Ny cellulær indsigt i knogleudvikling

De fleste af os tænker ikke på vores tænder og knogler, før man gør ondt eller går i stykker. Et team af ingeniører ved Washington University i St. Louis kiggede dybt inde i kollagenfibre for at se, hvordan kroppen danner nye knogler og tænder, søger indsigt i hurtigere knogleheling og nye biomaterialer.

Young-Shin juni, professor i energi, miljø- og kemiteknik på School of Engineering &Applied Science og direktør for Environmental NanoChemistry Lab, leder et team af eksperter i nukleation, det indledende trin i dannelsen af ​​en fast fase i et væskesystem.

Selvom nukleation af mineraler i knogler og tænder ikke er godt forstået, forskere ved, at knoglemineraler dannes inde i kollagen, det vigtigste protein, der findes i hud og andre bindevæv. Jun og Doyoon Kim, en doktorand i hendes laboratorium, studeret, hvordan minimale huller i kollagens fiberstruktur letter kimdannelsen af ​​calciumphosphat, som er nødvendig for knogledannelse og vedligeholdelse.

Fundene, for nylig udgivet i Naturkommunikation , give et nyt syn på den nuværende teori om calciumphosphatkernen i et lukket rum.

For at observere kimdannelse i et kollagengab-cirka 2 nanometer høje og 40 nanometer brede-studerede teamet calciumphosphatnukleation med in situ lille vinkel røntgenstråling ved Advanced Photon Source i Argonne National Lab. De fandt ud af, at uden en hæmmer, nukleation fandt oprindeligt sted uden for kollagengabet. Da de tilføjede en hæmmer, processen fandt hovedsageligt sted inden for kollagengabet. Jun sagde, at det ekstremt begrænsede rum i kollagenspalten kun tillader calciumphosphat at danne langs længden af ​​hullet og minimerer overfladeinteraktioner med spaltets sidevægge. Med andre ord, topografien af ​​kollagengabet reducerer energiomkostningerne og muliggør nukleation.

"Når vi forstår, hvordan ny knogle dannes, vi kan modulere, hvor det skal danne sig, "Sagde Jun." Tidligere har vi troede, at kollagenfibriller kunne tjene som passive skabeloner, imidlertid, denne undersøgelse bekræftede, at kollagenfibriller spiller en aktiv rolle i biomineralisering ved at kontrollere nukleationsveje og energibarrierer. Hvis vi kan justere kemien og sende signaler til dannelse af knoglemineraler hurtigere eller stærkere, det ville være nyttigt for det medicinske område. "

Selvom denne undersøgelse fokuserede på de biologiske aspekter af nukleation, Jun sagde, at en avanceret forståelse af nukleation i indespærring også gælder for kemiteknik, materialevidenskab og miljøvidenskab og teknik.

"Begrænset rum er et lidt eksotisk rum, som vi ikke har udforsket meget, og vi tænker altid på dannelse af nyt materiale uden nogen begrænsning af rummet, "Sagde Jun." Dog, der er så mange begrænsede rum, såsom porer i geomedia i underjordiske miljøer eller i vandfiltreringsmembraner, hvor calciumcarbonat eller calciumsulfat dannes som skala. Dette papir er et øjebliksbillede af et sundhedsaspekt, men den nye viden kan anvendes bredt på energisystemer og vandsystemer. "