Các thí nghiệm neutron tiết lộ những gì duy trì xương hoạt động tốt

Các nhà khoa học đã sử dụng mô hình cá để kiểm tra các mẫu xương có và không có tế bào xương nhằm làm sáng tỏ sự khác biệt về cấu trúc vi mô và sự kết hợp của nước. Sử dụng phương pháp chụp cắt lớp neutron 3D tại lò phản ứng nghiên cứu Berlin BER II, lần đầu tiên họ đã thành công trong việc đo chính xác sự khuếch tán nước qua vật liệu xương -- với một kết quả đáng ngạc nhiên.

Khoảng 500 triệu năm trước, những động vật có xương sống sơ khai ở biển đã trở thành cá, sử dụng bộ xương bên trong và cột sống linh hoạt dựa trên một nanocmpozit gồm sợi và khoáng chất, được gọi là vật liệu xương. "Phát minh" về sự tiến hóa này thành công đến mức cấu trúc cơ bản cũng được áp dụng cho các động vật có xương sống sống trên cạn sau này. Tuy nhiên, trong khi xương của tất cả các loài động vật có xương sống trên cạn về cơ bản được trang bị các tế bào xương (tế bào xương), thì một số loài cá vẫn tiếp tục tiến hóa và cuối cùng đã tạo ra được một loại vật liệu tiết kiệm năng lượng hơn: xương không có tế bào xương, ví dụ ngày nay được tìm thấy ở các loài cá như cá hồi , medaka hoặc cá rô phi.

Giáo sư Paul Zaslansky, người đứng đầu một nhóm nghiên cứu tại Charité Berlin và chuyên về vật liệu sinh học khoáng hóa bao gồm răng và xương, cho biết: “Chúng tôi đã tự hỏi làm thế nào các mẫu xương có và không có tế bào xương thực sự khác nhau về cấu trúc vi mô và tính chất của chúng. Cùng với nghiên cứu sinh Andreia Silvera và các đối tác quốc tế, giờ đây họ đã so sánh các mẫu xương từ cá ngựa vằn và medaka. Cả hai loài cá đều có kích thước tương tự nhau và sống trong điều kiện tương tự, vì vậy bộ xương của chúng phải chịu được áp lực tương tự. Tuy nhiên, trong khi cá ngựa vằn có các tế bào xương thì bộ xương của medaka thì không.

Silvera giải thích: “Cơ sở của câu hỏi là chức năng của các tế bào xương trong xương và cách chúng thay đổi theo tuổi tác là mối quan tâm lớn đối với dân số già. Các tế bào xương có thể phản ứng với căng thẳng về thể chất bằng cách gửi các tín hiệu sinh hóa dẫn đến sự hình thành hoặc tái hấp thu mô xương, thích nghi với tải trọng. Nhưng với tuổi tác hoặc trong các bệnh như loãng xương, cơ chế này dường như không còn hoạt động. Zaslansky nói: “Với nghiên cứu cơ bản của mình, chúng tôi muốn tìm hiểu xem xương có và không có tế bào xương khác nhau như thế nào và đối phó với những thách thức của căng thẳng bên ngoài”.

Xương có cấu trúc phức tạp: chúng bao gồm các sợi collagen nano và các hạt khoáng chất nano cũng như các thành phần phụ khác. Một số hợp chất protein nhất định, được gọi là Proteoglycan (PGs), được nhúng trong một mô sợi collagen và tinh thể nano và đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và duy trì mô. Zaslansky nói: "PGs có thể được ví như muối bỏ vào canh. Quá ít hoặc quá nhiều đều không tốt". Các PG có thể giữ nước và có rất nhiều PG trong sụn khỏe mạnh, giúp nó đàn hồi như một miếng bọt biển. Cùng với nhau, các thành phần này tạo thành một ma trận ngoại bào (ECM), một cấu trúc 3D cung cấp sức mạnh và độ đàn hồi, đảm bảo chức năng trong nhiều năm. Trong xương, một mạng mở (Mạng kênh Lacunar hoặc LCN) gồm các kênh và lỗ có đường kính từ vài trăm nanomet đến micromet được tạo ra trong cấu trúc 3D này. LCN này lưu trữ các tế bào xương, các tế bào cảm nhận tải trọng và điều phối quá trình tu sửa xương. Trong LCN và trong nanocompozit, xương chứa tới 20% thể tích là nước, với nhiều chức năng bao gồm độ dẻo dai và thích ứng với áp lực cơ học.

Để xác định lượng nước kết hợp, trước tiên, các nhà nghiên cứu ngâm các mẫu xương trong nước và chiếu sáng chúng bằng neutron, được cung cấp bởi lò phản ứng thử nghiệm Berlin BER II* tại HZB -- sau đó bão hòa trong nước nặng đã khử màu (D 2 O). Dữ liệu 3D được thu thập lại và sự khác biệt giữa hai trạng thái xương cho phép nhóm xác định đối với từng đốt sống cột sống, lượng nước chính xác bị chiếm chỗ do sự khuếch tán của D 2 O. "Ngoài ra, chúng tôi đã kiểm tra các phần của mẫu xương, phân tích chúng bằng kính hiển vi điện tử và micro CT và chúng tôi cũng xác định nồng độ PG bằng quang phổ Raman," Silvera giải thích.

Cho đến nay, người ta cho rằng cả hai loại xương đều chứa lượng nước như nhau và có thành phần cũng như tính chất rất giống nhau. Tuy nhiên, trên thực tế, việc kiểm tra neutron cho thấy chất liệu xương của cá ngựa vằn thải ra lượng nước bằng một nửa so với xương của medaka. Điều này càng đáng ngạc nhiên hơn vì những xương này có cấu trúc vi mô rất giống với các sợi collagen khoáng hóa, nhưng cá ngựa vằn cũng chứa các khoảng tế bào lớn trong LCN. "Phản ứng đầu tiên của tôi là, 'Điều này chắc chắn là sai!' Vì vậy, chúng tôi đã kiểm tra mọi thứ kỹ lưỡng và nhận ra rằng nó thực sự mang tính cách mạng!” Zaslansky nhớ lại. Lời giải thích duy nhất cho sự khác biệt là ma trận xương của hai loài khác nhau về thành phần cấu tạo cơ bản ảnh hưởng đến tính thấm nước. Và ở đây, cả nghiên cứu mô học và quang phổ Raman đều cho thấy: nó' Đó là đóng góp nhỏ nhưng quan trọng của PGs. Các mẫu medaka chứa ít PG hơn nhiều so với các mẫu cá ngựa vằn. Silveira cho biết: “Đây là một phát hiện mới: mặc dù cả hai loài cá đều đối phó với áp lực tương tự nhau, nhưng vật liệu xương của chúng không có đặc tính thấm nước giống nhau”.

Những hiểu biết mới cho y học?

"Chúng tôi hy vọng những kết quả này cũng sẽ giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về các bệnh về xương," Zaslansky nói. Tại sao một số xương phản ứng với căng thẳng tốt hơn những xương khác? Điều gì xảy ra khi xương già đi? Có thể nào họ mất PG và trở nên kém kín nước hơn? Có lẽ lão hóa hoặc bệnh lý như loãng xương làm thay đổi xương bao quanh các tế bào xương, gây khó khăn cho việc tu sửa và hình thành mô xương hoạt động chính xác?

Sau 40 năm nghiên cứu neutron thành công ở Berlin-Wannsee, lò phản ứng nghiên cứu BER II cuối cùng đã ngừng hoạt động vào cuối năm 2019. Việc ngừng hoạt động đã được quyết định bởi Ban giám sát HZB vào mùa hè năm 2013.

Sau 40 năm nghiên cứu neutron thành công ở Berlin-Wannsee, lò phản ứng nghiên cứu BER II cuối cùng đã ngừng hoạt động vào cuối năm 2019. Nhưng cho đến nay, các nhóm vẫn đang nghiên cứu dữ liệu thử nghiệm để thu được những hiểu biết mới về các loại vật liệu.

Nguồn Trung tâm Vật liệu và Năng lượng Helmholtz Berlin