Rheolution-Artikel
Warum ist die Viskoelastizität im menschlichen Körper so wichtig?
von Dr. Dimitria Bonizol Camasao,
Senior Application Specialist bei Rheolution Inc.
Inwiefern lässt sich dieses viskoelastische Verhalten mit einem Organ in Verbindung bringen?
Der menschliche Körper steht ständig unter dem Einfluss einer Vielzahl von Kräften auf verschiedenen Skalen. Beginnen wir mit den größeren Skalen, Die Schwerkraft ist eine nach unten gerichtete Zugkraft, die die Erde auf den gesamten Körper ausübt. Knochen, Muskeln und das Herz wirken der Schwerkraft entgegen, damit der Körper beispielsweise aufrecht stehen, sich bewegen und Blut zum Gehirn pumpen kann. Muskeln üben beim Gehen, Laufen, Dehnen oder bei Bewegungen im Allgemeinen Antriebskräfte auf verschiedene Teile des menschlichen Körpers aus.
In kleinerem Maßstab, BlutpuBei jedem Herzschlag stößt das Blut gegen die Wände der Blutgefäße. Gase in den Lungenbläschen üben Kräfte auf deren Wände aus, wodurch sich diese ausdehnen, was wiederum dazu führt, dass sich die Lunge und der Brustkorb beim Atmen ausdehnen. All diese Organe und Gewebe bestehen aus Proteinen, Wasser und Zellen, die entweder passiv oder aktiv auf diese Kräfte reagieren. Die Reaktion auf all diese Kräfte ist für jedes Gewebe sehr spezifisch, und diese Reaktion trägt zur Funktion des Körpers bei.
Welche praktischen Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus diesen Informationen?
Das Verständnis der Viskoelastizität im menschlichen Körper ist von großer Bedeutung, vor allem aus den beiden nachfolgend aufgeführten Gründen:
1. Unterschiede in der viskoelastischen Eigenschaft des Gewebes können mit dem Vorliegen von Erkrankungen zusammenhängen
Menschliche Gewebe wie Haut, Muskel-, Herz- und Fettgewebe weisen jeweils eine spezifische Viskoelastizität auf. Mithilfe eines als Elastographie bezeichneten bildgebenden Verfahrens lassen sich die viskoelastischen Eigenschaften von Weichteilen im Körperinneren nicht-invasiv erfassen. Diese Informationen sind für die Erkennung des Vorliegens und des Schweregrads von Erkrankungen von Nutzen. So ist beispielsweise eine Leberfibrose die Bildung einer ungewöhnlich großen Menge an Narbengewebe, wenn die Leber versucht, beschädigtes Gewebe zu reparieren und zu ersetzen. Das Vorliegen einer Fibrose sollte zu härteren Bereichen mit höheren Steifigkeitswerten führen. Daher können die Ergebnisse der Elastographie das Vorliegen und das Ausmaß einer Fibrose aufzeigen, was bei der Wahl der besten Behandlung helfen kann.
2. Behandlungen und Therapien, bei denen Biomaterialien jeglicher Art zum Einsatz kommen, sollten dem natürlichen viskoelastischen Verhalten der Implantationsstelle entsprechen
Biomaterialien werden zur Herstellung medizinischer Implantate verwendet, die im Körper oder auf dessen Oberfläche eingesetzt werden. Ein Biomaterial ist im weitesten Sinne eine biologische oder synthetische Substanz, die bei Implantation in den Körper eine kontrollierte Reaktion des Wirts hervorruft. Ein ideales Biomaterial sollte die Eigenschaften der Implantationsstelle nachahmen. In unserer letzten Veröffentlichunghaben wir beispielsweise gesehen, dass Forscher versuchen, alternative Gefäßtransplantate zu den derzeit auf dem Markt erhältlichen steifen synthetischen Transplantaten zu entwickeln. Diese Diskrepanz in der Steifigkeit verhindert den Einsatz der verfügbaren Transplantate zum Ersatz von Gefäßen mit kleinem Durchmesser. Chemiker, Physiker, Biologen und Ingenieure bündeln ihr Fachwissen, um Biomaterialien zu entwickeln, die die biologischen und mechanischen Eigenschaften verschiedener menschlicher Gewebe nachbilden, sodass sie unter Einwirkung äußerer oder innerer Kräfte eine ähnliche Reaktion zeigen können.
Um zu veranschaulichen, wie wichtig es ist, die Eigenschaften des natürlichen Gewebes nachzubilden, können wir Zahnräder als Analogie für die Organe und Gewebe des menschlichen Körpers heranziehen, wie im Folgenden dargestellt:
Nehmen wir einmal an, dass sich jedes dieser Metallzahnräder (hier in Orange dargestellt) mit einer bestimmten Drehzahl dreht, um den Betrieb des Systems aufrechtzuerhalten. Stellen Sie sich nun vor, wir würden eines dieser Zahnräder durch ein anderes mit ähnlichen Abmessungen ersetzen, das jedoch aus Hartgummi besteht (in Marineblau dargestellt). Können wir davon ausgehen, dass dieses System weiterhin genau so funktioniert wie zuvor? Als Beispiel: Die Reibung zwischen Gummi und Metall unterscheidet sich von der zwischen Metall und Metall, weshalb auch die Kraft, die der Relativbewegung der Zahnräder entgegenwirkt, unterschiedlich ausfällt. Möglicherweise bleiben die geringfügigen Unterschiede zunächst unbemerkt, doch mit der Zeit kann sich die Summe dieser Unterschiede auf verschiedene Teile des Systems auswirken.
Wie wir sehen können, ist die Viskoelastizität eine physikalische Eigenschaft, die in engem Zusammenhang mit der Funktion des Gewebes steht. Das Verständnis dieses Zusammenhangs und die Fähigkeit, diese Eigenschaft zu messen, sind wichtig für die Erkennung des Vorliegens und des Schweregrads von Erkrankungen, die Verbesserung der Gesundheitsversorgung sowie die Entwicklung neuartiger Behandlungen und Therapien für Erkrankungen mit ungedecktem medizinischem Bedarf.
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