Pre oko 500 miliona godina, rani kičmenjaci u morima postali su ribe, usvajajući unutrašnji skelet i fleksibilnu kičmu zasnovanu na nanokompozitu vlakana i minerala, poznatom kao koštani materijal. Ovaj „pronalazak“ evolucije bio je toliko uspešan da je osnovna struktura usvojena i za kasnije kičmenjake koji su živeli na kopnu.
Međutim, dok su kosti svih kopnenih kičmenjaka u osnovi opremljene koštanim ćelijama (osteocitima), određene vrste riba su nastavile da evoluiraju i konačno su uspele da stvore energetski efikasniji materijal: kosti bez koštanih ćelija, koje se danas nalaze na primer u ribama kao što je losos , medaka ili tilapija.
Uzorci sa i bez koštanih ćelija
„Pitali smo se kako se uzorci kostiju sa i bez koštanih ćelija zapravo razlikuju u svojoj mikrostrukturi i svojstvima“, kaže prof. Pol Zaslanski, koji je na čelu istraživačke grupe u Charite Berlin i specijalizovan za mineralizovane biomaterijale, uključujući zube i kosti.
Zajedno sa dr. student Andreia Silvera i međunarodni partneri, oni su sada uporedili uzorke kostiju zebrice i medake. Obe vrste riba su slične veličine i žive u sličnim uslovima, tako da njihovi skeleti moraju da izdrže slična opterećenja. Međutim, dok zebra ima koštane ćelije, skelet medake nema.
„Pozadina ovog pitanja je da je funkcija koštanih ćelija u kostima i kako se one menjaju sa godinama od velikog interesa za stariju populaciju“, objašnjava Silvera. Koštane ćelije mogu reagovati na fizički stres slanjem biohemijskih signala koji dovode do formiranja ili resorpcije koštanog tkiva, prilagođavajući se opterećenju. Ali sa godinama ili kod bolesti kao što je osteoporoza, čini se da ovaj mehanizam više ne funkcioniše.
„Našim osnovnim istraživanjem želimo da saznamo kako se kosti sa i bez koštanih ćelija razlikuju i da se nose sa izazovima spoljašnjeg stresa“, kaže Zaslanski.
Snaga i elastičnost
Kosti imaju složenu strukturu: sastoje se od nanovlakna kolagena i nanočestica minerala, ali i drugih manjih sastojaka. Određena proteinska jedinjenja, takozvana proteoglikani (PG), ugrađena su u tkivo kolagenih vlakana i nanokristala i igraju važnu ulogu u formiranju i održavanju tkiva.
„PG-ovi se mogu uporediti sa solju u supi. Premalo ili previše toga nije dobro“, kaže Zaslanski. PG-ovi mogu da zadrže vodu, a u zdravoj hrskavici ima dosta PG-ova, čineći je elastičnom poput sunđera. Zajedno, ove komponente formiraju ekstracelularni matriks (ECM), 3D strukturu koja obezbeđuje snagu i elastičnost, obezbeđujući funkciju dugi niz godina.
U kostima se u ovoj 3D strukturi stvara otvorena mreža (Lacunar Channel Netvork ili LCN) kanala i pora čiji prečnik se kreće od nekoliko stotina nanometara do mikrometara. Ovaj LCN ugošćuje koštane osteocite, ćelije koje osećaju opterećenje i orkestriraju remodeliranje kostiju. U LCN-u i unutar nanokompozita, kost sadrži do 20% svoje zapremine u vodi, sa mnogim funkcijama uključujući ojačavanje i prilagođavanje mehaničkom naprezanju.
Neutronska tomografija na BER II
Da bi odredili količinu ugrađene vode, istraživači su prvo potopili uzorke kostiju u vodu i prosijali ih neutronima, koje je obezbedio berlinski eksperimentalni reaktor BER II u HZB – nakon čega je usledilo zasićenje u deuterisanoj teškoj vodi (D2O). 3D podaci su ponovo prikupljeni i razlika između dva stanja kostiju omogućila je timu da za svaki kičmeni pršljen odredi preciznu količinu vode izmeštene difuzijom D2O.
„Pored toga, pregledali smo delove uzoraka kostiju, analizirali ih elektronskom mikroskopijom i mikro CT i takođe smo odredili koncentraciju PG Ramanovom spektroskopijom“, objašnjava Silvera.
Iznenađujući rezultati: PG čine razliku
Do sada se pretpostavljalo da oba tipa kostiju sadrže slične količine vode i da imaju veoma sličan sastav i svojstva. U stvari, međutim, neutronsko ispitivanje je pokazalo da koštani materijal zebrice oslobađa upola manje vode nego kod medake. Ovo je utoliko više iznenađujuće jer ove kosti imaju veoma sličnu mikrostrukturu mineralizovanih kolagenih vlakana, ali zebrice takođe sadrže velike ćelijske prostore unutar LCN.
„Moja prva reakcija je bila: ‘Ovo mora da nije u redu!’ Tako da smo sve detaljno proverili i shvatili da je zaista revolucionarno“, priseća se Zaslanski. Jedino objašnjenje za razliku je da se koštane matrice dve vrste razlikuju u fundamentalnoj kompozicionoj komponenti koja utiče na propustljivost vode. I ovde, i histološke studije i Ramanova spektroskopija pokazuju: to je mali, ali važan doprinos PG. Uzorci medake sadrže daleko manje PG od uzoraka zebrice.
„Ovo je novo otkriće: iako se obe ribe nose sa sličnim stresom, njihovi koštani materijali nemaju ista svojstva vodopropusnosti“, kaže Silveira.
Studija je objavljena u časopisu Materials & Design.
„Nadamo se da će nam ovi rezultati pomoći da bolje razumemo i bolesti kostiju“, kaže Zaslanski. Zašto neke kosti bolje reaguju na stres od drugih? Šta se dešava kada kosti stare? Da li je moguće da izgube PG i postanu manje vodonepropusni? Možda starenje ili patologija kao što je osteoporoza menja kost koja okružuje koštane ćelije, što otežava preoblikovanje i formiranje koštanog tkiva koje funkcioniše ispravno?
