Die Mechanik von Explosionsverletzungen

Wissenschaftler haben einen Mechanismus entdeckt, der der Art der Gehirnverletzung zugrunde liegt, die Soldaten häufig als Folge von Explosionen am Straßenrand im Irak und in Afghanistan erleiden. Die Arbeit könnte den Weg für eine frühzeitige Behandlung dieser akuten Explosionsverletzungen weisen, indem potenzielle Angriffspunkte für Medikamente identifiziert werden.

Zwei neue Papiere von der Gruppe für Krankheitsbiophysik an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences und dem Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering unter der Leitung von Kevin Kit Parker verwenden Tissue-Engineering-Techniken, um die physikalischen und biochemischen Auswirkungen von traumatischen Hirnverletzungen (SHT) im Gehirn und in den Blutgefäßen zu modellieren. Laut Parker stellt die Arbeit einen ersten Schritt hin zu einem TBI auf einem Chip dar, der verwendet werden könnte, um nach Medikamenten zur Behandlung von durch Explosion verletzten Soldaten zu suchen, bevor Langzeitschäden auftreten.



TBI, das durch Explosionen von improvisierten Sprengkörpern und raketengetriebenen Granaten verursacht wird, ist die häufigste Verletzung bei Soldaten im Irak und in Afghanistan. Selbst ein leichtes SHT ist eine heimtückische Verletzung, da es das Gehirn auf eine Weise schädigt, die nicht sofort sichtbar ist und für die Ärzte derzeit wenig tun können. Es wird allgemein angenommen, dass die Verletzung das Gehirn schädigt, indem sie Neuronen bis zum Bruch dehnt und kleine Löcher in die Zellmembran reißt, die die Zellen schließlich töten. Aber Parker sagt, sein Team habe herausgefunden, dass es nicht notwendig sei, die Membran zu beschädigen, um SHT-ähnliche Verletzungen in der Zelle hervorzurufen.

Beide Arbeiten konzentrieren sich auf Integrine, eine Art Zellmembranprotein, das die mechanischen Kräfte einer Verletzung in innere Veränderungen in der Zelle übersetzt. Die Forscher setzten Zellen kurzen, abrupten Kräften aus. Solche Systeme wurden in der Vergangenheit verwendet, aber Parkers Team setzte Kräfte ein, die nicht stark genug waren, um die Zelle physisch zu zerreißen. Sie fanden heraus, dass dies die gleichen strukturellen Veränderungen in Neuronen und Blutgefäßzellen verursachen könnte, wie sie im Gehirn von Menschen mit SHT beobachtet werden.

David Hovda , der das Brain Injury Research Center an der University of California in Los Angeles leitet, sagt, dass die Studien Menschen, die an TBI gearbeitet haben, dazu bringen werden, über diese Verletzungen auf eine neue Art und Weise nachzudenken. Er glaubt auch, dass die Ergebnisse möglicherweise für Menschen mit anderen Arten von Hirnverletzungen gelten könnten, obwohl der Unterschied zwischen Explosionen und anderen Traumata derzeit umstritten ist. Hovda sagt jedoch, dass sie wie andere Studien an isolierten Zellen möglicherweise wirklich erfassen, was im Gehirn passiert. Traumata seien die komplizierteste Verletzungsform und das Gehirn das komplizierteste Organ, sagt er. Er sagt, dass mehr Studien und Autopsien an verwundeten Soldaten durchgeführt werden müssen, um die Auswirkungen von Explosionen auf das menschliche Gehirn zu verstehen.

In einem der Papiere, veröffentlicht in heute in Plus eins , befestigten die Forscher magnetische Kügelchen an Integrinkomplexen, die als eine Art struktureller Anker in Zellen entlang der Axone von Neuronen fungieren. Sie fanden heraus, dass nur eine kleine Kraft auf die Perlen ausgeübt werden musste, um Axone zu verletzen. Darüber hinaus würden sich die Kräfte auf eine Perle durch das Skelett der Zelle nach einem anderen Axon ausbreiten, wodurch das entfernte Axon bricht oder verletzt wird. Parker sagt, dass die Ausbreitung von Kräften durch Neuronen erklärt, warum Schäden an Axonen sogar weit von der Verletzungsstelle im menschlichen Gehirn gesehen werden können.

Das andere Papier, veröffentlicht letzte Woche in Proceedings of the National Academy of Sciences , zeigt, dass Integrine auch ein Problem vermitteln können, das als zerebraler Vasospasmus bezeichnet wird, eine Verengung der Blutgefäßöffnungen, die Tage bis Monate nach einer Explosionsverletzung beginnt. Parker erklärt, dass Vasospasmen zwar auftreten können, wenn Blutgefäße brechen und ausbluten, manchmal jedoch keine Blutung auftritt und ein anderer Prozess im Spiel sein muss. Sein Team konstruierte Arterien aus Blutgefäßzellen und untersuchte die Auswirkungen einer blastenähnlichen Dehnung. Wir fanden heraus, dass die Explosion innerhalb von 24 Stunden einen genetischen Schalter umgelegt hatte, sagt er. Dies führt zu chemischen und physikalischen Veränderungen, die für Zellen bei zerebralem Vasospasmus charakteristisch sind.

Sowohl in den Neuronen als auch in den Blutgefäßzellen verringerte die Behandlung der Zellen mit einem Medikament, das ein durch Integrine aktiviertes Protein hemmt, die Verletzung. Parker glaubt, dass die gezielte Behandlung dieser oder ähnlicher chemischer Pfade eine Möglichkeit sein könnte, Soldaten direkt nach Explosionen zu behandeln, um einige der langsameren biochemischen Wirkungen zu verhindern, die aus dem anfänglichen Trauma resultieren.

Parker, ein Major der US-Armee, der in Afghanistan gedient hat, arbeitet normalerweise an anderen biophysikalischen Problemen, wurde aber in das Projekt involviert, nachdem er Zeit auf einem Schlachtfeld mit Colonel Geoffrey Ling verbracht hatte, einem auf Hirntraumata spezialisierten Neurologen der US-Armee; Ling ist jetzt Programmmanager bei der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), wo er die Bemühungen um die Finanzierung der Forschung zur Wissenschaft von TBI leitet. Da es sehr schwierig ist zu wissen, was in den Gehirnen von verletzten Soldaten passiert, sagt Parker, brauchen wir eine andere Möglichkeit, das Problem zu untersuchen: Wenn Sie keine Modelle für IED-Explosionen bauen, wird es schwierig sein, Leute dazu zu bringen, hereinzukommen dieses Feld.

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