Neues mathematisches Modell zeigt, wie umgebende Gewebekräfte Wunden heilen

Dank eines neuen mathematischen Modells, das von Forschern der Universität Bristol entwickelt wurde, könnte das Verständnis, wie Wunden nach einer Verletzung heilen, einen Schritt näher kommen.

Die Studie veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung baut auf früheren Arbeiten an Fruchtfliegen auf, bei denen die Forscher beobachteten, wie sich hautähnliche Epithelzellen bewegen, um eine Wunde zu bedecken.

Ein entscheidender Teil der Wundreparatur ist die Reepithelisierung, der Prozess, bei dem sich Hautzellen über eine Wunde ausbreiten, um die äußere Schutzbarriere des Körpers wieder aufzubauen. Wenn dieser Prozess fehlschlägt, können Wunden offen und anfällig für Infektionen bleiben. Daher ist es wichtig zu verstehen, welche physikalischen Mechanismen und Kräfte zu einem wirksamen Verschluss beitragen.

Um herauszufinden, wie dieser Heilungsschritt auf der Ebene einzelner Zellen funktioniert, untersuchte das Forscherteam die Wundheilung bei Fruchtfliegen. Mithilfe fortschrittlicher Deep-Learning-Tools analysierten sie Tausende von Zellen und entdeckten, dass die Zellen im Flügel der Fliege in einem hochorganisierten Muster angeordnet sind; Jede Zelle weist eine Kopf-Schwanz-Symmetrie auf und neigt dazu, sich entlang der Längsachse des Flügels auszurichten.

Das neu entwickelte mathematische Modell zielte darauf ab, zu verstehen, wie diese Zellausrichtungsmuster die Art und Weise beeinflussen, wie sich eine Wunde schließt. Das Modell behandelte das Gewebe wie eine Flüssigkeit, die aus vielen länglichen, ausgerichteten zellförmigen Partikeln besteht. Mit diesem Ansatz konnten die Forscher abschätzen, wie sich zuvor übersehene Kräfte, die im Gewebe um die Wunde wirken, auf den Verschluss auswirken.

Das Modell sagte voraus, dass diese Umgebungs- oder „Massenkräfte“ dazu führen können, dass eine Wunde, die anfänglich rund ist, beim Schließen gedehnt oder gestaucht wird und sich so an der natürlichen Richtung des umgebenden Gewebes ausrichtet. Als die Forscher ihre Vorhersagen anhand experimenteller Daten überprüften, fanden sie genau dieses Muster: Die Form der Wunde veränderte sich entsprechend der Ausrichtung des Gewebes.

Diese Forschung unterstreicht die Bedeutung von Kräften, die im eine Wunde umgebenden Gewebe erzeugt werden und die bisher von früheren mechanischen Modellen der Reepithelisierung vernachlässigt wurden. Es unterstreicht auch die Bedeutung der interdisziplinären Zusammenarbeit, denn ohne unsere experimentellen Beobachtungen der Zellausrichtungen wären wir nicht in der Lage, ein Modell für diese Massenkräfte des Gewebes abzuleiten.“

Henry Andralojc, Doktorand der Fakultät für Mathematik und Co-Autor

Tanniemola Liverpool, Professorin für Theoretische Physik an der School of Mathematics und Mitautorin, fügte hinzu: „Unsere Forschung hat ergeben, dass die vom umgebenden Gewebe erzeugten Kräfte eine wichtige Rolle dabei spielen, wie schnell eine Wunde heilt. Wenn das Gewebe nach innen zieht, schließt sich die Wunde schneller. Wenn das Gewebe nach außen drückt, verlangsamt sich der Wundverschluss.“

„Das von uns entwickelte Modell legt nahe, dass die Ausrichtung der Zellen um die Wunde zu vorübergehenden Störungen dieses geordneten Musters führen kann, diese kleinen Unregelmäßigkeiten jedoch verschwinden, wenn sich die Wunde schließlich schließt.“

Quellen: