De kracht van collageen

Collageen zit overal in ons lichaam, en hoewel het van nature enorm rekbaar is, zitten er grenzen aan die elasticiteit. "Wij doen al langer fundamenteel onderzoek naar collageen en vroegen ons af: wat maakt collageennetwerken zo rekbaar, en wat bepaalt de grens van die rekbaarheid?", zegt celbiofysica-expert Gijsje Koenderink van de TU Delft, dat het onderzoek uitvoerde in samenwerking met Amolf en Wageningen University & Research .

Het artikel is gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Collageen organiseert zich in ons lichaam op allerlei verschillende manieren. In pezen zijn de vezels bijvoorbeeld allemaal in dezelfde richting uitgelijnd, als een bundel touwen. "Dat is heel logisch, want pezen vangen trekkrachten op en worden dus maar in één richting belast. Andere weefsels, zoals de huid, worden in heel veel verschillende richtingen belast. Het is dan niet handig als de vezels zijn uitgelijnd." In plaats daarvan vormt collageen in de huid, net als op veel andere plekken, wanordelijke netwerken die enorm flexibel zijn en mee kunnen bewegen met de krachten die erop komen te staan.

Naast het feit dat collageennetwerken flexibeler zijn dan collageenvezels, hebben de netwerken nog een voordeel: ze kunnen grotere krachten weerstaan voordat ze kapotgaan. Collageenvezels, zoals die in pezen, kun je ongeveer twintig procent oprekken voordat ze scheuren. Collageennetwerken vervormen en bewegen mee met de kracht die erop wordt uitgeoefend. Je kunt ze tot maar liefst vijfentachtig procent oprekken voordat ze kapotgaan.

Krachten uitoefenen

Om erachter te maken wat netwerken van collageen zo sterk maakt, bestelden de onderzoekers kant-en-klare collageenmoleculen, die commercieel verkrijgbaar zijn. Onder de juiste omstandigheden, namelijk een lage temperatuur en een lage (zure) pH-waarde, kunnen collageenmoleculen worden opgelost. "Door de opgeloste moleculen weer op te warmen tot 37 graden en de pH-waarde te verhogen, vormen de moleculen spontaan vezels, die op hun beurt netwerken vormen."

Meer is niet beter

Het op die manier gemaakte collageen klemden de onderzoekers tussen twee plaatjes in, waarbij ze de bovenste heen en weer lieten bewegen om zo krachten op het weefsel uit te oefenen. Door het binnenste van het collageen met een elektronenmicroscoop in beeld te brengen, en met behulp van computersimulaties van vezelnetwerken gemaakt door onderzoekers in Wageningen, ontdekte het team wat sommige netwerken sterker maakte dan andere: het gemiddelde aantal verbindingen op de kruispunten in het netwerk. "Tot onze verbazing was het niet zo dat meer verbindingen per definitie beter was", aldus Koenderink. "Integendeel, het ideale aantal verbindingen ligt tussen de drie en de vier."

 
Achteraf zijn de bevindingen van de onderzoekers goed te verklaren: bij te veel verbindingen wordt een collageennetwerk stijf. "Dat zie je bijvoorbeeld bij littekenweefsel", zegt Koenderink. "Hoe minder verbindingen, hoe meer mogelijkheden een collageennetwerk heeft om te vervormen, en hoe meer kracht je er dus op kunt uitoefenen voordat het kapotgaat. Vandaar dat een netwerk met een relatief klein aantal verbindingen het sterkst is."