Hvad gør væv blødt og alligevel så hårdt

Ingeniører ved ETH Zürich har opdaget, at blødt biologisk væv deformeres meget anderledes under spændinger end tidligere antaget. Deres resultater bliver allerede taget i brug i medicinske forskningsprojekter.

I livmoderen, det ufødte barn flyder i en fostervand fyldt med fostervand. Barnets glatte udvikling er afhængig af, at denne sæk forbliver intakt. Imidlertid, det er muligt for den beskyttende beholder at rive efter indgreb som fostervandsprøve eller fosterkirurgi - eller endda spontant.

Strakt væv mister volumen

Med udgangspunkt i sådanne medicinske problemer, forskere i gruppen ledet af Edoardo Mazza, Professor ved ETH Zürichs Institut for Mekaniske Systemer, studerede, hvordan dele af fostervandssækken, og andre bløde biologiske væv, deformeres under en trækbelastning. En af deres vigtigste - og overraskende - fund er, at væv mister masse, når det strækker sig, med en fysiologisk strækning på 10 procent, der fører til et gennemsnitligt tab på cirka 50 procent.

"Dette modsiger det fremherskende paradigme om, at selvom så blødt biologisk væv kan deformeres betydeligt, dens volumen forbliver uændret, "forklarer Mazza. Ved at foretage målinger af vævsprøver, hans gruppe var i stand til at vise, at volumen går tabt på grund af det faktum, at væske lagret mellem celler og kollagenfibre i vævet slipper ud af det strakte område.

Interaktion mellem mekanik og kemi

Alexander Ehret, teamleder i Mazzas gruppe, og hans kolleger brugte omfattende computersimuleringer til at afklare mekanismen, der er ansvarlig for dette. Grundlaget er justeringen af ​​kollagenfibre i vævet. Fibrene danner et slags tredimensionelt netværk, hvor de løber i alle retninger inden for et fly, viser kun en lille smule ud af plan hældning.

Hvis dette netværk trækkes, alle de kollagenfibriller, der ligger mere eller mindre i trækretningen, bevæger sig tættere sammen i en sakselignende bevægelse, klemmer væsken ud af vævet. Fibrene er ubeskadigede, da de hovedsageligt er forskudt mod flyet og kun lidt strakt.

Lydstyrketabet er reversibelt. Når vævet slapper af igen, det reabsorberer vand fra det omgivende væv. "Årsagen er negativt ladede makromolekyler, der er bundet fast til kollagenfibrene, "forklarer Mazza. De får vandet til at strømme tilbage i vævet i henhold til principperne for osmose. I forsøg, denne proces kan gentages gang på gang.

Sætter væv til testen

Denne fortætning af kollagenfibrene er yderst nyttig, især ved skader, som forskerne opdagede i yderligere forsøg:Hvis et stramt stykke blødt biologisk væv skæres, dannes der en revne, men kollagenfibrene kommer så sammen ved spidsen af ​​tåren. "Hvis vævet strækkes yderligere, denne forstærkning er normalt nok til at forhindre tåren i at vokse, ”forklarer Ehret.

Forskerne har brugt det sidste årti på at udvikle dedikerede enheder, hjælpemidler og protokoller, de bruger til at analysere den mekaniske adfærd af bløde biologiske væv. Som resultat, de har været i stand til at strække både store og mikroskopisk små stykker væv i en eller flere retninger - f.eks. gennem inflation. Det lykkedes dem også at kvantificere vævets respons og beskrive og forklare de observerede effekter ved hjælp af computersimuleringer baseret på algoritmer, som de også selv udviklede.

Direkte medicinske applikationer

Imidlertid, Mazza og Ehret var ikke kun interesserede i at forstå, hvordan væv opfører sig under en trækbelastning. "Vi er ingeniører, "siger Mazza. Som sådan, de foretrækker at arbejde med løsninger på virkelige problemer. De nye fund indarbejdes derfor direkte i håndteringen af ​​specifikke medicinske udfordringer, såsom "tissue engineering", den kunstige produktion af biologisk væv beregnet til at regenerere eller erstatte beskadiget væv hos patienter.

Baseret på deres nye fund, forskerne vil først se på de substrater, som vævet vokser på.

"Vores mål er at skabe de mest fysiologisk nøjagtige betingelser for det konstruerede væv - det vil sige at efterligne naturen så tæt som muligt, "siger Mazza. Han og hans kolleger er overbeviste om, at celler i væv, der vokser, modtager signaler fra substratet, der derefter spiller en vigtig rolle i bestemmelsen af ​​udskiftningsvævets egenskaber.

Forskerne tillægger en grundlæggende rolle samspillet mellem kemi og mekanik. "Det er afgørende, at underlaget har de korrekte egenskaber, herunder især det korrekte samspil mellem ladede makromolekyler og kollagenfibre, ”Forklarer Ehret.

Ny hud til forbrændingsofre

Forskerne planlægger at deltage i et projekt på University Children's Hospital Zürich, der har til formål at dyrke udskiftningshud til ofre for forbrændinger hurtigere og mere effektivt. Dette samarbejde vil finde sted inden for rammerne af Skintegrity -flagskibsprojektet, der drives af University Medicine Zurich. Forskerne indsendte et tilsvarende projektforslag til Swiss National Science Foundation i slutningen af ​​september.

Imidlertid, Mazzas gruppe anvender allerede sin ekspertviden på et projekt på Universitetshospitalet i Zürich, der beskæftiger sig med tårer i fostersækken. Dette projekt forsøgte oprindeligt at bestemme de egenskaber, som vævet kræver for at reparere sådanne skader. Nu, deres fokus har vendt sig til spørgsmålet om, hvorfor disse tårer opstår i første omgang. Når de behandler denne type spørgsmål, føler ingeniørerne i deres element. "For at kunne yde et bidrag til sådanne medicinske projekter, "siger Mazza, "er yderst motiverende."