Forscher simulieren, bewerten der Schäden an Gehirnzellen durch Blasen verursacht bei der Kopf-trauma

Sagen, dass es einen Bombenanschlag auf einen Militär-Stützpunkt. Ein paar der Soldaten leiden Gehirnerschütterungen und anderen Hirn-Verletzungen. Könnte einige der Verletzungen, die verursacht werden durch kleine Blasen, die form und Kollaps innerhalb des Schädels bei Kopfverletzungen?

Forscher an der Iowa State University, mit Unterstützung der Zuschüsse aus dem Office of Naval Research, nutzen Ihre expertise bei der Herstellung von Mikrostrukturen, zu untersuchen und zu beschreiben, die Schäden an Gehirnzellen verursacht, die durch die Bildung und den Zusammenbruch der Mikrobläschen—ein Prozess, bekannt als Kavitation.

Die Forscher berichten über Ihre Ergebnisse in einem Papier vorgestellt auf dem cover der Juli-2020-Ausgabe des wissenschaftsjournals Globalen Herausforderungen. Lead-Autoren sind Nicole Hashemi, ein Iowa State associate professor of mechanical engineering, und Alex Wrede, ehemaliger Doktorand und Postdoc-research associate in Hashemi lab. (Siehe Seitenleiste, um die anderen co-Autoren.)

Die Forscher schreiben, dass die Mikrobläschen in Mikron gemessen—das sind Millionstel eines meters—können in form der zerebralen spinalen Flüssigkeit im inneren des Schädels beim Schädel-Hirn-Verletzungen.

Die Forscher schrieb „Bildung und dramatische Zusammenbruch“ dieser Mikrobläschen verantwortlich sein könnte für einige der Schaden in einer Verletzung des Gehirns.

Blase Schaden mag trivial klingen. Aber Blase Zusammenbruch und die daraus resultierenden Schockwellen, die bekannt sind, um Schäden am Stahl-Grundlagen der Schiffsschrauben. Die Forscher berichten, dass Vorherige Studien zeigen, dass die expansion und den Zusammenbruch der Mikrobläschen erzeugt Kräfte von 0,1 bis 20 Megapascal, oder 14,5 bis zu 2.900 Pfund pro Quadrat-Zoll.

„… Also es ist erschreckend zu erkennen, die Schäden, die Kavitation verursacht auf dem gefährdeten Hirngewebes,“ die Forscher schrieb.

Suche nach Veränderungen im Gehirn Zellen

Zu testen und zu charakterisieren, die Auswirkungen der Kavitation in den Schädel, die Forscher simuliert ein Gehirn, durch die Schaffung einer 3-D-Zellkultur-Plattform für astrozytären Zellen (sternförmige Zellen im Gehirn und Rückenmark, die aktiv in den Support, die Wartung und die Reparatur des zentralen Nervensystems). Sie tauchte den Zellkultur-Plattform in einem kleinen tank und erzeugt Mikrobläschen rund 60 Millionstel meter groß sind. Einige der Mikrobläschen fest an der Zelle-laden Mikrofaser-Gerüst.

Forscher stellte sich auf ein Ultraschall-Gerät in den tank, zum Kollaps der Mikrobläschen und die Schaffung von Kavitation. (Auch Sie verwendet das Ultraschallgerät, das auf eine Kontrollgruppe von Zellen, die nicht ausgesetzt waren, um die Kavitation.)

Die Forscher untersuchten für zwei Arten von Effekten:

Erste, Sie verwendet ein invertiertes Mikroskop zur Erfassung aller morphologischen Veränderungen der Zellen. Die zweite, Sie arbeitete mit Kollegen der Iowa State College der Veterinärmedizin zur Beurteilung, ob es genetische Veränderungen in den Zellen.

Die Forscher fanden heraus, Kavitation verursacht die Zellen zu schrumpfen und aufrauhen Ihrer Oberfläche. Die Zellen erschienen, sich zu verlängern und zu wachsen, wenn die Bilder aufgenommen wurden 22 und 48 Stunden nach der Kavitation. Auch, so fanden die Forscher das Wachstum der Zellen nach 48 Stunden – in Bezug auf die Fläche war etwa halb so viel wie die Kontroll-Zellen.

Die Forscher fanden auch die Zellen beschädigt durch die Kavitation hatte erhöhte expression von Genen wie TNF-α und IL-6, die im Zusammenhang mit entzündlichen Erkrankungen wie Infektionen mit dem SARS-CoV-2-virus und neurologischen Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer-Krankheiten.

„Zusammengenommen sind diese Ergebnisse bestätigen, dass um Kavitation Schaden der astrozytären Funktion,“ die Forscher schrieb.

Gestaltung besser Helme

Hashemi sagte, während ärzte suchen nach Therapien für das Gehirn Schäden, die durch Kavitation, sagte Sie Ingenieure arbeiten zur Identifizierung der Orte im Gehirn, wo die Kavitation ist am wahrscheinlichsten auftreten.

„Einen Lageplan der Kavitation auftreten kann direkt verwendet werden, um design ein Helm dämpft die Kraft und verringert die Möglichkeit der Kavitation,“ die Forscher schrieb.

Und während diese Studie konzentriert sich auf den Militär-Helme, Hashemi sagte, die gleichen Ideen, die angewendet werden könnten, sind Helme für Fußball und andere Sportarten.

„Diese Forschung ist die Suche bei battlefield Anwendungen, aber im Fußball gibt es zu ähnlichen Auswirkungen und Schock-Wellen,“ Hashemi sagte. „Die Spieler tun, um milde Formen von Schädel-Hirn-Verletzungen. Spieler könnten nicht erkennen, aber die Effekte der Kavitation Verletzungen da sein würde.“

Wrede, Hashemi ist der ehemalige Diplom-student, arbeitet jetzt als dynamische Systeme modeling engineer bei John Deere in Dubuque, sagte, das Projekt hat ihn gelehrt, es gibt großen Bedarf für mehr Forschung und Entwicklung.