中子实验揭示了是什么维持了骨骼的良好功能

大约5亿年前，海洋中的早期脊椎动物变成了鱼，采用了内部骨骼和基于纤维和矿物质纳米复合材料(称为骨骼材料)的灵活脊柱。这种进化的“发明”非常成功，以至于后来生活在陆地上的脊椎动物也采用了基本结构。

然而，虽然所有陆生脊椎动物的骨骼基本上都配备有骨细胞(骨细胞)，但某些鱼类继续进化并最终设法创造出一种更节能的材料：缺乏骨细胞的骨骼，例如今天在鲑鱼等鱼类中发现的骨骼、青鳉或罗非鱼。

有和没有骨细胞的样本

“我们问自己，有骨细胞和没有骨细胞的骨样本在微观结构和特性方面究竟有何不同，”柏林夏里特研究小组负责人保罗扎斯兰斯基教授说，他专门研究包括牙齿和骨骼在内的矿化生物材料。

与博士一起学生AndreiaSilvera和国际合作伙伴，他们现在比较了斑马鱼和青鳉的骨骼样本。这两种鱼体型相似，生活条件也相似，因此它们的骨骼必须承受相似的压力。然而，虽然斑马鱼有骨细胞，但青鳉的骨骼却没有。

“这个问题的背景是骨骼中骨细胞的功能以及它们如何随年龄变化对老龄化人口非常感兴趣，”Silvera解释说。骨细胞可以通过发送导致骨组织形成或吸收的生化信号来应对物理压力，从而适应负荷。但随着年龄的增长或患有骨质疏松症等疾病，这种机制似乎不再起作用。

“通过我们的基础研究，我们想找出有骨细胞和没有骨细胞的骨骼有何不同，并应对外部压力的挑战，”Zaslansky说。

强度和弹性

骨骼具有复杂的结构：它们由胶原蛋白纳米纤维和矿物质纳米粒子组成，还包括其他微量成分。某些蛋白质化合物，即所谓的蛋白多糖(PG)，嵌入胶原纤维和纳米晶体组织中，在组织形成和维持中发挥重要作用。

“PGs可以比作汤中的盐。太少或太多都不好，”Zaslansky说。PGs可以保水，健康的软骨中含有大量的PGs，使其像海绵一样富有弹性。这些成分共同形成细胞外基质(ECM)，这是一种提供强度和弹性的3D结构，可确保多年的功能。

在骨骼中，在这种3D结构中创建了一个由直径从几百纳米到微米不等的通道和孔隙组成的开放网络(腔隙通道网络或LCN)。这个LCN承载着骨骨细胞，即感知负荷和协调骨重塑的细胞。在LCN和纳米复合材料中，骨骼含有高达其体积20%的水，具有许多功能，包括增韧和适应机械应力。

BERII的中子断层扫描

为了确定结合水的量，研究人员首先将骨骼样本浸入水中，并用HZB的柏林实验反应堆BERII提供的中子进行透照，然后在氘化重水(D2O)中进行饱和。再次收集3D数据，两种骨骼状态之间的差异使团队能够确定每个脊柱椎骨因D2O扩散而排出的精确水量。

“此外，我们检查了骨骼样本的切片，通过电子显微镜和显微CT对其进行了分析，我们还通过拉曼光谱确定了PG浓度，”Silvera解释道。

令人惊讶的结果：PG有所作为

直到现在，人们一直认为这两种骨骼都含有相似数量的水，并且具有非常相似的成分和特性。然而，事实上，中子检查表明，斑马鱼的骨骼材料释放的水分只有青鳉的一半。这更令人惊讶，因为这些骨骼具有非常相似的矿化胶原纤维微观结构，但斑马鱼的LCN内也包含大的细胞空间。

“我的第一反应是，‘这一定是错的!’所以我们彻底检查了一切，并意识到它真的是革命性的，”Zaslansky回忆道。造成这种差异的唯一解释是，这两个物种的骨基质在影响透水性的基本组成成分上存在差异。在这里，组织学研究和拉曼光谱都表明：这是PG的微小但重要的贡献。青鳉样本所含的PG远少于斑马鱼样本。

“这是一个新发现：虽然这两种鱼应对的压力相似，但它们的骨骼材料不具有相同的透水性，”Silveira说。

该研究发表在《材料与设计》杂志上。

“我们希望这些结果也能帮助我们更好地了解骨骼疾病，”Zaslansky说。为什么有些骨骼比其他骨骼更能应对压力?骨骼老化时会发生什么?会不会是他们失去了PG，变得不那么水密了?也许衰老或骨质疏松症等病理改变了骨细胞周围的骨骼，这使得重塑和形成正常工作的骨组织变得困难?