Bindegewebe I. Dr. Christine Wild-Bode Lehrstuhl Zellbiologie (Anatomie III)

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1 Bindegewebe I Dr. Christine Wild-Bode Lehrstuhl Zellbiologie (Anatomie III) Studentenversion ohne Bilder Bilder waren aus Welsch & Lüllmann-Rauch & Kurspräparate

2 Gliederung Was ist Bindegewebe Entwicklung Aufbau von Bindegewebe I: die Zellen Aufbau von Bindegewebe II: die Extrazellulärmatrix (EZM) EZM I: die Fasern EZM II: die Grundsubstanz Zell-Matrix Interaktion: die Basalmembran Verschiedene Formen des Bindegewebes

3 Was ist Bindegewebe? Eins der vier Grundgewebearten: Epithel, Bindegewebe, Muskel, Nervengewebe Sehr viele scheinbar sehr unterschiedliche Gewebe gehören dazu z.b. Fettgewebe, Knorpelgewebe, Knochengewebe Gemeinsames Merkmal: großer Raum zwischen den Zellen Interstitieller Raum gefüllt mit Extrazellulär-Matrix (EZM) EZM = Grundsubstanz + Fasern EZM bestimmt Eigenschaften des Gewebes

4 Entwicklung Alle Bindegewebe entwickeln sich aus dem embryonalen Bindegewebe = Mesenchym Mesenchym im mittleren Keimblatt des frühen Embryo = Mesoderm Mesenchymale Zellen können sich zu allen Bindegewebszellen differenzieren, aber auch noch zu anderen wie z.b. Muskelzellen Auch postnatal gibt es noch mesenchymale Stammzellen

5 Aufbau von Bindegewebe I: die Zellen Ortsständige Zellen Fibroblast (blast=bildet Fasern) Bildet Bestandteile der EZM: Fasern + Grundsubstanz Überwacht Abbau Gestreckter Zellleib, lange Ausläufer Spindel/zigarrenförmiger Zellkern Freie Zellen (Abwehr) Granulozyten Lymphozyten Plasmazellen (aus B-Lymphozyten) Makrophagen Mastzellen Je nach Gewebe & Pathologie Meist nur mit Spezialfärbungen sichtbar

6 Aufbau von Bindegewebe II: Extrazellulärmatrix Die Extrazellulär-Matrix (EZM) besteht aus Grundsubstanz + Fasern Fasern: 1. Kollagenfasern 2. retikuläre Fasern 3. elastische Fasern Grundsubstanz: 1. Glykosaminoglykanen (lange Zuckerketten) 2. Proteoglykane (lange Zuckerketten an Proteinkern) 3. Glykoproteine (Proteine mit kurzen Zuckerketten)

8 Kollagen Mehr als 28 Subtypen von Kollagen die wichtigsten im Überblick Typ I: häufigster Kollagentyp; kommt in Haut, Ligamenten, Sehnen, Knochen, Dentin, Kornea, Faszien, Anulus fibrosus der Zwischenwirbelscheiben, der Dura mater, im Organstroma der meisten Organe, in Gummibärchen etc. vor. Typ II: Knorpel und Nucleus bulbosus der Zwischenwirbelscheibe, Glaskörper. Typ III: typisch für retikuläre Fasern, in lymphatischen Organen, im Disse- Raum, im Randsinus eines Lymphknotens, in der Lamina fibroretikularis Typ IV: Basallamina

9 Extrazellulärmatrix: die Fasern - 1. Kollagenfasern Merke: Faser=lichtmikroskopisch sichtbar, Fibrille=im EM sichtbar Kollagenfaser 2-20µm H.E. blassrot, Goldner = grün, Azan/Masson Trichrom = blau sieht wie Haarsträhne aus zugfest (Stahlseil) Wellige Fasern = Dehnungsreserve Sind in Richtung der Zugspannung ausgerichtet

10 Kollagenfaser: Aufbau aus Kollagenfibrillen 1 Kollagenfaser (2-20µm) * besteht aus vielen Kollagenfibrillen (15-130nm) 1 Kollagenfibrille besteht aus vielen parallelen quervernetzten stabförmigen Kollagenmolekülen (Zusammenbau extrazellulär) Regelmäßige Anordnung der Kollagenmoleküle = Querstreifung der Fibrille im Elektronenmikroskop (EM) nicht verwechseln Querstreifung im EM = Kollagen Querstreifung im LM = Muskelfaser

11 Kollagenfibrille: Aufbau aus Kollagenmolekülen 1 Kollagenmolekül besteht aus 3 Peptidketten (a-helices) die eine Tripelhelix (Superhelix) bilden (Zusammenbau intrazellulär) 1 Peptidkette besteht aus 1000 Aminosäuren die selber auch eine a- Helix bilden Jede 3. Aminosäure ist Glycin (G) viel Prolin (Aminosäure), das mit Hilfe von Vit. C hydroxyliert wird wichtig für Stabilität Klinik: instabile Kollagenketten bei Vitamin-C-Mangel = Skorbut

13 Extrazellulärmatrix: die Fasern 2. retikuläre Fasern Durchmesser < 1µm (Kollagenfaser 2-20µm) bestehen aber wie Kollagenfasern aus Kollagenfibrillen Dünne Bündel von dünnen Kollagenfibrillen (Kollagen Typ III) Sind zu Netzen angeordnet (reticulum = Netzchen) Nur mit Spezialfärbung sichtbar Silberimprägn. / PAS Vorkommen: a) Als flächiges Netz Basalmembran um z.b. Epithel, Fettzellen b) Als räumliches Netz retikuläres Bindegewebe z.b. Lymphknoten

15 Extrazellulärmatrix: die Fasern 3. elastische Fasern Durchmesser 2µm (Kollagenfasern 2-20µm, retikuläre Fasern <1µm) Bestehen NICHT aus Kollagenfibrillen 2 ultrastrukturelle (nur im EM sichtbare) Komponenten: Fibrillin-Mikrofibrillen und Elastin Sind verzweigt können Netze bilden Spezialfärbungen: Resorcin-Fuchsin/Orcein braunviolett, grauviolett Zugelastisch, reversibel dehnbar Verantwortlich für elastische Rückstellkraft in z.b. Lunge, herznahen Arterien Meist zusammen mit Kollagenfasern

16 Elastische Fasern im Elektronenmikroskop (EM) Klinik: Mutationen im Fibrillin-Gen führen zu Marfan-Syndrom: überstreckbare Gelenken, Spinnenfinger, Aortenaneurysma etc. Teufelsgeiger Paganini, Michael Phelps Reife elastische Fasern: Amorphe Masse Elastin Mantel fibrillinreicher Mikrofibrillen Mikrofibrillen dienen bei Neubildung als Schablone (wie Stahlstangen bei Stahlbeton) Elastische Fasern werden später kaum noch neugebildet Elastizitätsverlust im Alter Falten, Lungenemphysem, steife Aorta

17 Aufbau von Bindegewebe II: Extrazellulärmatrix Die Extrazellulärmatrix (EZM) besteht aus Grundsubstanz + Fasern Fasern: 1. Kollagenfasern 2. retikuläre Fasern 3. elastische Fasern Grundsubstanz: 1. Glykosaminoglykanen (lange Zuckerketten) 2. Proteoglykane (lange Zuckerketten an Proteinkern) 3. Glykoproteine (Proteine mit kurzen Zuckerketten)

18 Extrazellulärmatrix: die Grundsubstanz 1. Glykosaminoglykane (GAG) früher Mucopolysaccharide lange Zuckerketten aus Disacchariden Viele negative Ladungen (polyanionisch) Sperrige Moleküle binden viel Wasser Hyaluronan (Hyaluronsäure) größtes GAG bildet visköses Gel Funktion: - Wasserspeicher - Aufrechterhaltung des Turgors z.b. in Haut - Schmiermittel im Gelenk

20 Extrazellulärmatrix: die Grundsubstanz 2. Proteoglykane (PG) Lange Zuckerketten (GAG) an Proteinkern z.b. Aggrecan = Proteoglykan des Knorpels mit > 100 Zuckerketten Zuckerketten (GAG) unterschiedlich z.b. Chondroitinsulfat (CS), Dermatansulfat (DS), Keratansulfat (KS) Aggrecan wird im Knorpel von Hyaluronan zu Riesenaggregaten vernetzt Andere PG: Decorin, Perlecan Syndecan Mechanische & zellbiologische Funktionen

22 Extrazellulärmatrix: die Grundsubstanz 3. Glykoproteine Vermitteln Bindung zwischen Zelle und Matrix Adhäsionsproteine der Matrix z. B. Fibronektin, Laminin Bindung an Zelle über Integrine (Glykoproteine der Zelle) oder Proteoglykane wie Syndecan

23 Zell-Matrix Interaktion: Basalmembran Basalmembran = lichtmikroskopisches Korrelat KEINE Zellmembran Teppich aus Matrixbestandteilen: Proteine, ProteoglykaneKEINE Lipide Abgrenzung von Epithel/Endothel/Gliazellverbände ggü. Bindegewebe Fett- und Muskelzellen haben auch Basalmembran

24 Zell-Matrix Interaktion: Basalmembran im EM Basalmembran im EM zwei Schichten: 1. Basallamina 2. Lamina fibroreticularis 1. Basallamina: wiederum zwei Schichten a) Lamina rara (=lucida) scheinbar leer b) Lamina densa - Kollagen Typ IV, Laminin 2. Lamina fibroreticularis nicht verwechseln Laminine = Proteine der Basallamina Lamine = Kernlamine Proteine im Zellkern Verankert Basallamina retikuläre Fasern Kollagen Typ III, auch Kollagen Typ I Keine deutliche Grenze zu Bindegewebe

25 Verschiedene Formen des Bindegewebes Lockeres kollagenes Bindegewebe Straffes kollagenes Bindegewebe Retikuläres Bindegewebe Gallertiges Bindegewebe Spinozelluläres Bindegewebe Elastische Bänder Fettgewebe Knorpelgewebe Knochengewebe Bindegewebe im eigentlichen Sinn

27 Lockeres kollagenes Bindegewebe Vorkommen: Stroma aller epithelialer Organe Verschiebeschichten der Wände von Hohlorganen Nerven-Gefäßstraßen von Muskeln und Sehnen Lamina propria Schleimhäuten Stratum papillare Haut Komponenten: Kollagen I und III Elastische Fasern Hyaluronan Proteoglykane

29 Straffes kollagenes Bindegewebe v.a. Typ I Kollagen Anordnung der Fasern: 1. Geflechtartig Zug in verschiedene Richtungen Vorkommen: Stratum reticulare Dermis Sklera & Kornea des Augapfels Dura mater Organ & Gelenkkapseln Muskelfaszien 2. Parallel Zug in eine Richtung Vorkommen: Sehnen Aponeurosen Bänder

31 Retikuläres Bindegewebe Fibroblastische Retikulumzellen bilden retikuläre Fasern Retikulumzellen bilden 3D-Netz in den Maschen entwickeln sich Blut und Lymphzellen Zellfortsätze umhüllen Fasern (freiliegende Kollagenfasern können sonst Gerinnung auslösen) Vorkommen Knochenmark Sekundäre lymphatische Organe Nicht verwechseln Retikuläre Fasern können auch von normalen Fibroblasten gebildet werden Retikuläres Bindegewebe kann nur von Retikulumzellen gebildet werden Komponenten Kollagen Typ III, I Fibrillin-Mikrofibrillen Elastin Fibronektin Proteoglykane

33 Gallertiges Bindegewebe Typisch für Nabelschnur Arm an Zellen (rot) Feine Kollagenfasern (blau) Reich an Hyaluronan + Wasser = leere Räume Gallertiger Charakter

35 Spinozelluläres Bindegewebe Im Ovar Fischzugartig angeordneten spindelförmigen Zellen Wenige Fasern

37 Elastische Bänder Ligg. Flava zwischen den Wirbelbögen Dicke, verzweigte elastische Fasern (violett) Kleine Menge kollagene Fasern (blau) gegen Überdehnung Ligg. Flava Querschnitt

39 Fettgewebe

40 weißes Fettgewebe H.E. Kurspräparat Fettgewebe Zellen: Fettzellen = Adipozyten speichern Lipide EZM: Jede Fettzelle ist von Basallamina und retikulären Fasern umgeben Zwei Formen 1. Weißes Fettgewebe Energiespeicher, Wärmeisolator, Druckpolster Ein großer Lipidtropfen = univakuolär 2. Braunes Fettgewebe Wärmegenerierung beim Neugeborenen Mehrere Lipidtropfen = plurivakuolär braunes Fettgewebe Rhesusaffe, Goldner Färbung, Vergr. 250x; Welsch, Abb

41 Weißes Fettgewebe Adipozyten bis zu 100µm groß (vgl. Erythrozyt 7,5µm) Im normalen Präparat wird Fett durch Alkohol rausgelöst -> Riesenvakuole Spezialfärbungen z.b. Sudanrot färben Fett Sehr schmaler Zytoplasmasaum Platter randständiger Kern Siegelringform der Zellen Lipidtropfen durch einschichtige Phospholipidschicht abgegrenzt (keine Doppelschicht wie bei Membranen) Viele Adipozyten werden durch Fasern zu Paketen zusammengefasst -> Cellulitis Beim zu- und Abnehmen nimmt die Größe des Lipidtropfens zu und ab. Adipozyten werden durch Hormone kontrolliert und bilden auch selber Hormone (Leptin) Häutchenpräparat Mesenterium Sudanrot Standard H.E. Färbung Baufett um Lymphknoten

43 Knorpelgewebe

44 Knorpelgewebe Zellen: Knorpelzellen = Chondrozyten EZM: v.a. Proteoglykane und Kollagen Typ II druckelastisch Drei Knorpeltypen: 1. Hyaliner Knorpel z.b. Gelenkknorpel, Atemwege, Nase 2. Faserknorpel z.b. Zwischenwirbelscheiben, Menisken 3. Elastischer Knorpel z.b. Ohrmuschel gefäßfrei lange Diffusionsstrecken Meist von Knorpelhaut Perichondrium umgeben

45 Hyaliner Knorpel Nasenspitze, hyaliner Knorpel H.E. Kurspräparat Ovale Chondrozyten einzeln oder isogene Gruppe (stammen aus einer Zelle) Scheinbar strukturlose Matrix Kollagenfibrillen (Typ II) sind lichtmikroskopisch NICHT sichtbar Starke Basophilie um die Chondrozyten herum Knorpelhof - saure Proteoglykane Chondrozyten + Knorpelhof = Territorium Hellere Matrix dazwischen = Interterritorium Knorpelhöhle wird von Zelle ausgefüllt, bei Präparation schrumpft die Zelle Knorpelhof Chondrozyt Territorium Knorpelhöhle Interterritorium

46 Perichondrium Hyaliner Knorpel (außer Gelenkknorpel) von Perichodrium (Knorpelhaut) umgeben Zwei Schichten 1. Stratum fibrosum äußere Faserschicht fängt Zugkräfte bei Biegung auf, damit Knorpel nicht bricht 2. Stratum chondrogenicum innere zellreiche Schicht Enthält Mesenchymzellen -> Chondroblasten - > Chondrozyten Regeneration des Knorpels schlecht! Im Alter Degeneration -> Arthrose

47 Extrazellulärmatrix des hyalinen Knorpels Organisation: Kollagenfibrillen und Proteoglykane Kollagen Typ II + IX + XI dünn, gleichmäßig verteilt Kollagen Typ VI direkt um Chondrozyt perizelluläre Matrix Proteoglykane: Aggrecan-Monomere sind mit Hyaluronan zu riesigen Aggregaten verbunden (Wassereinlagerung) Aggrecan können sich nicht maximal ausdehnen wegen Kollagen Sprungfederwirkung - Druckelastizität

48 Gelenkknorpel Hyaliner Knorpel Kein Perichondrium Arkaden von Kollagenfibrillen bilden Zonen I Tangentialzone II Übergangszone III Radiärzone IV mineralisierter Knorpel mehr bei Knochenentwicklung

49 Ohrmuschel, H.E. Kurspräparat Elastischer Knorpel Wie hyaliner Knorpel + elastische Fasern druck- + biegeelastisch Netzartige Faserung im HE Deutlich mit Elastika-Färbung Chondrozyten oft in Reihen Ohrmuschel

50 Faserknorpel Kombination aus Knorpel und straffem kollagenem Bindegewebe Zugfest + druckelastisch Deutlich erkennbare Kollagenfasern Ovale Chondrozyten meist einzeln Schmaler basophiler Hof Zwischenwirbelscheibe

51 Knochen

52 Knochen - Überblick Verschiedene Zelltypen: u.a. Osteoblasten, Osteoklasten, Osteozyten Mineralisierte Extrazellulärmatrix: Kollagen + Hydroxyapatitkristalle Hydroxyapatit = Calcium, Phosphat + Hydroxidionen Knochen ist biegefest Unreifer Knochen: Geflechtknochen (Kollagenfasern verwoben) Reifer Knochen: Lamellenknochen (Kollagenfasern in Schichten) Lamellenknochen 2 Formen: spongiös + kompakt Spongiosa: flächige Schichtung der Lamellen zu Knochenbälkchen Kompakta: konzentrische Lamellensysteme Osteone Innere Oberfläche Endost äußere Oberfläche - Periost

53 Makroskopie Lange Knochen: Schaft=Diaphyse + Enden=Epiphysen Wachsender Knochen: Wachstumsfuge=knorpelige Wachstumsplatte Metaphyse: Teil des Schafts, der an Wachstumsfuge grenzt

54 Makroskopie 2 Bauformen: Spongiosa = Gitterwerk aus Bälkchen im Inneren = Trabekel Ausrichtung nach Zug/Druck Kompakta = Rindenschicht Bis zu 1cm dick

55 Extrazellulärmatrix des Knochens Bestandteile Kollagenfibrillen Kollagen Typ I Hydroxyapatitkristalle länglich, hexagonal Räumliche Organisation: Geflecht oder Lamellenknochen Geflechtknochen: Entwicklung, Frakturheilung (unreif) Kollagenfibrillen sind verflochten Lamellenknochen: reife Knochen, biomechanisch hochwertiger Kollagenfibrillen sind gleichsinnig ausgerichtet = bilden Lamellen Geometrie der Lamellen ergibt Spongiosa oder Kompakta

56 Zellen des Knochens Osteoblasten bilden Matrix, können zu Osteozyten werden Osteozyten eingemauert, zahlreich, leben am längsten Osteoklasten bauen Matrix ab, mehrkernig

57 Osteozyten Eingemauert in mineralisierter Matrix Meist nur Zellkern parallel zu Lamellen sichtbar Liegen in Lakunen Ausläufer ziehen durch Knochenkanälchen (Canaliculi) Über Gap junctions miteinander verbunden

58 Osteoblasten Mesenchymale Stammzellen -> Osteoprogenitorzellen -> Osteoblasten Synthetisieren Kollagen, steuern Mineralisation Überwachen Osteoklasten-Haushalt! (Parathormonrezeptoren) Bilden einschichtige Lage an freier knöcherner Oberfläche Bilden zunächst Osteoid-Schicht (noch nicht mineralisiert) Ein Teil wird eingemauert -> Osteozyten Ein Teil geht zugrunde > Apoptose Ein Teil bildet inaktive, flache -> bone lining cells

59 Osteoklasten große (bis 100µm) mehrkernige (bis zu 10 Kerne) Zellen Abbau von mineralisierter Matrix Entstehen durch Fusion einkerniger Zellen fressen Gruben (Howship-Lakunen) Zerstören schnell, Aufbau durch Osteoblasten langsam Knochen wird ständig umgebaut Bilden Säure -> lösen der Calcium-Verbindungen Bilden lysosomale Enzyme -> lösen Kollagen auf Endozytoseder Matrixfragmente

60 Endost und Periost Endost bedeckt innere Knochenoberflächen Kleidet auch Havers-Kanäle aus Besteht aus nichtmineralisierten Kollagenfibrillen + kontinuierliche Zellschicht (Stammzellen, Progenitorzellen, Osteoblasten + -klasten) Wird bei Bedarf aktiviert Umbau + Frakturheilung Periost bedeckt äußere Knochenoberfläche außen stratum fibrosum straffes Bindegewebe Sharpey Fasern = Kollagenfasern, die in Kortikalis einstrahlen Innen stratum osteogenicum Zellschicht wie Endost Viele Gefäße und Nerven sehr schmerzempfindlich

61 Architektur Lamellenknochen Spongiosa: Lamellen flächig angeordnet parallel zur Oberfläche Keine Gefäße Kompakta: Lamellen konzentrisch um Havers-Kanal Havers-Kanal enthält Gefäße Querverbindungen zwischen Havers-Kanälen = Volkmann-Kanäle 5-20 Lamellen + Havers-Kanalbilden Osteon Zwickel zwischen Osteonen = Schaltlamellen (Reste alter Osteone) Außen auf Kompakta kontinuierliche Lamellen = Generallamellen