Il sangue è un materiale straordinario:deve rimanere fluido all'interno dei vasi sanguigni, ma coagularsi il più rapidamente possibile all'esterno, per fermare l'emorragia. La cascata chimica che rende ciò possibile è ben nota per il sangue dei vertebrati. Ma l'emolinfa, l'equivalente del sangue degli insetti, ha una composizione molto diversa, essendo notevolmente priva di globuli rossi, emoglobina e piastrine e avendo cellule simili all'ameba chiamate emociti invece dei globuli bianchi per la difesa immunitaria.
Proprio come il sangue, l’emolinfa si coagula rapidamente all’esterno del corpo. Come ciò avvenga è rimasto a lungo un enigma. Ora, gli scienziati dei materiali lo hanno dimostrato in Frontiers in Soft Matter come questa impresa viene gestita dai bruchi della falena sfinge della Carolina. Questa scoperta ha potenziali applicazioni per la medicina umana, hanno affermato gli autori.
"Qui mostriamo che questi bruchi, chiamati hornworms del tabacco, possono sigillare le ferite in un minuto. Lo fanno in due passaggi:in primo luogo, in pochi secondi, la loro sottile emolinfa simile all'acqua diventa "viscoelastica" o viscida, e il l'emolinfa gocciolante si ritrae nella ferita," ha detto l'autore senior Dr. Konstantin Kornev, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Clemson University.
"Successivamente, gli emociti si aggregano, partendo dalla superficie della ferita e risalendo fino ad abbracciare il film emolinfatico di rivestimento che alla fine diventa una crosta che sigilla la ferita."
I corni del tabacco completamente cresciuti, pronti a diventare pupi, sono lunghi tra 7,5 cm e 10 cm. Contengono solo una piccola quantità di emolinfa, che in genere si coagula in pochi secondi, il che rende difficile lo studio con i metodi convenzionali.
Per questi motivi, Kornev e colleghi hanno dovuto sviluppare nuove tecniche per il presente studio e lavorare velocemente. Anche così, il tasso di fallimento per le manipolazioni più complicate era enorme (fino al 95%), richiedendo molti tentativi.
Hanno trattenuto i singoli vermi in una manica di plastica e hanno praticato una leggera ferita in una delle pseudozampe di ciascun bruco attraverso una finestra nella manica. Hanno quindi toccato l'emolinfa gocciolante con una sfera di metallo, che è stata tirata via, creando un "ponte" di emolinfa (lungo circa due millimetri e largo centinaia di micrometri) che successivamente si è ristretto e rotto, producendo goccioline satellitari. Kornev e il team hanno filmato questi eventi con una fotocamera ad alto frame rate e un obiettivo macro, per studiarli in dettaglio.
Modifica istantanea delle proprietà
Queste osservazioni suggerivano che durante i primi cinque secondi circa dopo l'inizio del flusso, l'emolinfa si comportava in modo simile all'acqua:in termini tecnici, come un liquido newtoniano, a bassa viscosità. Ma nei successivi 10 secondi l’emolinfa subì un netto cambiamento:ora non si spezzò istantaneamente ma formò un lungo ponte dietro la goccia che cadeva. In genere, il sanguinamento si arresta completamente dopo 60-90 secondi, dopo che si è formata una crosta sulla ferita.
Kornev e colleghi hanno studiato ulteriormente le proprietà del flusso dell'emolinfa posizionando un nanorod di nichel lungo 10 micrometri in una gocciolina di emolinfa fresca. Quando un campo magnetico rotante faceva ruotare la nanoasta, il suo ritardo rispetto al magnetismo forniva una stima della capacità dell'emolinfa di trattenere la barra attraverso la viscosità.
Hanno concluso che entro pochi secondi dopo aver lasciato il corpo, l'emolinfa del bruco si trasforma da fluido a bassa viscosità in fluido viscoelastico.
"Un buon esempio di fluido viscoelastico è la saliva", ha detto Kornev. "Quando spalmi una goccia tra le dita, si comporta come l'acqua:gli scienziati dei materiali diranno che è puramente viscosa. Ma grazie alle molecole molto grandi chiamate mucine, la saliva forma un ponte quando allontani le dita. Pertanto, è correttamente chiamato viscoelastico:viscoso quando lo tagli ed elastico quando lo allunghi."
Gli scienziati hanno inoltre utilizzato la microscopia ottica a contrasto di fase e polarizzata, l’imaging a raggi X e la modellazione della scienza dei materiali per studiare i processi cellulari mediante i quali gli emociti si aggregano per formare una crosta sopra una ferita. Lo hanno fatto non solo con le falene sfinge della Carolina e i loro bruchi, ma anche con altre 18 specie di insetti.
I risultati hanno mostrato che l'emolinfa di tutte le specie studiate reagiva in modo simile al taglio. Ma la sua reazione allo stiramento differiva drasticamente tra l'emolinfa ricca di emociti di bruchi e scarafaggi da un lato, e l'emolinfa povera di emociti di farfalle e falene adulte dall'altro:le goccioline si allungavano per formare ponti per i primi due, ma immediatamente si è rotto per quest'ultimo.
"Trasformare l'emolinfa in un fluido viscoelastico sembra aiutare i bruchi e gli scarafaggi a fermare qualsiasi sanguinamento, ritirando le goccioline gocciolanti nella ferita in pochi secondi", ha detto Kornev.
"Concludiamo che la loro emolinfa ha una straordinaria capacità di modificare istantaneamente le sue proprietà materiali. A differenza degli insetti e dei ragni produttori di seta, che hanno un organo speciale per produrre fibre, questi insetti possono produrre filamenti di emolinfa in qualsiasi punto dopo aver ferito.">
Gli scienziati hanno concluso che gli emociti svolgono un ruolo chiave in tutti questi processi. Ma non è ancora noto il motivo per cui bruchi e scarafaggi abbiano bisogno di più emociti rispetto a farfalle e falene adulte.
"Le nostre scoperte aprono la strada alla progettazione di addensanti rapidi per il sangue umano. Non dobbiamo necessariamente copiare l'esatta biochimica, ma dovremmo concentrarci sulla progettazione di farmaci che possano trasformare il sangue in un materiale viscoelastico che smetta di sanguinare. Ci auguriamo che le nostre scoperte possano contribuire a realizzare questo compito nel prossimo futuro," ha detto Kornev.
Ulteriori informazioni: Per sigillare una ferita, i bruchi trasformano il sangue da un fluido viscoso a un fluido viscoelastico in pochi secondi, Frontiers in Soft Matter (2024). DOI:10.3389/frsfm.2024.1341129. www.frontiersin.org/articles/1 … fm.2024.1341129/full
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