Wissenschaftler entdecken, wie Raupen ihre Blutung in Sekundenschnelle stoppen können

Blut ist ein bemerkenswertes Material: Es muss in den Blutgefäßen flüssig bleiben, außerhalb der Gefäße jedoch so schnell wie möglich gerinnen, um Blutungen zu stoppen. Die chemische Kaskade, die dies ermöglicht, ist für Wirbeltierblut gut bekannt. Aber Hämolymphe, das Äquivalent zum Blut bei Insekten, hat eine ganz andere Zusammensetzung, ihr fehlen vor allem rote Blutkörperchen, Hämoglobin und Blutplättchen und sie verfügt über amöbenähnliche Zellen, sogenannte Hämozyten, anstelle von weißen Blutkörperchen zur Immunabwehr.

Genau wie Blut gerinnt Hämolymphe außerhalb des Körpers schnell. Wie das gelingt, blieb lange Zeit ein Rätsel. Jetzt haben Materialwissenschaftler gezeigt Grenzen in der weichen Materie wie Raupen der Carolina-Sphinxmotte dieses Kunststück bewerkstelligen. Diese Entdeckung habe potenzielle Anwendungen für die Humanmedizin, sagten die Autoren.

„Hier zeigen wir, dass diese Raupen, Tabakhornwürmer genannt, die Wunden in einer Minute versiegeln können. Sie tun dies in zwei Schritten: Zuerst wird ihre dünne, wasserähnliche Hämolymphe in wenigen Sekunden ‚viskoelastisch‘ oder schleimig, und dann Tropfende Hämolymphe zieht sich zur Wunde zurück“, sagte der leitende Autor Dr. Konstantin Kornev, Professor am Department of Materials Science and Engineering der Clemson University.

„Als nächstes aggregieren Hämozyten, beginnend an der Wundoberfläche und wandern nach oben, um den bedeckenden Hämolymphfilm zu umarmen, der schließlich zu einer Kruste wird, die die Wunde verschließt.“

Anspruchsvoll zu lernen

Ausgewachsene, zur Verpuppung bereite Tabakschwärmer sind zwischen 7,5 cm und 10 cm lang. Sie enthalten nur eine winzige Menge Hämolymphe, die normalerweise innerhalb von Sekunden gerinnt, was eine Untersuchung mit herkömmlichen Methoden erschwert.

Aus diesen Gründen mussten Kornev und Kollegen neue Techniken für die vorliegende Studie entwickeln und schnell arbeiten. Dennoch war die Misserfolgsquote bei den kniffligsten Manipulationen enorm (bis zu 95 %), was viele 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 weggezogen wurde, wodurch eine Hämolymphen-„Brücke“ (etwa zwei Millimeter lang und Hunderte Mikrometer breit) entstand, die sich anschließend verengte und brach und Satellitentröpfchen erzeugte. Kornev und sein Team filmten diese Ereignisse mit einer Kamera mit hoher Bildfrequenz und einem Makroobjektiv, um sie im Detail zu untersuchen.

Sofortige Änderung der Eigenschaften

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

Kornev und Kollegen untersuchten die Fließeigenschaften der Hämolymphe weiter, indem sie einen 10 Mikrometer langen Nickel-Nanostab in einen Tropfen frischer Hämolymphe platzierten. Wenn ein rotierendes Magnetfeld den Nanostab in Drehung versetzte, lieferte seine Verzögerung gegenüber dem Magnetismus eine Schätzung der Fähigkeit der Hämolymphe, den Stab durch Viskosität zurückzuhalten.

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

„Ein gutes Beispiel für eine viskoelastische Flüssigkeit ist Speichel“, sagte Kornev. „Wenn man einen Tropfen zwischen den Fingern verschmiert, verhält er sich wie Wasser: Materialwissenschaftler sagen, er sei rein viskos. Aber dank der darin enthaltenen sehr großen Moleküle namens Mucine bildet der Speichel eine Brücke, wenn man die Finger auseinanderbewegt. Deshalb ist es richtig.“ man nennt es viskoelastisch: viskos, wenn man es schert, und elastisch, wenn man es dehnt.

Die Wissenschaftler nutzten außerdem optische Phasenkontrast- und Polarisationsmikroskopie, Röntgenbildgebung und materialwissenschaftliche Modellierung, um die zellulären Prozesse zu untersuchen, durch die sich Hämozyten zu einer Kruste über einer Wunde zusammenlagern. Dies taten sie nicht nur bei Carolina-Sphinxmotten und ihren Raupen, sondern auch bei 18 anderen Insektenarten.

Hämozyten sind der Schlüssel

Die Ergebnisse zeigten, dass die Hämolymphe aller untersuchten Arten ähnlich auf Scherkräfte reagierte. Doch die Reaktion auf Dehnung unterschied sich drastisch zwischen der hämozytenreichen Hämolymphe von Raupen und Kakerlaken einerseits und der hämozytenarmen Hämolymphe erwachsener Schmetterlinge und Motten andererseits: Bei den ersten beiden streckten sich Tröpfchen aus, um Brücken zu bilden, aber sofort für Letzteres pleite.

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

„Wir kommen zu dem Schluss, dass ihre Hämolymphe eine außergewöhnliche Fähigkeit besitzt, ihre Materialeigenschaften augenblicklich zu ändern. Im Gegensatz zu seidenproduzierenden Insekten und Spinnen, die über ein spezielles Organ zur Herstellung von Fasern verfügen, können diese Insekten bei einer Verletzung an jeder Stelle Hämolymphfilamente bilden.“

Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass Hämozyten bei all diesen Prozessen eine Schlüsselrolle spielen. Warum Raupen und Kakerlaken jedoch mehr Hämozyten benötigen als erwachsene Schmetterlinge und Motten, ist noch unbekannt.

„Unsere Entdeckungen öffnen die Tür für die Entwicklung schnell wirkender Verdickungsmittel für menschliches Blut. Wir müssen nicht unbedingt die exakte Biochemie kopieren, sondern sollten uns auf die Entwicklung von Arzneimitteln konzentrieren, die Blut in ein viskoelastisches Material umwandeln könnten, das Blutungen stoppt. Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse dies tun.“ „Wir werden dazu beitragen, diese Aufgabe in naher Zukunft zu erfüllen“, sagte Kornev.