Blod är ett anmärkningsvärt material:det måste förbli flytande inuti blodkärlen, men ändå koagulera så snabbt som möjligt utanför dem för att stoppa blödningen. Den kemiska kaskaden som gör detta möjligt är välkänd för blod från ryggradsdjur. Men hemolymfa, motsvarande blod i insekter, har en helt annan sammansättning, eftersom den saknar särskilt röda blodkroppar, hemoglobin och blodplättar och har amöbaliknande celler som kallas hemocyter istället för vita blodkroppar för immunförsvar.
Precis som blod koagulerar hemolymf snabbt utanför kroppen. Hur det gör det har länge förblivit en gåta. Nu har materialforskare visat i Frontiers in Soft Matter hur denna bedrift sköts av larver av Carolina sfinxmalen. Denna upptäckt har potentiella tillämpningar för humanmedicin, sa författarna.
"Här visar vi att dessa larver, kallade tobakshornmaskar, kan täta såren på en minut. De gör det i två steg:för det första, på några sekunder, blir deras tunna, vattenliknande hemolymfa "viskoelastisk" eller slemmig, och droppande hemolymf drar sig tillbaka till såret, säger seniorförfattaren Dr. Konstantin Kornev, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Clemson University.
"Närnäst aggregeras hemocyter, med början från sårytan och rör sig uppåt för att omsluta beläggningen hemolymfafilm som så småningom blir en skorpa som tätar såret."
Fullvuxna tobakshornmaskar, redo att förpuppas, är mellan 7,5 cm och 10 cm långa. De innehåller bara en liten mängd hemolymfa, som vanligtvis koagulerar inom några sekunder, vilket gör det svårt att studera med konventionella metoder.
Av dessa skäl var Kornev och kollegor tvungna att utveckla nya tekniker för denna studie och arbeta snabbt. Trots det var misslyckandefrekvensen för de svåraste manipulationerna enorm (upp till 95 %), vilket krävde många försök.
De höll fast enskilda hornmaskar i en plasthylsa och gjorde ett lätt sår i ett av varje larvs pseudoben genom ett fönster i hylsan. De rörde sedan vid den droppande hemolymfen med en metallkula, som drogs bort, vilket skapade en hemolymf "bro" (cirka två millimeter lång och hundratals mikrometer bred) som därefter smalnade och bröts och producerade satellitdroppar. Kornev och teamet filmade dessa händelser med en kamera med hög bildhastighet och makroobjektiv för att studera dem i detalj.
Omedelbar förändring av egenskaper
Dessa observationer antydde att hemolymfa under de första cirka fem sekunderna efter att ha börjat rinna betedde sig på samma sätt som vatten:i tekniska termer, som en newtonsk vätska med låg viskositet. Men inom de följande 10 sekunderna genomgick hemolymfen en markant förändring:den bröt nu inte omedelbart utan bildade en lång bro bakom den fallande droppen. Vanligtvis upphörde blödningen helt efter 60 till 90 sekunder, efter att en skorpa bildats över såret.
Kornev och kollegor studerade hemolymfens flytegenskaper ytterligare genom att placera en 10 mikrometer lång nickel nanorod i en droppe färsk hemolymfa. När ett roterande magnetfält fick nanorod att snurra, gav dess fördröjning i förhållande till magnetismen en uppskattning av hemolymfens förmåga att hålla tillbaka staven genom viskositet.
De drog slutsatsen att inom några sekunder efter att ha lämnat kroppen förändras larvens hemolymfa från en lågviskös till en viskoelastisk vätska.
"Ett bra exempel på en viskoelastisk vätska är saliv", sa Kornev. "När du smetar en droppe mellan fingrarna beter sig den som vatten:materialforskare kommer att säga att den är rent trögflytande. Men tack vare mycket stora molekyler som kallas muciner i den, bildar saliven en bro när du flyttar fingrarna isär. Därför är det ordentligt kallas viskoelastisk:viskös när du klipper den och elastisk när du sträcker den."
Forskarna använde vidare optisk faskontrast och polariserad mikroskopi, röntgenbilder och materialvetenskaplig modellering för att studera de cellulära processer genom vilka hemocyter aggregerar för att bilda en skorpa över ett sår. De gjorde detta inte bara hos Carolina sfinxfjärilar och deras larver, utan även hos 18 andra insektsarter.
Resultaten visade att hemolymfa av alla studerade arter reagerade på liknande sätt som skjuvning. Men dess reaktion på sträckning skilde sig drastiskt mellan den hemocytrika hemolymfan från larver och kackerlackor å ena sidan och den hemocytfattiga hemolymfan från vuxna fjärilar och nattfjärilar å andra sidan:droppar sträckte ut sig för att bilda broar för de två första, men omedelbart bröt för den senare.
"Att förvandla hemolymfa till en viskoelastisk vätska verkar hjälpa larver och kackerlackor att stoppa blödningar genom att dra tillbaka droppande droppar till såret på några sekunder", sa Kornev.
"Vi drar slutsatsen att deras hemolymfa har en enastående förmåga att omedelbart ändra sina materialegenskaper. Till skillnad från silkesproducerande insekter och spindlar, som har ett speciellt organ för att tillverka fibrer, kan dessa insekter göra hemolymffilament var som helst vid sår."
Forskarna drog slutsatsen att hemocyter spelar en nyckelroll i alla dessa processer. Men varför larver och kackerlackor behöver fler hemocyter än vuxna fjärilar och nattfjärilar är fortfarande okänt.
"Våra upptäckter öppnar dörren för att designa snabbarbetande förtjockningsmedel av mänskligt blod. Vi behöver inte nödvändigtvis kopiera den exakta biokemin, utan bör fokusera på att designa läkemedel som kan förvandla blod till ett viskoelastiskt material som stoppar blödning. Vi hoppas att våra fynd kommer att hjälpa till att utföra denna uppgift inom en snar framtid", sa Kornev.
Mer information: För att täta ett sår omvandlar larver blod från en viskös till en viskoelastisk vätska på några sekunder, Frontiers in Soft Matter (2024). DOI:10.3389/frsfm.2024.1341129. www.frontiersin.org/articles/1 … fm.2024.1341129/full
Tillhandahålls av Frontiers
