Переломы шейки бедренной кости обусловлены не только недостаточной плотностью костной ткани. Важное значение имеет также их наноструктура — ориентация коллагеновых волокон, из которых состоят кости, согласно исследованиям, проведенным учеными Института Пауля Шеррера (PSI) с использованием новой рентгеновской методики.

При падении и переломе бедра очень часто поражается шейка бедренной кости — узкий участок кости непосредственно под тазобедренным суставом. Это часто происходит в пожилом возрасте, когда кость теряет плотность. Чаще всего перелом шейки бедренной кости происходит с верхней стороны, где она, как правило, гораздо более пористая, чем с нижней.

Однако эта корреляция присутствует не всегда: иногда перелом шейки бедренной кости происходит, даже если она не является пористой. Исследователи из PSI обнаружили возможную причину с помощью специального рентгеновского анализа, проведенного на швейцарском источнике синхротронного излучения SLS в PSI, и измерений на шведском синхротроне MAX IV: измененную наноструктуру кости.

Новая рентгеновская методика позволяет получить детальные данные.

Группа исследователей под руководством Марианны Либи, научного сотрудника Центра фотонной науки PSI, использовала новую методику визуализации для изучения двух образцов костной ткани из 78 различных бедренных шей. В каждом случае один образец был взят с верхней, а другой — с нижней стороны одной и той же бедренной шейки. Образцы были получены от Университета Берна, эксперты которого участвовали в анализе в рамках совместного исследовательского проекта. Результаты исследования доступны на сервере препринтов bioRxiv .

Этот метод называется тензорной томографией рассеяния рентгеновских лучей под малым углом, или сокращенно SAXS-TT. Он сочетает анализ так называемых сигналов рассеяния под малым углом с рентгеновского изображения высокого разрешения с 3D-томографией, то есть визуализацией под разными углами. Этот метод разрабатывался в PSI в течение последних 10 лет и был протестирован для анализа различных материалов, включая кости.

Становится видимым расположение коллагеновых волокон.

Анализ образцов костной ткани из 78 различных бедренных шей показал, что, помимо более низкой плотности костной ткани на верхней стороне бедренной шейки, выделяется еще один фактор: коллагеновые волокна — составляющие кости и в тысячу раз тоньше волос — расположены по-разному на верхней и нижней сторонах. В то время как на нижней стороне они лежат ровно параллельно, эффективно смягчая силы, действующие на бедренную шейку, на верхней стороне они выглядят более хаотично, располагаясь под углом или даже перекрещиваясь. Это делает их менее гибкими.

«Кроме того, — говорит ведущий автор Торне Танцер, аспирант исследовательской группы Либи, — минеральные пластинки расположены менее упорядоченно и имеют другую форму». Минеральные пластинки кости представляют собой крошечные пластинки фосфата кальция, которые находятся между коллагеновыми волокнами и стабилизируют их.

Предполагается, что расположение волокон и тромбоцитов может влиять на стабильность костей. «Теперь мы хотим проверить эту гипотезу в дальнейших исследованиях, проведя механические испытания на шейках бедренных костей с различной структурой», — говорит Танцер. Это должно показать, действительно ли нерегулярная структура увеличивает риск переломов. «Тогда мы также сможем определить, в какой степени такие изменения наноструктуры связаны с возрастом».

Исследователи надеются, что их работа внесет вклад в более глубокое понимание структуры костей в целом, а также в совершенствование методов анализа. Кроме того, она может способствовать развитию фундаментальных исследований в области механики костей. «Методы исследования биологических материалов на наномасштабе, как с точки зрения структуры, так и механических свойств, постоянно разрабатываются», — говорит Либи. «Мы демонстрируем, чего эти разработки уже могут достичь сегодня и в каком направлении они могут развиваться в будущем».

Более быстрая обработка изображений благодаря модернизации SLS.

В будущих исследованиях ученые смогут воспользоваться преимуществами недавней модернизации SLS. Вся его электронно-накопительная система была заменена более чем тысячей новых высокоточных магнитов, что многократно увеличило интенсивность и яркость источника рентгеновского излучения. Это позволяет получать значительно более детализированные изображения, чем раньше, при значительном сокращении времени измерений.

«Нам удалось отсканировать образцы костной ткани в полном 3D-формате только с двух из 78 бедренных шей, потому что с использованием предыдущих технологий это было просто очень трудоемко и невероятно сложно», — говорит Танцер. На 3D-томографию требовался целый день на одно сканирование, в то время как измерения тонких срезов в 2D-формате, которые проводились во время модернизации SLS на шведском синхротроне MAX IV, заняли всего 20 минут.

На основе этих нескольких 3D-примеров исследователи смогли сделать выводы о других образцах, которые рассматривались только в двух измерениях, тем самым улучшив интерпретацию 2D-данных. «Благодаря модернизированной системе SLS мы теперь сможем анализировать гораздо больше образцов в 3D. Это значительно расширит наши возможности по получению новых результатов».

Внимание, автоперевод! За ошибки перевода ответственности не несём. Первоисточник по ссылке.