Vrouwelijke zaagvliegen zijn een meester in secuur zagen. De techniek die ze gebruiken kan van pas komen als je een keer op de operatietafel belandt.
Zaagvliegen leggen hun eitjes in planten. Ze snijden de plant open, eitje erin en klaar. Alleen stuiten ze daarbij op een probleem, legt Martí Verdaguer Mallorquí uit. “Na een tijdje kruipt de larve uit het ei en die moet dan gaan eten van de plant”, vertelt de onderzoeker van Heriot-Watt University in Edinburgh. “Het vrouwtje moet dus voorkomen dat ze vitale delen van de plant kapotsnijdt. Want als de plant afsterft, heeft de larve geen voedsel.”
De toekomstige moeder heeft nog een uitdaging, voegt Verdaguer Mallorquí toe. Tijdens het snijden ziet ze niet wat ze aan het doen is. De legbuis waarmee ze zaagt en waarmee ze eieren legt, zit helemaal aan de achterkant van haar achterlijf, zoals de angel van een bij. En die legbuis gaat ook nog naar binnen bij een plant. Wat er daarbinnen gebeurt, ziet ze al helemaal niet. Toch lukt het haar om incisies te maken die de plant slechts minimaal beschadigen.
Zonder sensor
Heel secuur snijden met minimale schade aan weefsel dat intact moet blijven, dat zouden chirurgen ook wel willen. “Ik zocht een project met betekenis”, vertelt Verdaguer Mallorquí. “Ik wilde werken aan medische instrumenten en ik was gefascineerd door bio-inspired design.” Daarvoor ging hij op onderzoek uit: Hoe spelen zaagvliegen het klaar om zonder sensoren, bliepjes en alarmen toch heel precies te werken? En is de methode die de insecten gebruiken ook toe te passen in de operatiekamer?
Er zijn meer dan achtduizend soorten zaagvliegen. “In het begin ging ik ze zelf vangen”, vertelt Verdaguer Mallorquí. Met een vlindernet zwiepte hij door de velden met boterbloemen, in de hoop dat er zaagvliegen in het net belandden. Ook probeerde hij ze te kweken in het lab, wat een mislukking werd. Gelukkig bleek een entomoloog in Duitsland gespecialiseerd te zijn in zaagvliegen. “Hij kon de dieren leveren die ik wilde bestuderen. Dat scheelde een hoop.”
De onderzoeker verdiepte zich in een zaagvlieg met de naam Rhogogaster scalaris. De legbuis van deze zaagvlieg bestaat eigenlijk uit twee zagen, ontdekte hij. De twee zaagbladen bewegen tijdens het zagen langs elkaar heen en weer. De tanden van de zaag zijn niet over de hele lengte van het zaagblad hetzelfde. De scherpe tanden aan de punt maken de eerste insnede in de harde buitenlaag van de plant. De tanden in het midden geven de zaagbladen de precisie die nodig is in het zachte plantenweefsel.
Met een vlindernet trok de onderzoeker door de velden, in de hoop een zaagvlieg te vangen.
iStock, malerapasoHet lukte niet
In het lab probeerde Verdaguer Mallorquí het slimme gereedschap na te maken, maar dan 400 keer zo groot. Hij probeerde van alles te zagen, fruit bijvoorbeeld, maar het lukte voor geen meter. “Het was heel frustrerend. Totdat ik in het vliegtuig zat en me ineens realiseerde dat dat nou net het punt is: de zaagbladen zijn heel selectief.” Het zagen hoort heel moeizaam te gaan. Alleen in weefsel waar de zaag precies op is aangepast, loopt het soepel. “Dat is juist wat ze zo handig maakt.”
De wetenschapper sloeg aan het rekenen. Hij maakte wiskundige modellen die voorspellen welke zaagtanden waar doorheen zouden moeten glijden. Nieuwe studies met moderne scantechnieken lieten bovendien zien dat niet alleen de grootte en de vorm van de tanden van belang zijn, maar ook de stand van de zaagtanden en de afstand die ertussen zit.
Belangrijke cellen gaan opzij
Hoe kan de vrouwelijke zaagvlieg in planten snijden zonder vitale delen te beschadigen? R. scalaris heeft tandjes die 35 micrometer hoog zijn, laat Verdaguer Mallorquí zien. Tussen de tanden zit tot 50 micrometer. De plantencellen zijn tien tot honderd micrometer groot. Hiermee kan het insect insnedes maken die tot op de cel nauwkeurig zijn: is het weefsel zacht genoeg, dan snijdt de legbuis er doorheen. Is het weefsel harder, zoals een vaatbundel die de plant van voedingsstoffen voorziet, dan zal het insect niet harder duwen. In plaats daarvan drukt het zaagsysteem de gevoelige cellen opzij, zonder ze te beschadigen.
In proeven met gels van gelatine en agar lukt het de onderzoeker intussen om snedes te maken zoals de zaagvlieg dat doet, precies afgestemd op de mechanische eigenschappen van de gemaakte gel. Voor chirurgen is de methode nog niet beschikbaar, daarvoor is het nog te vroeg. “Het kan interessant zijn wanneer bijvoorbeeld tumorweefsel een andere textuur heeft dan het omliggende weefsel”, geeft de wetenschapper als voorbeeld. Daarnaast bevroeg hij chirurgen naar hun werk. “Het bleek dat ze allemaal wel bang zijn voor fouten waarbij ze weefsels beschadigen die eigenlijk heel moeten blijven.” Een mes dat uit zichzelf selectief is, kan daarbij helpen.
Het gaat niet zozeer om de uitvinding van een nieuw mes, benadrukt Verdaguer Mallorquí. “We kunnen een hele familie van nieuwe gereedschappen maken.” Dat zit zo. Verschillende soorten zaagvliegen hebben heel verschillende zaagtanden op hun legbuis. De zaagvlieg die ie in eiken zaagt, heeft bijvoorbeeld veel grovere zaagtanden dan de zaagvlieg die zaagt in bloemen van perenbomen.
Met zijn miniscule tandjes kan de zaagvlieg insnedes maken die tot op de cel nauwkeurig zijn.
iStock, sanjeriZoals verschillende soorten zaagvliegen elk hun eigen gespecialiseerde legbuis hebben, zo moet het ook mogelijk zijn om per patiënt op maat gemaakte snij-instrumenten te maken, verwacht de onderzoeker. “Zeker nu we kunnen 3D-printen.” Op basis van wiskundige modellen kunnen straks per ingreep mogelijk de juiste instrumenten worden ontworpen en gemaakt, afgestemd op de mechanische eigenschappen van het weefsel en de zaag.
Misschien duikt de techniek ook op andere plaatsen op, niet alleen in de operatiekamer. “Overal waar gesneden wordt, kan het van pas komen.”
Goed afgekeken
Van haaienhuid tot vlindervleugels en van kiezelalgen tot sluipwespen: miljoenen jaren evolutie blijken een rijke inspiratiebron. Wat kunnen wij leren van dieren, planten en micro-organismen om de wereld slimmer, duurzamer en beter te ontwerpen?
