Hoe biologische weefsels met stress omgaan

Nieuws

Hoe biologische weefsels met stress omgaan

Gepubliceerd op
28 februari 2019

We rennen, ademen en ons hart klopt. Kortom, ons lichaam vervormt continu. Hoe kunnen lichaamsweefsels zo goed blijven functioneren ondanks deze permanente mechanische stress? Wageningen University en AMOLF zagen hoe twee belangrijke componenten in onze weefsels, collageen en hyaluronzuur, samenwerken om de mechanische eigenschappen van de weefsels aan te passen. In Nature Physics van 25 februari doen zij verslag.

Dit onderzoek geeft inzicht in hoe biologische materialen hun functie nauwkeurig weten te reguleren door verschillende componenten te combineren. Niet alleen de individuele eigenschappen van deze componenten zijn belangrijk, maar ook de interacties tussen de verschillende componenten. Deze kennis maakt de weg vrij voor de synthese van nieuwe polymeermaterialen.

Aan de oren trekken

Als je zachtjes aan je oorlel trekt, voelt deze zacht aan. Trek je harder, dan wordt je oorlel stijver. Niet alleen onze huid, maar de meeste zachte weefsels in ons lichaam, inclusief spieren en het kraakbeen in de knieën, hebben de eigenschap om te veranderen van heel zacht naar stijf als ze worden vervormd. Deze eigenschap is cruciaal voor het functioneren van ons lichaam: ons weefsel is zacht zodat cellen vrij kunnen bewegen. Echter, bij grotere vervormingen gaan de cellen kapot en kan het weefsel scheuren. Door te verstijven beschermt het weefsel de cellen.

Collageen netwerken in de huid

De oorsprong van deze mechanische eigenschap ligt in de netwerkstructuur die ontstaat door de collageen peptide. Dit is aangetoond in recente in-vitro studies, waarin netwerken van collageen, geëxtraheerd uit de huid van dieren, werden gevormd in een rheometer. Dit is een instrument waarmee onderzoekers de stijfheid van een materiaal kunnen meten terwijl het vervormt.

Toenemende complexiteit

“Kijken we naar weefsels dan zien we een veel complexere situatie. Er zijn veel moleculen van verschillende grootte die op veelal onbekende manieren interacties met elkaar aangaan,” vertelt Simone Dussi, postdoc werkzaam bij WUR, Physical Chemistry and Soft Matter groep van prof. Jasper van der Gucht. “Juist door deze complexiteit kunnen echte weefsel zich beter aan hun omgeving aanpassen dan de modelnetwerken (enkel bestaande uit collageen), die tot nu toe zijn bestudeerd. Wij waren dus erg enthousiast toen we de resultaten van de experimenten zagen die bij AMOLF door Federica Burla in de groep van prof. Gijsje Koenderink zijn uitgevoerd. Zij bestudeerden op een systematische wijze dubbele netwerken, met zowel collageen als hyaluronzuur, naast collageen de meest voorkomende component in weefsels. Door hyaluronzuur veranderen de mechanische eigenschappen van het materiaal significant. Dat wilden we graag begrijpen.“

Onze bevindingen kunnen worden gebruikt om nieuwe synthetische polymeermaterialen te maken met op elkaar afgestemde eigenschappen
Justin Tauber, promovendus

Stijver met hyaluronzuur

“In tegenstelling tot de collageenvezels, is hyaluronzuur een veel kleiner en veel flexibeler polymeer. Daarnaast heeft het ook nog eens een lading. Door de elektrostatische interacties bouwt zich tijdens de vorming van het netwerk een grote interne stress op. Deze stress is van belang wanneer we het materiaal gaan vervormen. Het netwerk is bij de aanwezigheid van een grote hoeveelheid aan hyaluronzuur iets stijver bij kleine vervormingen, de overgang van zacht naar stijf vindt echter pas plaatst bij grotere vervormingen; legt Justin Tauber, promovendus in de groep van prof. Jasper van der Gucht, uit. “Wij zijn erin geslaagd een theoretisch model te ontwikkelen en computersimulaties uit te voeren die overeenkomen met de experimentele resultaten. Hierdoor konden we de belangrijkste factoren identificeren: naast de netwerkstructuur en de buigsterkte van de collageenvezels zijn ook de elasticiteit en de interne stress veroorzaakt door het hyaluronzuur cruciaal. Met dit model kunnen we beter begrijpen hoe echte weefsels de balans tussen al deze effecten benutten. Bovendien kunnen onze bevindingen worden gebruikt om nieuwe synthetische polymeermaterialen te maken met op elkaar afgestemde eigenschappen.“

De wetenschappers onderzoeken nu wanneer en hoe deze netwerken breken. Met dit onderzoek, geïnspireerd op de biologische wereld, hopen zij nieuwe inzichten te vergaren over hoe we nieuwe, stevigere materialen kunnen ontwikkelen.