Was einen starken, gesunden Knochen ausmacht
Genauso wenig wie man ein großartiges Gebäude auf einem schwachen Fundament errichten kann, kann man einen gesunden Körper ohne starke Knochen haben. Glücklicherweise sind unsere Knochen dank eines Prozesses, der Mineralisierung genannt wird, ziemlich gut darin, in Form zu bleiben. „Während die Knochenmineralisierung zum Aufbau eines starken und steifen Knochens beiträgt, kann bei einer unregelmäßigen Mineralisierung das Gegenteil eintreten“, sagt Suwimon Boonrungsiman, wissenschaftliche Forscherin am King’s College London. Wo liegt also die Grenze zwischen einer guten und einer gestörten Knochenmineralisierung? Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts BoneImaging wollte Boonrungsiman dies herausfinden. Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt.
Ein neues Verfahren zur Probenaufbereitung
Laut Boonrungsiman ist der Prozess, durch den die Mineralisierung in gesunden und pathologischen Knochen reguliert wird, nicht gut erforscht. „Wenn es uns gelingt, diesen komplexen Mechanismus zu entschlüsseln und den Prozess zu ermitteln, der zu pathologischen Bedingungen führt, könnten wir die Tür zur Entwicklung therapeutischer Strategien zur Wiederherstellung der Knochenfunktion öffnen“, fügt sie hinzu. Die Herausforderung besteht darin, dass herkömmliche Probenaufbereitungsverfahren die Kristallinität der Mineralien beeinträchtigen können, was zu Fehlinterpretationen führen kann. Um dieses Risiko zu vermeiden, entwickelten die Forschenden ein Probenaufbereitungsverfahren, das auf der Elektronenmikroskopie basiert – einem Verfahren, bei dem ein Elektronenstrahl zur Vergrößerung des Bildes eines Objekts verwendet wird. So ist nicht nur die Untersuchung einer verkalkten Probe möglich, sondern – was noch wichtiger ist – auch die Vermeidung unerwünschter Artefakte bei der Probenaufbereitung. „Unsere Probenaufbereitungsmethode erlaubt die umfassende Erforschung des gesamten Mineralisierungsprozesses, von der Keimbildung und dem Transport innerhalb der Knochenzellen bis hin zur endgültigen Einbindung in die Knochenmatrix“, erklärt Boonrungsiman.
Ein direkter und differenzierbarer Vergleich
Mithilfe dieser Probenaufbereitungsmethode konnten im Rahmen des Projekts BoneImaging zwei zellgesteuerte Mineralisierungsprozesse verfolgt werden. Ein Prozess fand intrazellulär, d. h. in den Mitochondrien und Vesikeln, statt, der andere extrazellulär, d. h. in den Matrixvesikeln. „Unsere Arbeit bot einen schrittweisen Überblick über diese beiden Mechanismen und gestattete einen direkten und differenzierbaren Vergleich auf Basis von Größe und Mineralmorphologie“, so Boonrungsiman. Im Rahmen des Projekts wurde außerdem der Mineralisierungsmechanismus in hypomineralisierten Knochen untersucht, wobei zwei Veränderungen der Mineralisierungsorganellen festgestellt wurden. Da diese Organellen jedoch mit normalen Mechanismen koexistieren, sind weitere Untersuchungen und chemische Analysen erforderlich, um diese Veränderungen zu bestätigen und ihren Zusammenhang mit dem beobachteten Phänotyp herzustellen.
Den Weg zur Wiederherstellung der Knochenfunktion ebnen
Durch den fehlenden Einblick in den Mineralisierungsprozess hat das Projekt BoneImaging unser Verständnis dafür erweitert, was einen gesunden Knochen ausmacht. „Die Erkennung veränderter Mechanismen innerhalb des genetisch defizitären Modells kann eine Verbindung zum Verständnis abnormaler Phänotypen herstellen und vorläufige Daten für künftige Studien bereitstellen, die auf die Identifizierung von Behandlungszielen zur Wiederherstellung der Knochenfunktion abzielen“, so Boonrungsiman abschließend. Die Projektarbeit beschränkt sich jedoch keineswegs auf die Knochenmineralisierung. Der Arbeitsablauf der Probenaufbereitung und -analyse kann ebenfalls auf andere verkalkte Gewebe, einschließlich pathologischer Verkalkungen, angewendet werden.
Schlüsselbegriffe
BoneImaging, Knochenfunktion, Knochen, Knochenmineralisierung, Elektronenmikroskopie
