Biomechaniker analysieren Arterien-Mikrostruktur

Forscher der TU-Graz: Orientierung von Kollagenfasern liefert wichtige Information zum besseren Verständnis von Degenerationen

Graz - Kollagen, Elastin und glatte Muskelzellen bilden das biomechanische Rückgrat in den Blutgefäßen. Verändert sich ihre Mikrostruktur und Zusammensetzung, kann es zu Versteifungen, aber auch zu krankhaften Gefäßerweiterungen kommen. Am Institut für Biomechanik der TU Graz werden die biomechanischen Eigenschaften der Arterien analysiert, um natürliche Veränderung und Erkrankungen besser zu verstehen. Die jüngsten Erkenntnisse wurden im aktuellen "Journal of the Royal Society Interface" publiziert.

Durch Alterungsprozesse und Erkrankungen kann es bei Blutgefäßen zu einer zunehmenden Versteifung und abnehmenden Elastizität der Gefäßwand, zu Verdickungen oder Verengungen kommen. Um das Risiko von Patienten zu minimieren und Prognosen künftig besser erstellen zu können, arbeiten Grazer Wissenschafter unter Gerhard A. Holzapfel daran, mittels experimenteller Materialdaten und Simulationen am Computer eine genaue quantitative Beschreibung der komplexen biomechanischen Vorgänge zu erstellen.

"Während Elastin für die elastischen Eigenschaften von Arterienwänden verantwortlich ist, sorgen die Kollagenfasern für die Steifigkeit und Belastbarkeit des Blutgefäßes. Verändert sich ihre Struktur, verändert sich auch die Belastbarkeit des Gefäßes", schilderte Andreas J. Schriefl, technischer Physiker am Institut für Biomechanik. "Wir wollen erkennen, wie sich der strukturelle Aufbau der Kollagenfasern von gesunden und kranken Gefäßen unterscheidet".

Neues Verfahren entwickelt

Durch die Evaluierung der kollagenbezogenen morphologische Daten innerhalb der arteriellen Gefäßwand könne man die zugrundeliegenden mechanischen Prinzipien besser verstehen, die letztlich das Verhalten der Gefäßwand regeln. Daraus erhalte man wiederum Informationen, welchen Belastungen das Gewebe überhaupt standhalten kann, schilderte der Forscher. Er hat ein neues automatisiertes Verfahren zur Bewertung der Kollagenfasern aufgrund ihrer räumlichen Orientierung entwickelt.

Sein Verfahren hat Schriefl an menschlichen Aortenproben erprobt. Die Aufnahme der Gewebsmorphologie wurde mittels sogenannter CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)-Spektroskopie an einem Multiphotonenmikroskop durchgeführt, die auf der nichtlinearen Raman-Streuung von Licht an Festkörpern basiert. Der Kontrast zur Bildgebung entsteht durch gezielte Anregung von Eigenschwingungen der Kollagenmoleküle in der Probe. Während die Vermessungen der Kollagenfaserorientierungen am zweidimensionalen Bild bisher hauptsächlich händisch vorgenommen wurden, publizierten Schriefl und sein Team eine elektronische Bildverarbeitungsmethode mit morphologischen Daten. Hier wurden v.a. die Winkelverteilungen und Parameter für Simulationen automatisch berechnet: "Nun schaffen wir die Vermessung und Analyse eines 2D-Bildes in zwei Minuten, zuvor waren es zwei Tage."

"Wir haben gesehen, dass sich die Orientierungen der Fasern im gesunden und kranken Zustand deutlich voneinander unterscheiden", so Schriefl. Im Allgemeinen zeigen Kollagenfasern in der gesunden Arterienwand eine schraubenförmige Anordnung, wobei sich charakteristische Vorzugsrichtungen ergeben. Bei krankhaften Veränderungen kommt es zu stärkeren Abweichungen, sogenannten erhöhten Dispersionen, erläuterte der Forscher. (APA, 4.7.2012)