Skelett-Nachahmung zeigt, wie Knochen Atom für Atom wachsen
Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, haben entdeckt, wie unsere Knochen auf atomarer Ebene wachsen und zeigen, wie sich eine unstrukturierte Masse zu einer perfekt angeordneten Knochenstruktur ordnet. Die Entdeckung bietet neue Erkenntnisse, die zu verbesserten neuen Implantaten führen und unser Wissen über Knochenerkrankungen wie Osteoporose erweitern könnten.
Wie die Forscher die natürliche Knochenbildung nachahmen
Anand Kumar Rajasekharan/Chalmers University of Technology
Die Knochen in unserem Körper wachsen durch mehrere Stufen, wobei sich Atome und Moleküle zusammenschließen, und diese größeren Gruppierungen wiederum zusammenschließen. Ein frühes Stadium des Wachstumsprozesses ist die Kristallisation von Calciumphosphatmolekülen, d.h. sie verwandeln sich von einer amorphen Masse in eine geordnete Struktur. Viele Phasen dieser Transformation waren früher ein Rätsel, aber jetzt, durch ein Projekt, das sich mit der Nachahmung des Aufbaus unserer Knochen beschäftigt, konnten die Forscher diesen Kristallisationsprozess auf atomarer Ebene verfolgen.
"Eine wunderbare Sache bei diesem Projekt ist, dass es zeigt, wie Anwendung und Grundlagenforschung Hand in Hand gehen. Unser Projekt konzentrierte sich ursprünglich auf die Entwicklung eines künstlichen Biomaterials, aber das Material erwies sich als ein großartiges Werkzeug zur Untersuchung von Knochenbildungsprozessen. Wir haben zuerst die Natur nachgeahmt, indem wir eine künstliche Kopie erstellt haben. Dann haben wir diese Kopie benutzt, um die Natur zu studieren", sagt Martin Andersson, Professor für Materialchemie bei Chalmers und Leiter der Studie.
Die Forscher entwickelten ein Verfahren zur Herstellung von künstlichem Knochen durch additive Herstellung oder 3D-Druck. Die resultierende Struktur wird auf die gleiche Weise aufgebaut, mit den gleichen Eigenschaften wie bei echtem Knochen. Nach seiner vollständigen Entwicklung wird es die Bildung von naturalistischen Implantaten ermöglichen, die die derzeit verwendeten Metall- und Kunststofftechnologien ersetzen könnten. Als das Team begann, natürliche Knochengewebefunktionen nachzuahmen, sahen sie, dass sie die Möglichkeit geschaffen hatten, das Phänomen in einer Umgebung zu untersuchen, die der Umgebung im lebenden Gewebe sehr ähnlich war.
Die künstliche knochenähnliche Substanz des Teams ahmte die Art und Weise nach, wie echter Knochen wächst. Die kleinsten strukturellen Bausteine im Skelett sind Gruppen von Strings, die aus dem Protein Kollagen bestehen. Um diese Stränge zu mineralisieren, senden die Zellen kugelförmige Partikel, die als Vesikel bekannt sind und Kalziumphosphat enthalten. Diese Vesikel setzen das Kalziumphosphat in enge Räume zwischen den Kollagensträngen frei. Dort beginnt sich das Kalziumphosphat von einer amorphen Masse in eine geordnete kristalline Struktur umzuwandeln, die die charakteristischen Merkmale des Knochens mit bemerkenswerter Stoß- und Biegefestigkeit erzeugt.
Die Forscher folgten diesem Zyklus mit Hilfe von Elektronenmikroskopen und zeigen nun in ihrer Arbeit, wie es auf atomarer Ebene geschieht. Obwohl die Knochenkristallisation auf natürliche Weise in einer biologischen Umgebung stattfindet, handelt es sich nicht um einen biologischen Prozess. Stattdessen bestimmen die intrinsischen physikalischen Eigenschaften von Kalziumphosphat, wie es kristallisiert und sich nach den Gesetzen der Thermodynamik aufbaut. Die Moleküle werden an die Stelle gezogen, an der das Energieniveau am niedrigsten ist, was dazu führt, dass sie sich zu einer perfekt kristallisierten Struktur zusammenfügen.
"Innerhalb des Transmissionselektronenmikroskops konnten wir die Schritte verfolgen, wie sich das Material in eine geordnete Struktur verwandelte. Dadurch kann sie ein möglichst niedriges Energieniveau und damit einen stabileren Zustand erreichen", sagt Dr. Antiope Lotsari, Forscher in der Gruppe von Martin Andersson, der die elektronenmikroskopischen Experimente durchführte.
Die Chalmers-Forscher sind die ersten, die in hoher Auflösung zeigen, was passiert, wenn Knochen kristallisieren. Die Ergebnisse könnten die Art und Weise beeinflussen, wie viele häufige knochenbezogene Erkrankungen behandelt werden.
"Unsere Ergebnisse könnten für die Behandlung von Knochenerkrankungen wie Osteoporose, die heute eine häufige Erkrankung ist, insbesondere bei älteren Frauen, von Bedeutung sein. Osteoporose ist, wenn es ein Ungleichgewicht zwischen dem schnellen Knochenabbau und der Neubildung gibt, die natürliche Prozesse im Körper sind", sagt Martin Andersson.
Aktuelle Medikamente gegen Osteoporose, die dieses Ungleichgewicht beeinflussen, könnten mit diesem neuen Wissen verbessert werden. Wir hoffen, dass wir mit größerer Genauigkeit die Vor- und Nachteile aktueller Medikamente bewerten und mit verschiedenen Substanzen experimentieren können, um zu untersuchen, wie sie das Knochenwachstum behindern oder stimulieren.
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