Neutronforsøg afslører, hvad der opretholder en god funktion i knogler

Neutronforsøg ved Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har givet ny indsigt i de mekanismer, der understøtter knoglesundhed og reparation. Undersøgelsen afslører, at en type kollagen, et stilladsprotein, der giver knogler deres styrke og fleksibilitet, gennemgår en mineraliseringsproces, der er afgørende for at opretholde knoglestruktur og funktion. Resultaterne understreger vigtigheden af ​​denne proces for at forebygge knogleskørhed og sygdomme som osteoporose.

Kollagen er en nøglekomponent i den ekstracellulære matrix (ECM), et komplekst netværk af molekyler, der giver strukturel støtte til celler. I knogler mineraliseres ECM med calcium og fosfat for at danne hydroxyapatit, den vigtigste mineralkomponent i knogler, der giver dem deres hårdhed og modstandsdygtighed over for brud.

Forskerholdet, ledet af ORNL's Karthik Raman, brugte en kombination af neutronspredning og beregningsmodellering til at studere kollagens struktur og dynamik og dets interaktioner med hydroxyapatit. Neutronspredning er en kraftfuld teknik til at studere struktur og opførsel af materialer på molekylært niveau. Neutroner er subatomære partikler uden elektrisk ladning, så de kan trænge dybt ind i materialer uden at forårsage skade.

Eksperimenterne afslørede, at mineraliseringsprocessen involverer dannelsen af ​​en mineral-kollagen-komposit, der har en hierarkisk struktur. Kompositten er sammensat af kollagenfibriller, der er tværbundet af mineralkrystaller. Denne struktur giver knogler med deres mekaniske styrke og fleksibilitet.

Raman forklarede:"Neutronerne gjorde det muligt for os at se, hvordan kollagenmolekylerne er arrangeret, og hvordan de interagerer med mineralkrystallerne. Denne information er afgørende for at forstå, hvordan knogler er i stand til at modstå mekaniske kræfter og reparere sig selv, når de bliver beskadiget."

Forskerne fandt ud af, at mineraliseringsprocessen er stærkt reguleret, og at forstyrrelser i denne proces kan føre til knoglelidelser. For eksempel ved osteoporose, en tilstand karakteriseret ved nedsat knogletæthed og øget knogleskørhed, er mineraliseringsprocessen svækket.

"Vores resultater tyder på, at målretning af mineraliseringsprocessen kan være en potentiel terapeutisk strategi til forebyggelse og behandling af knoglesygdomme," sagde Raman. "Ved at forstå, hvordan mineraliseringsprocessen fungerer, kan vi udvikle nye behandlinger, der kan hjælpe med at opretholde sunde knogler og forhindre frakturer."

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications.