Wetenschap
Wetenschappers ontdekken hoe rupsen het bloeden binnen enkele seconden kunnen stoppen
Bloed is een opmerkelijk materiaal:het moet in de bloedvaten vloeibaar blijven en daarbuiten zo snel mogelijk stollen om het bloeden te stoppen. De chemische cascade die dit mogelijk maakt, is goed bekend voor het bloed van gewervelde dieren. Maar hemolymfe, het equivalent van bloed bij insecten, heeft een heel andere samenstelling, omdat het met name een tekort aan rode bloedcellen, hemoglobine en bloedplaatjes heeft, en amoebe-achtige cellen heeft die hemocyten worden genoemd in plaats van witte bloedcellen voor immuunafweer.
Net als bloed stolt hemolymfe snel buiten het lichaam. Hoe dat gebeurt, is lange tijd een raadsel gebleven. Dat hebben materiaalwetenschappers nu aangetoond in Frontiers in Soft Matter hoe deze prestatie wordt beheerd door rupsen van de Carolina-sfinxmot. Deze ontdekking heeft potentiële toepassingen voor de menselijke geneeskunde, aldus de auteurs.
‘Hier laten we zien dat deze rupsen, tabakshoornwormen genoemd, de wonden binnen een minuut kunnen dichten. Dat doen ze in twee stappen:eerst wordt binnen een paar seconden hun dunne, waterachtige hemolymfe ‘visco-elastisch’ of slijmerig, en de druipende hemolymfe trekt zich terug in de wond", zegt senior auteur Dr. Konstantin Kornev, professor aan de afdeling Materiaalwetenschappen en Techniek van Clemson University.
"Vervolgens aggregeren hemocyten, beginnend vanaf het wondoppervlak en omhoog bewegend om de hemolymfefilm te omarmen die uiteindelijk een korst wordt die de wond afdicht."
Uitdagend om te studeren
Volgroeide tabakshoornwormen, klaar om te verpoppen, zijn tussen de 7,5 cm en 10 cm lang. Ze bevatten slechts een kleine hoeveelheid hemolymfe, die doorgaans binnen enkele seconden stolt, waardoor het moeilijk is om met conventionele methoden te studeren.
Om deze redenen moesten Kornev en collega's nieuwe technieken ontwikkelen voor de huidige studie, en snel werken. Toch was het percentage mislukkingen bij de lastigste manipulaties enorm (tot 95%), waardoor er veel pogingen nodig waren.
Ze hielden individuele hoornwormen in een plastic hoes vast en maakten via een raampje in de hoes een lichte wond in een van de pseudopoten van elke rups. Vervolgens raakten ze de druipende hemolymfe aan met een metalen bal, die werd weggetrokken, waardoor een hemolymfe-'brug' ontstond (ongeveer twee millimeter lang en honderden micrometer breed) die vervolgens smaller werd en brak, waardoor satellietdruppeltjes ontstonden. Kornev en zijn team filmden deze gebeurtenissen met een camera met hoge beeldsnelheid en een macrolens, om ze in detail te bestuderen.
Onmiddellijke verandering in eigenschappen
Deze waarnemingen suggereerden dat hemolymfe zich gedurende de eerste ongeveer vijf seconden nadat het begon te stromen, zich op dezelfde manier gedroeg als water:in technische termen als een Newtoniaanse vloeistof met een lage viscositeit. Maar binnen de volgende tien seconden onderging de hemolymfe een duidelijke verandering:hij brak nu niet onmiddellijk, maar vormde een lange brug achter de vallende druppel. Doorgaans stopte het bloeden volledig na 60 tot 90 seconden, nadat zich een korst op de wond had gevormd.
Kornev en collega's bestudeerden de stromingseigenschappen van de hemolymfe verder door een 10 micrometer lange nikkel-nanostaafje in een druppel verse hemolymfe te plaatsen. Toen een roterend magnetisch veld ervoor zorgde dat de nanostaafje ging draaien, gaf de vertraging ten opzichte van het magnetisme een schatting van het vermogen van de hemolymfe om de staaf tegen te houden door middel van viscositeit.
Ze concludeerden dat de hemolymfe van de rups binnen enkele seconden na het verlaten van het lichaam verandert van een laagviskeuze vloeistof in een visco-elastische vloeistof.
"Een goed voorbeeld van een visco-elastische vloeistof is speeksel", zei Kornev. "Als je een druppel tussen je vingers smeert, gedraagt het zich als water:materiaalwetenschappers zullen zeggen dat het puur stroperig is. Maar dankzij zeer grote moleculen die mucines worden genoemd, vormt speeksel een brug als je je vingers uit elkaar beweegt. Daarom is het goed visco-elastisch genoemd:stroperig als je het afschuift en elastisch als je het uitrekt."
De wetenschappers gebruikten verder optische fasecontrast en gepolariseerde microscopie, röntgenbeeldvorming en materiaalwetenschappelijke modellering om de cellulaire processen te bestuderen waarmee hemocyten zich samenvoegen om een korst over een wond te vormen. Dat deden ze niet alleen bij Carolina-sfinxmotten en hun rupsen, maar ook bij 18 andere insectensoorten.
Hemocyten zijn essentieel
De resultaten toonden aan dat hemolymfe van alle onderzochte soorten op dezelfde manier reageerde op afschuiving. Maar de reactie op het uitrekken verschilde drastisch tussen de hemocytrijke hemolymfe van rupsen en kakkerlakken aan de ene kant, en de hemocytarme hemolymfe van volwassen vlinders en motten aan de andere kant:druppeltjes strekten zich uit om bruggen te vormen voor de eerste twee, maar onmiddellijk brak voor dat laatste.
"Het veranderen van hemolymfe in een visco-elastische vloeistof lijkt rupsen en kakkerlakken te helpen eventuele bloedingen te stoppen, door druppelende druppels binnen een paar seconden terug te trekken naar de wond", aldus Kornev.
"We concluderen dat hun hemolymfe een buitengewoon vermogen heeft om de materiaaleigenschappen onmiddellijk te veranderen. In tegenstelling tot zijdeproducerende insecten en spinnen, die een speciaal orgaan hebben voor het maken van vezels, kunnen deze insecten op elke locatie hemolymfe-filamenten maken na verwonding."
De wetenschappers concludeerden dat hemocyten een sleutelrol spelen in al deze processen. Maar waarom rupsen en kakkerlakken meer hemocyten nodig hebben dan volwassen vlinders en motten is nog onbekend.
"Onze ontdekkingen openen de deur voor het ontwerpen van snelwerkende verdikkingsmiddelen van menselijk bloed. We hoeven niet noodzakelijkerwijs de exacte biochemie te kopiëren, maar moeten ons concentreren op het ontwerpen van medicijnen die bloed kunnen veranderen in een visco-elastisch materiaal dat bloedingen stopt. We hopen dat onze bevindingen dat zullen doen." helpen deze taak in de nabije toekomst te volbrengen”, aldus Kornev.