1. Ana Sayfa
  2. Sağlık
  3. 3D nötron tomografisi kemik malzemesi boyunca su difüzyonunu ortaya koyuyor

3D nötron tomografisi kemik malzemesi boyunca su difüzyonunu ortaya koyuyor

featured

Bu İçeriği Paylaş

ya da bağlantıyı kopyala

Kemiklerin kendilerini yeniden şekillendirebilmelerini ve sağlıklı kalmalarını sağlayan nedir? Charité Berlin’den bir ekip, kolajen olmayan protein bileşiklerinin temel işlevine ve kemik hücrelerinin dış yüke tepki vermesine nasıl yardımcı olduklarına dair ipuçları keşfetti. Bilim insanları, mikro yapılardaki ve suyun dahil edilmesindeki farklılıkları aydınlatmak amacıyla kemik hücreleri içeren ve içermeyen kemik örneklerini incelemek için balık modelleri kullandı.

Berlin’deki BER II (Berlin Deneysel Reaktörü) araştırma reaktöründe 3D nötron tomografisi kullanarak, kemik malzemesi boyunca su difüzyonunu hassas bir şekilde ölçmeyi ilk kez başardılar ve şaşırtıcı bir sonuç elde ettiler. Yaklaşık 500 milyon yıl önce, denizlerdeki ilk omurgalılar, kemik malzemesi olarak bilinen lif ve mineral nanokompozitine dayanan bir iç iskelet ve esnek bir omurga benimseyerek balık haline geldi.

Yaratılışın bu “icadı” o kadar başarılı oldu ki, temel yapı daha sonra karada yaşayan omurgalılar için de benimsendi. Bununla birlikte, tüm karasal omurgalıların kemikleri temelde kemik hücreleriyle (osteositler) donatılmışken, bazı balık türleri yaratılmaya devam etti ve sonunda daha enerji verimli bir malzeme yaratmayı başardı: bugün örneğin somon, medaka veya tilapia gibi balıklarda bulunan kemik hücrelerinden yoksun kemik.

Kemik hücresi içeren ve içermeyen numuneler

Charité Berlin’de bir araştırma grubunun başında bulunan ve dişler ve kemikler de dahil olmak üzere mineralize biyomalzemeler konusunda uzmanlaşan Prof. Paul Zaslansky, “Kemik hücreleri içeren ve içermeyen kemik örneklerinin mikro yapıları ve özellikleri bakımından gerçekte nasıl farklılık gösterdiğini kendimize sorduk” diyor. Doktora öğrencisi Andreia Silvera ve uluslararası ortaklarla birlikte şimdi zebra balığı ve medakadan alınan kemik örneklerini karşılaştırdılar. Her iki balık türü de benzer büyüklükte ve benzer koşullarda yaşıyor, bu nedenle iskeletlerinin benzer streslere dayanması gerekiyor. Bununla birlikte, zebra balığı kemik hücrelerine sahipken, medaka iskeleti sahip değildir.

Kemik hücreleri, yüke uyum sağlayarak kemik dokusunun oluşmasına veya erimesine yol açan biyokimyasal sinyaller göndererek fiziksel strese yanıt verebilir. Ancak yaşla birlikte veya osteoporoz gibi hastalıklarda bu mekanizma artık çalışmıyor gibi görünüyor. Zaslansky, “Temel araştırmalarımızla, kemik hücreleri olan ve olmayan kemiklerin nasıl farklılaştığını ve dış stresin zorluklarıyla nasıl başa çıktığını bulmak istiyoruz” diyor.

Güç ve esneklik

Kemikler karmaşık bir yapıya sahiptir: kolajen nanofiberleri ve mineral nanoparçacıklarının yanı sıra diğer küçük bileşenlerden oluşurlar. Proteoglikanlar (PG’ler) olarak adlandırılan bazı protein bileşikleri, kolajen lifleri ve nanokristallerden oluşan bir dokuya gömülüdür. Doku oluşumu ve bakımında önemli roller oynar. “PG’ler çorbadaki tuza benzetilebilir. Çok azı ya da çok fazlası iyi değildir” diyor Zaslansky. PG’ler suyu tutabilir ve sağlıklı kıkırdakta bol miktarda PG (Proteoglikanlar) bulunur, bu da onu bir sünger kadar elastik yapar. Bu bileşenler birlikte, güç ve esneklik sağlayan ve uzun yıllar işlev görmesini sağlayan 3 boyutlu bir yapı olan hücre dışı matrisi (ECM) oluşturur. Kemiklerde, bu 3 boyutlu yapıda çapları birkaç yüz nanometreden mikrometreye kadar değişen kanal ve gözeneklerden oluşan açık bir ağ (Lacunar Channel Network veya LCN) oluşturulur. Bu LCN, yükü algılayan ve kemiğin yeniden şekillenmesini düzenleyen hücreler olan kemik osteositlerine ev sahipliği yapar. LCN’de ve nanokompozit içinde kemik, hacminin %20’sine kadar su içerir. Sertleşme ve mekanik strese adaptasyon dahil olmak üzere birçok işlevi vardır.

Berlin deneysel reaktörü II’de nötron tomografisi

Dahil edilen su miktarını belirlemek için araştırmacılar önce kemik örneklerini suya daldırdı ve HZB’deki Berlin deneysel reaktörü BER II* (Berlin deneysel reaktörü II) tarafından sağlanan nötronlarla transilluminasyon uyguladı. Ardından nötrleştirilmiş ağır su (D2O) ile doyurdu. 3D veriler tekrar toplandı ve iki kemik durumu arasındaki fark, ekibin her omurga omurunda D2O’nun difüzyonuyla yer değiştiren su miktarını kesin olarak belirlemesine olanak sağladı. Silvera, “Ayrıca kemik örneklerinin kesitlerini inceledik, elektron mikroskobu ve mikro BT ile analiz ettik ve Raman spektroskopisi ile PG konsantrasyonunu da belirledik” diye açıklıyor.

Şaşırtıcı sonuçlar: Proteoglikanlar fark oluşturuyor

Şimdiye kadar, her iki kemik türünün de benzer miktarda su içerdiği ve çok benzer bileşim ve özelliklere sahip olduğu varsayılıyordu. Ancak nötron incelemesi, zebra balığının kemik materyalinin medakanınkinin yarısı kadar su saldığını göstermiştir. Bu durum daha da şaşırtıcıdır çünkü bu kemikler mineralize kolajen liflerden oluşan çok benzer bir mikro yapıya sahiptir, ancak zebra balığı LCN içinde geniş hücre boşlukları da içerir. “İlk tepkim, ‘Bu yanlış olmalı!’ oldu. Sonra her şeyi iyice kontrol ettik ve bunun gerçekten devrim niteliğinde olduğunu fark ettik!” diye hatırlıyor Zaslansky. Bu farklılığın tek açıklaması, iki türün kemik matrislerinin su geçirgenliğini etkileyen temel bir bileşimsel bileşen bakımından farklılık göstermesidir. Ve burada, hem histolojik çalışmalar hem de Raman spektroskopisi şunu gösteriyor: PG’lerin küçük ama önemli katkısı. Medaka örnekleri zebra balığı örneklerinden çok daha az PG içeriyor. Silveira, “Bu yeni bir bulgu: her iki balık da benzer streslerle başa çıksa da, kemik materyalleri aynı su geçirgenliği özelliklerine sahip değil” diyor

Tıp için yeni bilgiler mi?

Zaslansky, “Bu sonuçların kemik hastalıklarını da daha iyi anlamamıza yardımcı olacağını umuyoruz” diyor. Neden bazı kemikler strese diğerlerinden daha iyi tepki veriyor? Kemikler yaşlandığında ne olur? PG’leri kaybediyor ve daha az su geçirmez hale geliyor olabilirler mi? Belki de yaşlanma ya da osteoporoz gibi patolojiler kemik hücrelerini çevreleyen kemiği değiştiriyor, bu da yeniden şekillenmeyi ve doğru çalışan kemik dokusu oluşturmayı zorlaştırıyor mu?

3D nötron tomografisi kemik malzemesi boyunca su difüzyonunu ortaya koyuyor

Giriş Yap

gigahaber ayrıcalıklarından yararlanmak için hemen giriş yapın veya hesap oluşturun, üstelik tamamen ücretsiz!