Extrazelluläre Matrix

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 2. November 2016
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Unter extrazellulärer Matrix (EZM) werden alle körpereigenen Substanzen zusammengefasst, die sich außerhalb der Zellen im Interzellularraum befinden. Die EZM hat eine hohe Bedeutung für Festigkeit und Formgebung von Geweben sowie als Träger für Blut- und Lymphgefäße sowie für Nervenfasern. Der Interzellularraum stellt eine komplexe Ansammlung verschiedenster Makromoleküle dar, die entweder zur flüssigen oder gelartigen Grundsubstanz oder zu den Fasern gehören.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Extrazelluläre Matrix?

Alle körpereigenen Substanzen, die sich außerhalb der Zellen im interzellulären Raum befinden, sind Bestandteil der extrazellulären Matrix (EZM). Die EZM wird auch als Extrazellularmatrix oder Interzellularsubstanz bezeichnet. Grundsätzlich lassen sich in der EZM Stoffe unterscheiden, die entweder zur Grundsubstanz zählen oder zu den verschiedensten Fasern zugerechnet werden können.

Je nach Aufgabe und Gewebe ist die Zusammensetzung der EZM sehr unterschiedlich. Zu den Substanzen, die die Gruppe der Fasern bilden, gehören eine Vielfalt von kollagenen, retikulären und elastischen Fasern, die jeweils unterschiedliche Aufgaben erfüllen und je nach Gewebetyp in sehr unterschiedlicher Zusammensetzung ihren Teil der EZM bilden. Die amorphe Grundsubstanz der EZM füllt als Flüssigkeit oder als Gel alle Resträume aus, die sich je nach Struktur des Interzellularraums und des Faseranteils der EZM ergeben. Die Zusammensetzung der Grundsubstanz ist je nach Aufgaben ebenfalls sehr differenziert.

Ein großer Teil der EZM wird aus Glykosaminoglykanen gebildet, langkettigen Polysacchariden, die meist – bis auf die Hyaluronsäure – in Form von Proteoglykanen an Proteine gebunden sind. Sie nehmen beispielsweise zahlreiche Aufgaben bei Auf-, Ab- und Umbau von Geweben wahr. In diesem Zusammenhang sind auch sogenannte Adhäsionsproteine zu nennen, die als Teil der EZM in komplexen Vorgängen mit Rezeptoren der Zellen Kontakt aufnehmen.

Anatomie & Aufbau

Der anatomische Aufbau der EZM ist sehr heterogen und richtet sich nach den Aufgaben, die die EZM in der entsprechenden Körperregion wahrnehmen muss. Der Faseranteil der EZM besteht hauptsächlich aus kollagenen Proteinen, von denen 27 bekannt sind, die sich jeweils durch ihre Proteinzusammensetzung unterscheiden und auch in ihren physiologischen und mechanischen Eigenschaften unterschiedlich sind.

Im Wesentlichen zeichnen sich Kollagene durch ihre Reißfestigkeit aus. Kollagenfasern mit einem Durchmesser von 2 bis 20 Mikrometern setzen sich aus vielen, 130 Nanometer starken, Kollagenfibrillen zusammen. Wichtig sind auch die retikulären Fasern, die mikroskopisch feine Netze oder Gitter bilden zur Aufnahme von Kapillaren, Nervenfasern, Fettzellen und glatten Muskelzellen. Im Gegensatz zu den reißfesten und nicht dehnbaren Kollagenfasern besitzen elastische Fasern, die aus dem Protein Elastin bestehen, die einmalige Eigenschaft zur reversiblen Dehnung.

Einen großen Teil der Grundsubstanz bilden Glykosaminoglykane – meist in Form von Proteoglykanen, an Proteine gebundene Glykane, deren Hauptfunktion darin besteht, die notwendigen Verbindungen zwischen den einzelnen Proteinen zu schaffen. Beispielsweise besteht die Knorpelsubstanz der Gelenke aus Glykosaminoglykanen und Glykoproteinen. Die Knorpelsubstanz der Gelenkflächen zeichnet sich im Gegensatz zu Kollagenen nicht durch Reißfestigkeit, sondern durch hohe Druckfestigkeit aus. Die in der EZM enthaltene Hyaluronsäure besitzt ein extrem hohes Wasserhaltevermögen und trägt entscheidend zum Wasserhaushalt der Gewebe bei.

Funktion & Aufgaben

Die extrazelluläre Matrix nimmt nicht nur physikalische Funktionen hinsichtlich Zug- oder Druckfestigkeit wahr, sondern greift auch in Stoffwechselvorgänge ein. Durch verschiedenste kollagene Fasern übernimmt die EZM die Hauptverantwortung für die Formgebung von Organen und sie hält die Organe in der vorgesehenen Position im Körper. Über andere Kollagene sorgt die EZM für die Zugfestigkeit aller Sehnen und Bänder sowie für die dreidimensionale Festigkeit der Knochen.

Darüber hinaus sorgt sie für die Druck- und Verschleißfestigkeit der Oberflächenknorpel an den Reibflächen der Gelenke. Aber nicht nur Zug-, Druck- und Scherfestigkeit gehört zu den Aufgabengebieten der EZM, sondern ihr obliegt es auch, für die nötige Elastizität in den Geweben zu sorgen, damit bestimmte Organe ihren Umfang je nach Bedarf vergrößern und verkleinern können, ohne dass es zu irreversiblen Schäden kommt. Ein weiteres wichtiges Aufgabengebiet besteht in der Aktivierung der körpereigenen Reparaturmechanismen durch Ausschüttung von Zytokinen, die Einfluss auf Proliferation und Ausdifferenzierung von Zellen haben.

Die EZM hält deshalb einen Vorrat an Zytokinen vor, der bei Bedarf – beispielsweise zur Reparatur von Verletzungen – aktiviert werden kann. Auch die Signaltransduktion gehört zu den Aufgaben der extrazellulären Matrix. Damit ist die Ausschüttung sogenannter sekundärer Botenstoffe gemeint, deren „Botschaft“ über spezialisierte Rezeptoren in das Zellinnere gelangt und die Zelle zu bestimmtem Verhalten oder zur Aufnahme bestimmter Stoffwechselvorgänge aktiviert. Ebenso gehört die Bestimmung der Polarität, also der Organisation und Ausrichtung der Zellen in ein basales und ein apikales Ende, zum Aufgabenbereich der extrazellulären Matrix.

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Krankheiten

Die nahezu unüberschaubare Vielfalt der Funktionen und Aufgaben, die der extrazellulären Matrix obliegt, lassen bereits vermuten, dass es zu krankheitsbedingten oder krankheitsbedingenden Fehlfunktionen kommen kann mit leichten bis schweren Auswirkungen.

Als Verursacher und Ausgangspunkt vieler chronischer Krankheiten bis hin zu bösartigen und lebensbedrohlichen Prozessen werden Störungen der Grundregulation zugeordnet, die von der EZM organisiert wird. Viele Vorgänge zu Krankheitsverläufen, die mit der über die Ausschüttung von Zytokinen im Zusammenhang stehenden Grundregulation der EZM stehen, sind noch nicht hinreichend verstanden. Vielfach wird eine Überfrachtung von Basalmembranen der betroffenen Organe mit Proteinen als Verursacher ausgemacht. Beispielsweise spielen diese Vorgänge eine wichtige Rolle in Entstehung und Verlauf einer dilatativen Kardiomyopathie, die sich durch eine symptomatische Herzvergrößerung bei gleichzeitig eingeschränkter Pumpfunktion äußert.

Neben erworbenen Fehlfunktionen der EZM, sind auch genetisch bedingte Funktionsanomalien der extrazellulären Matrix bekannt, die sich meist in einer fehlerhaften Synthese bestimmter Kollagene äußern. Die fehlerhafte Kollagensynthese führt bei den betroffenen Organen zu den jeweils bekannten Krankheitsbildern wie etwa bei der seltenen Glasknochenkrankheit (Osteogenesis imperfecta). Bedingt durch eine genetische Anomalie liefert die EZM fehlerhaftes Kollagen zum Knochenaufbau. Die Knochen sind dadurch extrem brüchig und es kommt meist Verformungen an Knochen und Wirbelsäule und weiteren Symptomen.

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