Ingenieurs van ETH Zürich hebben ontdekt dat zacht biologisch weefsel onder spanning heel anders vervormt dan eerder werd aangenomen. Hun bevindingen worden al gebruikt in medische onderzoeksprojecten.

In de baarmoeder, het ongeboren kind drijft in een vruchtzak gevuld met vruchtwater. De vlotte ontwikkeling van de baby is afhankelijk van het intact blijven van deze zak. Echter, het is mogelijk dat de beschermende container scheurt na ingrepen zoals een vruchtwaterpunctie of foetale chirurgie - of zelfs spontaan.

Uitgerekt weefsel verliest volume

Met zulke medische problemen als uitgangspunt, onderzoekers in de groep onder leiding van Edoardo Mazza, Professor aan het Instituut voor Mechanische Systemen van de ETH Zürich, bestudeerde hoe delen van de vruchtzak, en andere zachte biologische weefsels, vervormen onder trekbelasting. Een van hun belangrijkste – en verrassende – bevindingen is dat weefsel massa verliest als het zich uitrekt, met een fysiologische rek van 10 procent die leidt tot een gemiddeld verlies van ongeveer 50 procent.

"Dit is in tegenspraak met het heersende paradigma dat, hoewel dergelijk zacht biologisch weefsel aanzienlijk kan vervormen, het volume blijft ongewijzigd, " legt Mazza uit. Door weefselmonsters te meten, zijn groep was in staat om aan te tonen dat er volume verloren gaat doordat vloeistof die tussen cellen en collageenvezels in het weefsel is opgeslagen, uit het uitgerekte gebied ontsnapt.

Interactie tussen mechanica en chemie

Alexander Ehret, teamleider in de groep van Mazza, en zijn collega's gebruikten uitgebreide computersimulaties om het mechanisme dat hiervoor verantwoordelijk is op te helderen. De basis is de uitlijning van collageenvezels in het weefsel. De vezels vormen een soort driedimensionaal netwerk, waarin ze in een vlak alle kanten op rennen, met slechts een geringe helling uit het vlak.

Als dit netwerk wordt getrokken, alle collageenfibrillen die min of meer in de trekrichting liggen, komen in een schaarbeweging dichter bij elkaar, de vloeistof uit het weefsel knijpen. De vezels zijn onbeschadigd, omdat ze voornamelijk naar het vliegtuig toe worden verplaatst en slechts licht worden uitgerekt.

Het volumeverlies is omkeerbaar. Als het weefsel weer ontspant, het absorbeert water uit het omringende weefsel. "De reden is negatief geladen macromoleculen die stevig aan de collageenvezels zijn gebonden, " legt Mazza uit. Ze laten het water terugvloeien in het weefsel volgens de principes van osmose. In experimenten, dit proces kan keer op keer worden herhaald.

Weefsel op de proef stellen

Deze verdichting van de collageenvezels is uiterst nuttig, vooral bij blessures, zoals de wetenschappers in verdere experimenten ontdekten:als een strak stuk zacht biologisch weefsel wordt doorgesneden, ontstaat er een scheur, maar de collageenvezels komen dan samen op het puntje van de traan. "Als het weefsel verder wordt uitgerekt, deze versterking is meestal voldoende om te voorkomen dat de scheur groeit, " legt Ehret uit.

De onderzoekers hebben de afgelopen tien jaar speciale apparaten ontwikkeld, hulpmiddelen en protocollen die ze gebruiken om het mechanische gedrag van zachte biologische weefsels te analyseren. Als resultaat, ze zijn in staat geweest om zowel grote als microscopisch kleine stukjes weefsel in één of meerdere richtingen uit te rekken - bijvoorbeeld, door inflatie. Ze slaagden er ook in de respons van het weefsel te kwantificeren en de waargenomen effecten te beschrijven en te verklaren met behulp van computersimulaties op basis van algoritmen, die ze ook zelf ontwikkelden.

Directe medische toepassingen

Echter, Mazza en Ehret waren niet alleen geïnteresseerd in het begrijpen hoe weefsel zich gedraagt ​​onder trekbelasting. "Wij zijn ingenieurs, " zegt Mazza. Als zodanig, ze werken het liefst aan oplossingen van echte problemen. De nieuwe bevindingen worden daarom direct verwerkt in het aanpakken van specifieke medische uitdagingen, zoals "tissue engineering", de kunstmatige productie van biologisch weefsel dat bedoeld is om beschadigd weefsel bij patiënten te regenereren of te vervangen.

Op basis van hun nieuwe bevindingen, de onderzoekers willen eerst kijken naar de substraten waarop het weefsel groeit.

"Ons doel is om de meest fysiologisch nauwkeurige omstandigheden voor het gemanipuleerde weefsel te creëren - dat wil zeggen, de natuur zo goed mogelijk nabootsen, ", zegt Mazza. Hij en zijn collega's zijn ervan overtuigd dat cellen in groeiend weefsel signalen van het substraat ontvangen die vervolgens een belangrijke rol spelen bij het bepalen van de eigenschappen van het vervangende weefsel.

De wetenschappers hechten een fundamentele rol aan de interactie tussen chemie en mechanica. "Het is essentieel dat het substraat de juiste eigenschappen heeft, waaronder met name het juiste samenspel tussen geladen macromoleculen en collageenvezels, ’ legt Ehret uit.

Nieuwe huid voor slachtoffers van brandwonden

De onderzoekers zijn van plan deel te nemen aan een project in het Universitair Kinderziekenhuis Zürich dat erop gericht is om sneller en effectiever een vervangende huid voor brandwondenslachtoffers te kweken. Deze samenwerking vindt plaats in het kader van het vlaggenschipproject Skintegrity van University Medicine Zürich. De onderzoekers dienden eind september een bijbehorend projectvoorstel in bij de Swiss National Science Foundation.

Echter, Mazza's groep past zijn deskundige kennis al toe op een project in het Universitair Ziekenhuis Zürich dat zich bezighoudt met tranen in de vruchtzak. Dit project was in eerste instantie gericht op het bepalen van de eigenschappen die het weefsel nodig heeft om dergelijke verwondingen te herstellen. Nutsvoorzieningen, hun focus is gericht op de vraag waarom deze tranen in de eerste plaats voorkomen. Bij dit soort vragen voelen de engineers zich in hun element. "Om een ​​bijdrage te kunnen leveren aan dergelijke medische projecten, " zegt Mazza, "is zeer motiverend."