Wissenschaftler entdecken, wie Raupen Blutungen in Sekundenschnelle stoppen können

Blut ist ein bemerkenswertes Material: Es muss innerhalb der Blutgefäße flüssig bleiben, außerhalb der Gefäße jedoch so schnell wie möglich gerinnen, um die Blutung zu stoppen. Die chemische Kaskade, die dies ermöglicht, ist für Wirbeltierblut gut bekannt. Aber Hämolymphe, das Insektenäquivalent von Blut, hat eine ganz andere Zusammensetzung, insbesondere fehlen rote Blutkörperchen, Hämoglobin und Blutplättchen und sie enthält amöbenähnliche Zellen, sogenannte Hämozyten, anstelle von weißen Blutkörperchen zur Immunabwehr.

Genau wie Blut gerinnt Hämolymphe außerhalb des Körpers schnell. Wie das geschieht, blieb lange Zeit ein Rätsel. Heute haben Materialwissenschaftler gezeigt Grenzen der weichen Materie wie diese Leistung den Raupen der Carolina-Sphinx gelingt. Diese Entdeckung hat potenzielle Anwendungen für die Humanmedizin, sagen die Autoren.

„Hier zeigen wir, dass diese Raupen, sogenannte Tabakschwärmer, Wunden innerhalb einer Minute verschließen können. Dies geschieht in zwei Schritten: Erstens wird ihre dünne, wasserähnliche Hämolymphe innerhalb von Sekunden „viskoelastisch“ oder zähflüssig, und die fließende Hämolymphe schrumpft die Wunde“, sagte Hauptautor Dr. Konstantin Kornev, Professor am Department of Materials Science and Engineering der Clemson University.

„Dann aggregieren die Hämozyten, beginnend an der Oberfläche der Wunde und wandern nach oben, um den Hämolymphfilm zu umschließen, der schließlich zu einem Schorf wird, der die Wunde verschließt.“

Schwer zu studieren

Reife, verpuppungsbereite Tabakwürmer sind zwischen 7,5 cm und 10 cm lang. Sie enthalten nur eine geringe Menge Hämolymphe, die normalerweise innerhalb von Sekunden gerinnt, was eine Untersuchung mit herkömmlichen Methoden erschwert.

Aus diesen Gründen mussten Kornev und seine Kollegen schnell neue Techniken für die vorliegende Studie entwickeln und arbeiten. Allerdings war die Misserfolgsquote bei den heikelsten Manipulationen enorm (bis zu 95 %), was zahlreiche Versuche erforderte.

Sie hielten einzelne Hornwürmer in einer Plastikhülle fest und verursachten durch ein Fenster in der Hülle eine leichte Wunde in einem der Pseudobeine jeder Raupe. Anschließend berührten sie die tropfende Hämolymphe mit einer Metallkugel, die entfernt wurde, wodurch eine „Brücke“ aus Hämolymphe (etwa zwei Millimeter lang und mehrere hundert Mikrometer breit) entstand, die dann schrumpfte und sich ausdehnte. Sie brach und erzeugte Satellitentröpfchen. Kornev und sein Team filmten diese Ereignisse mit einer Kamera mit hoher Bildfrequenz und einem Makroobjektiv und untersuchten sie im Detail.

Sofortige Änderung der Eigenschaften

Diese Beobachtungen legen nahe, dass sich Hämolymphe in den ersten etwa fünf Sekunden nach Beginn des Flusses ähnlich wie Wasser verhält: technisch gesehen wie eine Newtonsche Flüssigkeit mit niedriger Viskosität. Doch in den nächsten 10 Sekunden vollzog sich in der Hämolymphe eine deutliche Veränderung: Sie brach nicht mehr sofort, sondern bildete hinter dem fallenden Tropfen eine lange Brücke. Typischerweise stoppt die Blutung nach 60 bis 90 Sekunden vollständig, nachdem sich auf der Wunde eine Kruste gebildet hat.

Kornev und seine Kollegen untersuchten die Fließeigenschaften der Hämolymphe weiter, indem sie einen 10 Mikrometer langen Nickel-Nanostab in einen frischen Hämolymphtröpfchen platzierten. Wenn ein rotierendes Magnetfeld den Nanostab drehte, lieferte seine Verschiebung relativ zum Magnetismus eine Schätzung der Fähigkeit der Hämolymphe, den Nanostab durch Viskosität festzuhalten.

Sie kamen zu dem Schluss, dass sich die Hämolymphe der Raupe innerhalb von Sekunden nach dem Verlassen des Körpers von einer niedrigviskosen Flüssigkeit in eine viskoelastische Flüssigkeit verwandelt.

„Ein gutes Beispiel für eine viskoelastische Flüssigkeit ist Speichel“, sagte Kornev. „Wenn man einen Tropfen zwischen den Fingern verteilt, verhält er sich wie Wasser: Wissenschaftler sagen, er sei rein viskos. Doch dank sehr großer Moleküle namens Mucine bildet der Speichel eine Brücke, wenn man die Finger spreizt. Daher wird er korrekterweise als viskoelastisch bezeichnet: zähflüssig bei Scherung und elastisch bei Dehnung.

Die Wissenschaftler verwendeten außerdem Phasenkontrast- und polarisierte optische Mikroskopie, Röntgenbildgebung und materialwissenschaftliche Modellierung, um die zellulären Prozesse zu untersuchen, durch die sich Hämozyten zu einem Schorf auf einer Wunde zusammenlagern. Dies taten sie nicht nur bei Karibischen Schwärmern und ihren Raupen, sondern auch bei 18 anderen Insektenarten.

Hämozyten sind der Schlüssel

Die Ergebnisse zeigten, dass die Hämolymphe aller untersuchten Arten gleich auf Scherkräfte reagierte. Die Reaktion auf die Dehnung unterschied sich jedoch erheblich zwischen der hämozytenreichen Hämolymphe von Raupen und Kakerlaken einerseits und der hämozytenarmen Hämolymphe von Motten und erwachsenen Schmetterlingen andererseits: Bei den ersten beiden streckten sich die Tröpfchen, um Brücken zu bilden, brachen aber sofort für letztere.

„Die Umwandlung der Hämolymphe in eine viskoelastische Flüssigkeit scheint Raupen und Kakerlaken dabei zu helfen, Blutungen zu stoppen und tropfende Tröpfchen innerhalb von Sekunden zurück zur Wunde zu ziehen“, sagte Kornev.

„Wir kommen zu dem Schluss, dass ihre Hämolymphe eine außergewöhnliche Fähigkeit besitzt, ihre Materialeigenschaften sofort zu ändern. Im Gegensatz zu seidenproduzierenden Insekten und Spinnen, die über ein spezielles Organ zur Herstellung von Fasern verfügen, können diese Insekten an jeder Stelle Hämolymphfäden bilden, wenn sie verletzt werden.“ ”

Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass Hämozyten bei all diesen Prozessen eine Schlüsselrolle spielen. Es ist jedoch immer noch unklar, warum Raupen und Kakerlaken mehr Hämozyten benötigen als erwachsene Schmetterlinge und Motten.

„Unsere Ergebnisse öffnen die Tür zur Entwicklung schneller Verdickungsmittel für menschliches Blut. Wir müssen nicht unbedingt die exakte Biochemie kopieren, sondern sollten uns auf die Entwicklung von Medikamenten konzentrieren, die Blut in ein viskoelastisches Material umwandeln können, das Blutungen stoppt. Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse helfen werden.“ „Wir werden diese Aufgabe in naher Zukunft erfüllen“, sagte Kornev.