Onderhuids: hoe hyaluronzuur de stijfheid van weefsels reguleert

Onze huid is meestal zacht, maar kan als het nodig is ook stijf zijn. Ook andere weefsels, zoals spierweefsel en kraakbeen kunnen hun stijfheid veranderen op een manier die past bij hun functie in het lichaam. Wetenschappers van AMOLF en de Universiteit van Wageningen ontdekten onlangs dat hierbij naast collageen een ander biomolecuul een cruciale rol speelt. Hun experimenten laten zien hoe hyaluronzuur de stijfheid van de huid en andere weefsels heel precies reguleert. De onderzoekers publiceerden hun onderzoek op 25 februari in het toonaangevende tijdschrift Nature Physics.

Als je op je oorlel drukt, voelt dat zacht, maar als je eraan trekt, zul je merken dat de oorlel steeds stijver wordt. Dit vermogen van huid en andere weefsels om te schakelen tussen zacht en stevig is belangrijk voor ons dagelijks functioneren. Aan de ene kant moeten weefsels soepel zijn en ze moeten makkelijk van vorm veranderen. Dankzij deze eigenschappen kunnen we bijvoorbeeld ademen en lachen. Aan de andere kant moeten weefsels stijver worden als we ze te veel uitrekken, zodat ze niet kunnen breken. Zelfs bij langdurig uitrekken, zoals bij een zwangerschap, gaan de weefsels in ons lichaam niet kapot. Om te begrijpen hoe de huid en andere biologische weefsels met zulke grote mechanische vervormingen kunnen omgaan, wordt veel onderzoek gedaan naar de eigenschappen van collageen, een molecuul dat in heel het lichaam aanwezig is en waarvan bekend is dat het bijdraagt aan de stijfheid van weefsels.

Collageen
“Collageen moleculen in weefsel vormen een netwerk, dat zich bij uitrekken gedraagt als een soort visnet”, vertelt Federica Burla, promovendus in de groep Biological Soft Matter van AMOLF. “Op het strand onder invloed van kleine krachten kan zo’n net gemakkelijk uitgerekt worden. Maar als de visser het net vol met vis uit de zee haalt is het netwerk stijf genoeg om niet te breken.”

Hyaluronzuur
Ondanks dat wetenschappers veel wisten van collageen stelde de variatie in de manier waarop weefsels functioneren hun voor een raadsel. Zo heeft elk specifiek type weefsel, van huid tot kraakbeen of longweefsel, een eigen stijfheidsgedrag dat past bij de specifieke omgeving van dat weefsel in het lichaam. “Het leek erop dat er moleculen in het weefsel zaten die de eigenschappen van collageen op maat aanpassen”, zegt Burla. “Wij veronderstelden dat hyaluronzuur wel eens een belangrijke sturende rol kon hebben, omdat het in elk weefsel in verschillende hoeveelheden voorkomt. Dit maakte het een uitgelezen kandidaat om voor weefselspecifieke functionaliteit te zorgen. En deze veronderstelling bleek juist!”

Weefsels onder druk
Als je snijdt in levend weefsel, zoals kraakbeen, zal het openspringen. “Dit komt omdat veel moleculen in het weefsel, waaronder hyaluronzuur, een erg hoge elektrostatische lading hebben. Ze kunnen hierdoor een grote interne druk uitoefenen op het weefsel”, legt Burla uit. Samen met haar collega’s zag ze dit effect in het vereenvoudigde laboratoriummodel van weefsels dat ze maakten van gezuiverd collageen met hyaluronzuur. “Door zijn elektrostatische lading versterkt hyaluronzuur het collageennetwerk, maar het verandert ook de kracht die nodig is om het materiaal te laten omschakelen van zacht naar stevig.”

Kunstweefsel
Burla en haar collega’s werkten samen met theoretici van de Universiteit van Wageningen om een computermodel te maken dat beschrijft hoe collageen met verschillende hoeveelheden hyaluronzuur zich gedraagt onder druk. “Ons model blijkt ook toepasbaar voor andere vezelachtige netwerken,” aldus Burla. “Daarom kunnen we er niet alleen de eigenschappen van weefsels onder mechanische spanning mee verklaren, maar het ook gebruiken om nieuwe biologisch-geïnspireerde materialen te maken met slimme mechanische eigenschappen. We kunnen onze inzichten bijvoorbeeld gebruiken om kunstweefsels te maken die zich zoveel mogelijk gedragen als echte weefsels, zoals kunsthuid voor de genezing van brandwonden.

Referentie
F. Burla, J. Tauber, S. Dussi, J. van der Gucht, G.H. Koenderink, Stress management in composite biopolymer networks, Nature Physics (2019), doi.org/10.1038/s41567-019-0443-6

Credits: R. Struik (AMOLF)

Bijschrift
Collageen netwerken (gestreept/blauw) geven weefsels in het menselijk lichaam hun vorm. In deze schematische weergave is een hoge concentratie hyaluronzuur (rode filamenten) te zien. Deze hyaluronzuur moleculen dragen bij aan een vertraging van het moment waarop een weefsel omschakelt van flexibel naar stijf onder invloed van druk.