Navdih iz narave – ose in sodobne kirurške igle

Razvoj nove generacije igel, debelih manj kot milimeter, ki bodo omogočale doseganje visokih krivin znotraj trdnih tkiv.

sob, 09.09.2017, 11:00
Pokazali smo, da lahko ose iz ene same točke na površini substrata vrtajo v katerokoli smer, ne glede na to, kako so orientirane.

Vrtanje v trdne substrate je s tankimi strukturami težko, saj se te rade zvijejo ali zlomijo. Veliko vrst parazitskih os pa to običajno počne med iskanjem gostiteljev za lego jajčec. Razumevanje, kako jim to uspe, lahko pripomore k razvoju novih tankih sond ali orodij za minimalno invazivno kirurgijo.

Parazitske ose odlagajo jajčeca poleg oziroma v ličinke žuželk, ki so pogosto precej globoko skrite v različnih substratih. Vrste parazitskih os so se tako specializirale za ‘vrtanje’ v raznolike substrate, kot so sadje, šiške in celo drevesna debla. Svoje gostitelje najdejo s pomočjo leglic – to so tanke, iglam podobne strukture, ki izraščajo iz njihovega zadka. Leglice parazitskih os merijo v širino od nekaj deset do nekaj sto mikrometrov, v dolžino pa od nekaj milimetrov do nekaj centimetrov. Torej so izredno tanke. To jim omogoča dejstvo, da so vse mišice, ki leglico upravljajo, v zadku ose in ne znotraj leglice.

Vrtanje v trdne substrate je s tankimi strukturami težko, saj se te rade upognejo ali celo zlomijo. Toda ravno upogljivost je tista, ki omogoča upravljanje takih tankih struktur, in tako določamo njihovo smer vrtanja.

Tehniki se učijo od brenčečih os

Na Univerzi v Wageningenu smo se v sodelovanju s Tehnično univerzo v Delftu odločili proučiti mehanizme delovanja leglic parazitskih os, v upanju, da bi lahko principe njihovega delovanja izkoristili za razvoj novih igel za minimalno invazivno kirurgijo. V Wageningenu proučujemo ose z vidika biologije in biomehanike, medtem ko se sodelavci v Delftu ukvarjajo predvsem z razvojem in testiranjem novih tehnologij.

Pred kratkim smo objavili članek Mehanizmi vstavljanja in usmerjanja leglic parazitskih os v znanstveni reviji PNAS. V članku smo prvi pokazali in izmerili vrtanje parazitske ose v substrate različnih trdot (togosti).

Za model smo si izbrali parazitsko oso vrste Diachasmimorpha longicaudata, katere gostitelji so sadne muhe in so ose zato prilagojene za vrtanje v sadeže. Ose nam je uspelo pripraviti do tega, da so s svojo razmeroma dolgo leglico (5 mm) raziskovale prosojne gele, pod katerimi je bila skrita živa ličinka sadne muhe. Celoten proces smo posneli z dvema visokohitrostnima kamerama, kar nam je omogočilo 3D-rekonstrukcijo trajektorij in hitrosti leglic. Posrečilo se nam je narediti tudi veliko posnetkov visoke kakovosti, iz katerih je razvidno gibanje posameznih delov leglice. Ti posnetki so bili omejeni na eno kamero, kar je omogočilo le 2D-analizo procesa vrtanja z leglico.

Teorija vrtanja s tankimi strukturami

Uporaba tankih leglic za vrtanje v trdne substrate je mogoča zato, ker leglice niso le preproste cevi, ampak so sestavljene iz vsaj treh podolgovatih elementov. Ti so med seboj povezani s tračnici podobnim stikom, ki je v prerezu videti kot sestavljanka.

Če poenostavimo, si lahko leglico predstavljamo kot valj, sestavljen iz treh enakih elementov; vsak ima obliko tretjine vzdolž prerezanega valja. Tračna povezava med njimi jim omogoča drsenje drug ob drugem. Ob predpostavki, da je notranje trenje med elementi zanemarljivo, na elemente, ki so delno vstavljeni v substrat, delujejo tele sile: sile substrata na konici elementov, sile trenja vzdolž zunanjih površin elementov (površin, ki so v stiku s substratom), in sile, s katerimi porivamo elemente v substrat.

Tak sistem lahko vstavimo v substrat z zelo majhno rezultančno potisno silo ali celo brez nje. Ob potisku enega od elementov malenkost globlje v substrat se trenje nanj sicer poveča, saj se malenkost poveča njegova površina v stiku s substratom. Ob dovolj majhnem premiku pa sila trenja na enem elementu ne preseže vsote sile na preostala dva. Elementi so namreč simetrični in nanje na začetku delujejo enako velike sile (silo trenja na nepremikajočih se elementih lahko imenujemo tudi sila lepenja). Teoretično je vsota sil trenja na nepremikajočih se elementih lahko tudi večja od vsote sile trenja in sile na konici premikajočega se elementa. Ob zaporednem, kratkem in izmeničnem premikanju le enega od elementov v substrat lahko tak sistem treh elementov vstavimo v substrat, ne da bi ga zvili ali zlomili.

Na trenje lahko vplivamo z obliko površine elementov. Če jih opremimo z zobci, kot na primer pri harpuni, dosežemo, da je trenje večje, če element povlečemo ven, kot pa, če ga potisnemo v substrat. Tako lahko zmeraj zagotovimo, da bo trenje na nepremikajočih se delih večje od sil na premikajočem se elementu.

V primeru, da imamo opravka z zelo trdim substratom, lahko na dva elementa delujemo z vlečno silo. Zobci ju bodo zasidrali v substrat, kar ju bo napelo in tako povečalo njihovo trdnost. Tretjega od elementov lahko tako brez nevarnosti potisnemo v substrat z večjo silo kot sicer, ne da bi sistem poškodovali.

Opisani princip recipročnega delovanja leglice so predvideli že leta 1995 in ga poimenovali potisno-vlečni mehanizem.

Leglica ose D. longicaudata je, v nasprotju z zgoraj opisanim, sestavljena iz treh različno velikih elementov. Zgornji je podoben polovici, spodnja dva pa četrtini vzdolž prerezanega valja. Zunanje površine elementov so gladke z izjemo distalnega dela spodnjih elementov, kjer so nazaj obrnjeni zobci. Poleg tega pa je znotraj elementov tudi prostor, skozi katerega ose izločajo strupe in ležejo jajčeca.

Teorija spreminjanja smeri

Že navadna medicinska igla lahko zavije, saj ima poševno konico, kar povzroči nesimetrične sile nanjo ob vstavitvi v substrat. Nesimetrično konico dobimo tudi, ko elementi sistema treh elementov niso poravnani. Če jih v takem položaju potiskamo v substrat, bo celotna struktura začela zavijati. To se bo zgodilo tudi, če posamične elemente potiskamo izmenično in v majhnih korakih . Pomembno je le, da je isti element vedno pred drugima dvema. Smer zavijanja je odvisna od tega, kateri element je spredaj. Trije elementi so najmanj, kar je potrebno za zagotavljanje vrtanja v katerokoli smer v prostoru.

Moč oziroma krivino zavijanja lahko izboljšamo na različne načine. Med drugim lahko uporabimo elemente, ki so na enem koncu že zviti. Če take elemente damo skupaj tako, da so usmerjeni drug proti drugemu, se poravnajo (ker so elementi enaki, se sile med njimi izničijo). Ko enega od elementov potisnemo pred druga dva, bo ta zavzel zvito obliko. Tako se asimetrija konice in sil nanjo poveča, kar vodi v večjo krivino poti, ki jo elementi naredijo.

Izsledki raziskave

Preden ose vstavijo leglico v substrat, zadek dvignejo in zvijejo tako, da leglico, ki je v mirujočem položaju vodoravno, postavijo navpično. V tej fazi leglico od strani podpirata dve polcevasti strukturi, ki ostaneta zunaj substrata. Med vrtanjem globlje v substrat se začneta ob zadku zvijati proč od leglice, dokler se od nje dokončno ne ločita.

Pokazali smo, da lahko ose iz ene same točke na površini substrata vrtajo v katerokoli smer, ne glede na to, kako so orientirane. Večina trajektorij leglice v substratu je bila pretežno ravnih. Opazili pa smo tudi nekaj zelo zavitih in kompleksnih poti (npr. takih v obliki črke S).

Obseg raziskanega področja si lahko predstavljamo kot nekakšen stožec z zaobljenim dnom. Višina 'stožca' je odvisna od dolžine leglice, širina dna pa od trdote substrata. V mehkih gelih je bil polmer namreč širši kot v trdnih. Trdne substrate je težje prebosti kot mehke, zato morajo ose v prvih leglico postaviti pravokotno na površino, da je ne bi zvile in poškodovale. Naši rezultati nakazujejo, da je krivina trajektorij v trdnih substratih malenkost višja, ampak ne dovolj, da bi ose tudi v trdnih substratih raziskale enako velik prostor kot v mehkih. Substrat pa ne vpliva samo na obseg, temveč tudi na hitrost raziskovanja, ki je v mehkih substratih večja kot v trdnih.

Opazili smo, da ose uporabljajo dva načina vstavljanja leglice. V mehkih gelih so nekatere celotno leglico preprosto porinile vanje, medtem ko so v trdih gelih vse ose leglico vedno vstaljale z recipročnim premikanjem posameznih delov. To podpira idejo, da je 'potisno-vlečni' mehanizem uporaben v trdnih substratih z visokim koeficientom trenja, kjer verjetno zmanjša ali prepreči nevarnost poškodb.

Smer vrtanja, zvijanja leglice določa oblika njene konice. Ko so ose potisnile enega ali oba spodnja elementa naprej, sta ta zavila preko osi leglice (to je, zavila sta proti zgornjemu elementu). Ob potisku zgornjega elementa naprej je konica tega ostala ravna. Pretežno ravne trajektorije so bile narejene tako, da so ose izmenično potiskale zgornjega in spodnja dva elementa z enako amplitudo naprej. Zavite trajektorije so nastale takrat, ko so ose vrtanje vodile s spodnjimi elementi.

Razvoj minimalno invazivnih kirurških orodij

V zadnjih letih se veliko vlaga v razvoj minimalno invazivnih kirurških orodij. Taka orodja so praviloma tanka, z njimi se je mogoče izogniti oviram v telesu (kosti, živci, žile), zaželeno pa je tudi, da so preprosta za uporabo. Večina orodij je še zmeraj zasnovanih tako, da jih je treba potiskati od zunaj, kar seveda postavlja omejitve glede njihove debeline in prožnosti.

Sistem, zasnovan na leglicah, je zanimiv, saj so vsi 'motorji' (mišice) postavljeni zunaj same 'igle', zato ima ta lahko manjši obseg. Z implementacijo recipročnega premikanja elementov obidemo tudi težavo z zvijanjem. V Delftu poskušajo tako ustvariti novo generacijo igel, debelih manj kot milimeter, ki bodo omogočale doseganje visokih krivin znotraj trdnih tkiv.

Prijavi sovražni govor