Was Gewebe nachgiebig und doch so zäh macht

Im Mutterleib schwimmt das Ungeborene in einer mit Fruchtwasser prall gef¨¹llten Fruchtblase. Dass diese intakt bleibt, ist f¨¹r eine reibungslose Entwicklung des Babys sehr wichtig. Doch es kann geschehen, dass die sch¨¹tzende H¨¹lle nach Eingriffen wie Fruchtwasserpunktionen und Operationen oder auch ganz spontan reisst.

Gedehntes Gewebe verliert Volumen

Ausgehend von solchen medizinischen Problemen haben Forschende der Gruppe von Edoardo Mazza, Professor am Institut f¨¹r mechanische Systeme an der ETH Z¨¹rich, untersucht, wie sich Teile der Fruchtblase und andere biologische Gewebe unter Zugbelastung verformen. Eines ihrer wichtigsten und ¨¹berraschendsten Resultate: Die Gewebe verlieren bei einer Dehnung an Masse ¨C bei einer physiologischen Dehnung von 10 Prozent durchschnittlich rund 50 Prozent.

?Das widerspricht dem bisher geltenden Paradigma, wonach sich solche weichen biologischen Gewebe zwar stark verformen k?nnen, ihr Volumen dabei aber unver?ndert bleibt?, erkl?rt der Biomechaniker Mazza. Seine Gruppe konnte anhand von Messungen an Gewebeproben zeigen, dass der Volumenverlust darauf zur¨¹ckzuf¨¹hren ist, dass Fl¨¹ssigkeit, die im Gewebe zwischen Zellen und Kollagenfasern eingelagert ist, aus dem gedehnten Bereich entweicht.

Zusammenspiel von Mechanik und Chemie

Den Mechanismus dahinter konnte Alexander Ehret, Teamleiter in Mazzas Gruppe, zusammen mit seinem Team und mithilfe umfangreicher Computersimulationen aufkl?ren. Die Grundlage daf¨¹r ist die Ausrichtung der Kollagenfasern im Gewebe. Die Fasern bilden eine Art dreidimensionales Netz, in dem sie in einer Ebene fl?chig in alle Himmelsrichtungen verlaufen und nur geringf¨¹gige Abweichungen nach oben und nach unten zeigen.

Zieht man an diesem Geflecht, r¨¹cken alle Kollagenfibrillen, die mehr oder weniger in Zugrichtung liegen, in einer Art Scherenbewegung n?her zusammen und pressen die Fl¨¹ssigkeit aus dem Gewebe heraus. Die Fasern bleiben unbesch?digt, da sie vor allem in eine Ebene verschoben und allenfalls leicht gedehnt werden.

Der Volumenverlust ist reversibel. Entspannt sich das Gewebe wieder, nimmt es wieder Wasser aus dem umliegenden Gewebe auf. ?Der Grund daf¨¹r sind mit den Kollagenfasern fest verbundene Makromolek¨¹le mit negativen Ladungen?, erkl?rt Mazza. Sie bringen das Wasser dazu, nach den Prinzipien der Osmose wieder ins Gewebe zur¨¹ckzustr?men. Der Vorgang l?sst sich im Experiment problemlos viele Male wiederholen.

Gewebe auf dem Pr¨¹fstand

Die Verdichtung der Kollagenfasern ist vor allem bei Verletzungen ?usserst n¨¹tzlich, wie weitere Experimente der Wissenschaftler zeigten: Schneidet man gespanntes weiches biologisches Gewebe ein, bildet sich ein Riss, doch an der Rissspitze r¨¹cken die Kollagenfasern zusammen. ?Wird das Gewebe dann weiter gespannt, reicht diese Verst?rkung in der Regel, um zu vermeiden, dass der Riss weiter w?chst?, erkl?rt Ehret.

Die Apparaturen, Hilfsmittel und Protokolle, die die Forschenden f¨¹r ihre Experimente ben?tigten, entwickelten sie in den letzten zehn Jahren eigens f¨¹r solche Untersuchungen. So konnten sie sowohl gr?ssere Gewebest¨¹cke als auch mikroskopisch kleine Gewebeteile in einer oder in mehreren Richtungen spannen ¨C etwa durch Aufblasen. Es gelang ihnen auch, die Reaktion des Gewebes zu quantifizieren, sowie die beobachteten Effekte mittels ebenfalls selbst entwickelten Computersimulationen zu beschreiben und zu erkl?ren.

Direkte Anwendungen in der Medizin

Doch Mazza und Ehret ging es nicht nur darum, zu verstehen, wie sich Gewebe unter Zugspannung verh?lt. ?Wir sind Ingenieure?, sagt Mazza. Und als solche arbeiten sie am liebsten an praktischen L?sungen im richtigen Leben. Die neuen Erkenntnisse fliessen deshalb direkt in konkrete medizinische Fragestellungen ein.

Zum Beispiel ins ?Tissue Engineering?, die k¨¹nstliche Herstellung von biologischen Geweben, die gesch?digtes Gewebe bei Patienten regenerieren oder ersetzen sollen. Die Forschenden m?chten aufgrund der neuen Erkenntnisse vor allem bei den Tr?germaterialien ansetzen, auf denen diese Gewebe gedeihen.

?Unser Ziel ist, f¨¹r die k¨¹nstlichen Gewebe m?glichst physiologische Bedingungen zu schaffen, also die Natur m?glichst genau zu imitieren?, erkl?rt Mazza. Er und seine Mitarbeiter sind ¨¹berzeugt, dass Zellen im wachsenden Gewebe vom Tr?germaterial Signale erhalten, die f¨¹r die sp?teren Eigenschaften des Ersatzgewebes eine wichtige Rolle spielen.

Dabei messen die Wissenschaftler der Interaktion zwischen Chemie und Mechanik eine fundamentale Rolle bei. ?Es ist entscheidend, dass das Tr?germaterial ¨¹ber die richtigen Eigenschaften verf¨¹gt. Dazu geh?rt insbesondere das richtige Zusammenspiel zwischen geladenen Makromolek¨¹len und Kollagenfasern?, erkl?rt Ehret.

Schneller neue Haut f¨¹r Verbrennungsopfer

Konkret planen die Forschenden, sich an einem Projekt des Kinderspitals Z¨¹rich zu beteiligen, bei dem es darum geht, Hautersatz f¨¹r Verbrennungsopfer besser und schneller zu z¨¹chten. Die Zusammenarbeit soll im Rahmen des Projekts Skintegrity des Verbunds Hochschulmedizin Z¨¹rich stattfinden. Den Projektantrag haben die Forschenden Ende September beim Schweizerischen Nationalfonds eingereicht.

Bereits heute bringt Mazzas Gruppe ihr Expertenwissen in ein Projekt des Universit?tsspitals Z¨¹rich ein, dass sich mit den erw?hnten Rissen in der Fruchtblase besch?ftigt. Zun?chst ging es dort darum, herauszufinden, welche Eigenschaften Gewebe haben m¨¹ssen, mit dem sich allf?llige Verletzungen reparieren lassen. Unterdessen liegt der Fokus auf der Frage, wieso diese ¨¹berhaupt entstehen. Auch hier sind die Biomechaniker in ihrem Element. ?Bei solchen Projekten mit medizinischer Relevanz einen Beitrag leisten zu k?nnen?, sagt Mazza, ?finden wir sehr motivierend.?