De kracht van collageen

Collageen is de lijm die ons lichaam bij elkaar houdt. Het zit in onze huid, botten, spieren, kraakbeen, gewrichtsbanden, haren, nagels – kortom, in bijna elk weefsel in ons lichaam. Collageeneiwitten vormen op sommige plekken, onder meer in de huid, netwerken die heel rekbaar zijn. Maar waarom die netwerken zo elastisch zijn, was tot nu toe nog onduidelijk. Onderzoekers van de TU Delft, AMOLF en Wageningen University & Research hebben nu ontdekt dat het aantal ‘kruispunten’ een belangrijke rol speelt. Tussen de drie en vier verbindingen per kruispunt is ideaal. Meer verbindingen maakt de collageennetwerken juist minder rekbaar. De nieuwe inzichten kunnen onder meer worden gebruikt voor de reparatie van beschadigd of verouderd weefsel, zoals kraakbeen of huid, en bij het kweken van nieuw huidweefsel voor brandwondenslachtoffers.

Wanordelijke netwerken
Collageen organiseert zich in ons lichaam op allerlei verschillende manieren. In pezen zijn de vezels bijvoorbeeld allemaal in dezelfde richting uitgelijnd, als een bundel touwen. “Dat is heel logisch, want pezen vangen trekkrachten op en worden dus maar in één richting belast”, legt Koenderink uit. “Andere weefsels, zoals de huid, worden in heel veel verschillende richtingen belast. Het is dan niet handig als de vezels zijn uitgelijnd.” In plaats daarvan vormt collageen in de huid, net als op veel andere plekken, wanordelijke netwerken die enorm flexibel zijn en mee kunnen bewegen met de krachten die erop komen te staan.

Naast het feit dat collageennetwerken flexibeler zijn dan collageenvezels, hebben de netwerken nog een voordeel: ze kunnen grotere krachten weerstaan voordat ze kapotgaan. Collageenvezels, zoals die in pezen, kun je ongeveer twintig procent oprekken voordat ze scheuren”, vertelt Koenderink. “Collageennetwerken, aan de andere kant, vervormen en bewegen mee met de kracht die erop wordt uitgeoefend. Je kunt ze tot maar liefst vijfentachtig procent oprekken voordat ze kapotgaan.”

Krachten uitoefenen
Om erachter te maken wat netwerken van collageen zo sterk maakt, bestelden de onderzoekers kant-en-klare collageenmoleculen, die commercieel verkrijgbaar zijn. Onder de juiste omstandigheden, namelijk een lage temperatuur en een lage (zure) pH-waarde, kunnen collageenmoleculen worden opgelost. “Door de opgeloste moleculen weer op te warmen tot 37 graden en de pH-waarde te verhogen, vormen de moleculen spontaan vezels, die op hun beurt netwerken vormen”, legt Koenderink uit.

Afhankelijk van de functie van het weefsel nemen collageennetwerken verschillende vormen aan. In dit plaatje zie je collageen opgezuiverd uit menselijk kraakbeen (links), koeienhuid (midden) en de staart van een rat (rechts).

Het op die manier gemaakte collageen klemden de onderzoekers tussen twee plaatjes in, waarbij ze de bovenste heen en weer lieten bewegen om zo krachten op het weefsel uit te oefenen. Door het binnenste van het collageen met een elektronenmicroscoop in beeld te brengen, en met behulp van computersimulaties van vezelnetwerken gemaakt door de onderzoekers in Wageningen, ontdekte het team wat sommige netwerken sterker maakte dan andere: het gemiddelde aantal verbindingen op de kruispunten in het netwerk. “Tot onze verbazing was het niet zo dat meer verbindingen per definitie beter was”, aldus Koenderink. “Integendeel, het ideale aantal verbindingen ligt tussen de drie en de vier.”

Tissue engineering
Achteraf zijn de bevindingen van de onderzoekers goed te verklaren: bij te veel verbindingen wordt een collageennetwerk stijf. “Dat zie je bijvoorbeeld bij littekenweefsel”, zegt Koenderink. “Hoe minder verbindingen, hoe meer mogelijkheden een collageennetwerk heeft om te vervormen, en hoe meer kracht je er dus op kunt uitoefenen voordat het kapotgaat. Vandaar dat een netwerk met een relatief klein aantal verbindingen het sterkst is.”

Begrip van de mechanica van levende weefsels kan leiden tot betere tissue engineering, bijvoorbeeld in het ontwikkelen van kweekhuid voor brandwondenslachtoffers. Het is daarnaast van belang voor het ontwerpen en creëren van nieuwe biomaterialen. Dat zijn door de natuur geïnspireerde materialen die eigenschappen hebben van levende weefsels. Koenderink: “Denk aan afbreekbare, plastic-achtige materialen, verpakkingen die van kleur veranderen als er teveel druk op komt te staan, of materialen die zichzelf herstellen wanneer ze beschadigd zijn. Ik denk dat we de komende jaren steeds meer van dit soort bijzondere materialen gaan zien.”

Referentie:
Connectivity and plasticity determine collagen network fracture, Federica Burla, Simone Dussi, Cristina Martinez-Torres, Justin Tauber, Jasper van der Gucht, Gijsje H. Koenderink, Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1920062117