به استخوان: نقشه برداری سه بعدی از الگوهای معدنی در داخل مرکز مهره کوسه

به استخوان: نقشه برداری سه بعدی از الگوهای معدنی در داخل مرکز مهره کوسه

محققان سازماندهی مولکولی بافت استخوانی معدنی را در کوسه ها بررسی می کنند

کوسه ها که در آب های عمیق و کم عمق در سراسر اقیانوس ها یافت می شوند، برخی از قدیمی ترین موجودات زنده سیاره زمین هستند. اسکلت های کوسه، ساخته شده از بافت لاستیکی به نام غضروف، دانشمندان را برای قرن ها مجذوب خود کرده است. کوسه ها با سرعت زیاد زیر آب های عمیق شنا می کنند و اسکلت آنها فشار و فشار زیادی را تجربه می کند. این بارهای ناشی از شنا توسط مرکز - بافت استخوانی معدنی موجود در مهره‌های کوسه تحمل می‌شود. با این حال، از نقطه نظر عملکردی، کاملاً مشخص نیست که ساختارهای معدنی سه بعدی پیچیده مرکز کوسه چگونه بارها را در آن پشتیبانی و توزیع می کنند.

برای به دست آوردن بینش بیشتر در مورد ویژگی های خاص مرکز کوسه، یک تیم بین رشته ای از محققان از رویکرد جدیدی استفاده کردند که در آن پراش پراکنده انرژی (EDD) با استفاده از تابش سنکروترون ایکس چند رنگی انجام شد. یافته های آنها در مقاله جدیدی که در مجله SPIE's Journal of Medical Imaging (JMI) منتشر شده گزارش شده است. استوارت آر، نویسنده مسئول توضیح می دهد: "مطالعاتی که از پراش سه بعدی برای نقشه برداری بافت معدنی استفاده می کنند، بسیار نادر هستند، و چنین مطالعات پراشی بر روی بافت های مرکز کوسه انجام نشده است. اطلاعاتی که می توانیم از روش های سنتی جذب یا تصویربرداری کنتراست فاز به دست آوریم، بسیار محدود است." سهام دانشکده پزشکی Feinberg دانشگاه نورث ایسترن. "خواص مکانیکی بافت های معدنی شده به شدت به نحوه جهت گیری کانی بستگی دارد، و ما می خواستیم از تکنیک جدید خود برای به دست آوردن نقشه های 3 بعدی EDD آموزنده از توزیع جهت گیری های نانوبلورهای زیست آپاتیت در بافت معدنی کوسه های آبی استفاده کنیم."

برخلاف روش‌های متداول پراش اشعه ایکس که از پرتوهای یک انرژی استفاده می‌کنند، EDD با پرتوهای ایکس با طول‌موج‌های مختلف تابش می‌کند. نانوکریستال‌هایی که جهت‌گیری‌های متفاوت دارند، طول‌موج‌های مختلف را پراش می‌کنند، بنابراین حرکت نمونه در طول پرتو اجازه می‌دهد تا جهت‌گیری‌های کریستالی متنوع را ترسیم کنند. این تیم تکنیک پراش را با توموگرافی ریز کامپیوتری و نقشه برداری فلورسانس ترکیب کردند تا اطلاعات تکمیلی را اضافه کنند. این تکنیک ترکیبی به طور موثر به محققان این امکان را داد که «داخل» بافت مرکز را در سطح مولکولی ببینند و نقشه‌های سه بعدی با وضوح بالا از آرایش بیوآپاتیت در آن بسازند.

ساختار اصلی مرکز کوسه آبی دیواره های مخروطی و گوه ها هستند. محققان دریافتند که جهت‌گیری بیوآپاتیت بین دیواره‌های مخروطی و گوه‌ها متفاوت است و این موضوع را به این شکل تفسیر کردند که به مهره‌های کوسه اجازه می‌دهد به ترتیب در برابر انحرافات جانبی و محوری در طول شنا مقاومت کنند. این یافته‌ها بینش‌های جالبی را در مورد رابطه ساختار-عملکرد اسکلت کوسه ارائه می‌دهد و شاید بتوان آن را برای ساختارها و بافت‌های استخوانی موجودات دیگر به کار برد.

به گفته برت مولر، دانشکده پزشکی دانشگاه بازل و ویرایشگر مهمان JMI، "ترکیب پراش و توموگرافی با داده های تصویربرداری فلورسانس، بینش دقیقی از سازمان کریستالی استخوان و غضروف تا سطح مولکولی ارائه می دهد. نقطه شروعی را ارائه می دهد. برای درک عمیق ساختارهای جهت دار منحصر به فرد در بافت های استخوانی و عملکرد اسکلتی مرتبط."

با نشان دادن اینکه نمونه‌های بافت معدنی را می‌توان به‌صورت سه بعدی با استفاده از توموگرافی EDD ترسیم کرد، این مطالعه اثبات مفهومی را ارائه می‌کند که پیامدهای مهمی برای مطالعه استخوان‌های جسد انسان و حیوان در علوم پزشکی دارد. استوک می‌گوید: «نقشه‌برداری سه‌بعدی با EDD می‌تواند به ما در درک تفاوت‌های نانوسکوپی در ساختار معدنی بین استخوان‌های سالم و بیمار، مانند پوکی استخوان، کمک کند و همچنین بفهمیم که چگونه استخوان‌های بهبود یافته با استخوان‌های بومی متفاوت هستند. چنین مطالعاتی می‌تواند منجر به پیشرفت‌های بالینی قابل توجهی شود.»

در حالی که توموگرافی سه بعدی EDD ممکن است نتواند به تمام سوالات ما در مورد استخوان ها پاسخ دهد، مطمئناً می تواند اطلاعات کلیدی را ارائه دهد و راه را برای پیشرفت های بیشتر هموار کند. هیچ استخوانی در مورد آن درست نکنید.