Сухожилия – «марионеточные» нити организма, соединяющие кости с мышцами, которые поднимают бровь или, например, заставляют нас бежать. Так и есть, пока непривычно сильное или неудачное напряжение сухожилий не приводит к растяжению или разрыву. Хирурги ежегодно имеют дело с 300 000 случаями повреждения этого вида, а количество посещений терапевта с проблемой больных сухожилий превышает несколько миллионов.

Используя комбинацию нанатехнологии, биоинженерии и строительства в изучении структуры сухожилий, начиная с атомного уровня, исследователи частично приоткрыли завесу тайны и рассказали, почему у нас бывают проблемы с сухожилиями.

В новом исследовании, проведенным учеными из университета Case Western Reserve University, были изучены отдельные нити этих важных соединительных элементов и обнаружено слабое звено – потенциальные мишени для методов отображения, которые помогут обнаружить проблему, прежде чем сухожилие будет травмировано, и увеличить эффективность медицинских препаратов и скорость заживления повреждения. Их работа опубликована в сентябрьском выпуске журнала Биофизики (Biophysical Journal).

Эти нити являются коллагеновыми волокнами, аналог более жесткой формы мягкой ткани, которую имплантируют для увеличения объема губ.

«Коллагеновые волокна примерно в 5 раз прочнее и могут растягиваться в 5 раз больше, чем само сухожилие», говорит Стивен Эппелл, преподаватель по биоинжинерии и главный автор данного исследования.

«Сухожилия на 80-90% состоят из коллагена, но механические свойства, такие как прочность, скорее всего, регулируются чем-то другим». Этим что-то являются связующее вещество, которое соединяет пучки волокон между собой. Оно состоит из молекул, которые называются протеогликаны. Это связующее вещество, или зона соприкосновения между коллагеновыми волокнами и протеогликанами, по мнению исследователей, является самым слабым местом во всей этой системе.

Исследователи предположили, что это так, но непосредственно протестировать связующее вещество, которое более сложное и менее доступное, чем волокна, оказалось не так-то просто. Поэтому, они решили исследовать прочность только коллагеновых волокон и затем сравнить ее с прочностью всего сухожилия.

Чтобы протестировать прочность волокон при растяжении, диаметр которых в 100 раз меньше, чем диаметр человеческого волоса, команда Эппелла использовало то, что, по сути, является структурным анализом на микрочипе. Это позволило им измерить, как сильно волокно может растянуться и какую нагрузку они выдерживают, прежде чем порваться.

«Это является сродни тому, что инженеры-конструкторы используют для испытания стальной балки под весом в 100 000 футов, только на микроуровне», говорит соавтор Роберто Балларини, в прошлом профессор гражданской инженерии в университете Case Western Reserve, а теперь председатель по гражданской инженерии в Университете Миннесоты. Баларини является одним из разработчиков устройства для тестирования прочности волокон.

В первых подобных экспериментах ученые приклеивали один конец волокна, взятого из морского огурца, к неподвижной стойке, а другой к подвижному блоку. При растяжении в разные стороны, волокна растягивались на 100% от своей длины в состоянии покоя, прежде чем разорваться. Сухожилие же растягивается только на 10-20% до разрыва.

Новая технология, разработанная Жилей Шен, в рамках ее диссертационной работы на соискание ученой степени, позволило ей поместить волокна в раствор хлорида натрия, чтобы воспроизвести естественные условия в организме. Предыдущее тестирование на дегидратированных волокнах и сухожилиях дали совсем другие результаты.

Исследователи полагают, что, в целом, именно вода отвечает за целостность волокон и сухожилия. Так как протеогликаны в связующем веществе в основном отвечают за степень гидратации зоны вокруг волокон, команда предполагает, что именно они должны быть в центре внимания при разработке медицинских препаратов для контролирования прочности сухожилия.

Исследователи, совместно с учеными из Университета Иешива и специалистами по мультимасштабному моделированию из Массачусетского технологического института, подали заявку на финансирование, чтобы продолжить начатую работу.

Их следующими шагами будет проведение более подробного тестирования пучков волокон и всего сухожилия, а также компьютерного моделирования, с помощью которого будет установлена взаимосвязь между поведением отдельных атомов и их соединений с молекулярным поведением, и, в конечном итоге, с механикой смоделированных волокон и сухожилий. Эти модели будут проверены относительно экспериментальных данных, собранных в биоинженерном отделе Университета Case Western Reserve.

Хотя работа будет нацелена на изучение сухожилий, исследование также прольет свет на деятельность коллагена в связках, коже и даже минерализованном коллагене костной ткани.