturelle Einheit das Tropoelastin ist. Es besteht aus Cystein, Prolin und Glycin. Durch Quervernetzungen (Desmosin und Isodesmosin) entsteht die charakteristische Elastizität. Elastische Fasern entstehen durch die Interaktion von Elastin und Fibrillin. Im Lichtmikroskop erscheinen sie oft homogen und elektronendicht.

4. Fibronectin

Ein faserbildendes Glykoprotein aus zwei Ketten, die durch Disulfidbrücken verbunden sind. Es spielt eine zentrale Rolle bei der Zelladhäsion und Zellmigration während der Embryonalentwicklung. Es besitzt Rezeptoren aus der Gruppe der Integrine und ist an der Orientierung der Kollagenfasern beteiligt.