Zrozumienie procesu mineralizacji kolagenu w naszych kościach
Kolagen jest niezbędnym składnikiem kości. To długie, włókniste białko organizuje się w pęczki i ulega mineralizacji, niczym zbrojony beton, zapewniając strukturę i wsparcie. Hierarchiczna organizacja kolagenu w macierz nadaje kościom imponujące właściwości mechaniczne. „Jest wytrzymały, ale można go trochę wygiąć, dzięki czemu człowiek nie złamie nogi, uderzając nią w stolik kawowy”, zauważa Nico Sommerdijk(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesor w Katedrze Nauk Medycznych w Centrum Medycznym Uniwersytetu Radboud. Jednak kolagen, jako materiał silnie hierarchiczny, jest w każdym miejscu inny, co utrudnia zrozumienie jego budowy i składu. Jeszcze trudniejszym pytaniem jest to, w jaki sposób przebiega mineralizacja kolagenu. Sommerdijk i jego zespół starali się udzielić na nie odpowiedzi w ramach projektu COLMIN(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Został on sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Chciałem wykorzystać żywy układ, w którym mógłbym zobaczyć, jak powstają minerały i kolagen oraz jak na siebie oddziałują”, mówi Sommerdijk. „Nazywam to »żywym systemem in vitro«”.
Tworzenie „mini-kości” i „kości na chipie”
Zespół projektu COLMIN stworzył fragment tkanki przypominający kość. Badacze dążyli do uzyskania materiału zbliżonego do struktury kości w skali nano, aby lepiej zrozumieć proces jej formowania. Stymulowali komórki macierzyste, aby różnicowały się w komórki przypominające kość, a konkretnie osteoblasty, które odpowiadają za tworzenie kości. Wyhodowali również „miniaturowy” organoid kostny o długości mniejszej niż 1,2 nanometra – tkankę podobną do nieuporządkowanej i elastycznej wczesnej tkanki kostnej. Mogli zaobserwować tkankę tworzącą zewnątrzkomórkową macierz kolagenu, zanim nastąpiła mineralizacja. Procesy te badano przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej. Aby następnie przeanalizować strukturę 3D, badacze opracowali system, który jest w stanie utrzymać komórki przy życiu, jednocześnie je obrazując, tworząc w ten sposób „kość na chipie”.
Postęp technik mikroskopowych
W kriogenicznym mikroskopie elektronowym próbki są zamrożone, dlatego trudno jest znaleźć to, czego się szuka – to tak, jakby patrzeć tylko na powierzchnię zamarzniętego jeziora i zastanawiać się, co kryje się pod taflą wody, dodaje Sommerdijk. Dlatego jeden z członków projektu zaprojektował wyjątkowy uchwyt na próbki, który umożliwiał odciśnięcie wzoru na próbce przed jej zamrożeniem – w istocie stanowił on mapę, którą można było wykorzystać do eksploracji struktury 3D. Następnie badacze zastosowali inną technikę, zwaną mikroskopią ramanowską, aby zbadać informacje chemiczne zawarte w kościach. Zespół postanowił zdemineralizować fragment ludzkiej kości, a następnie – wykorzystując techniki obrazowania – obserwował jej remineralizację. Badaczom udało się zobrazować różne typy mineralizacji w próbkach kości pobranych od pacjentów cierpiących na wrodzoną kruchość kości – rzadką chorobę, w przebiegu której kolagen ulega nadmiernej modyfikacji w trakcie produkcji, co prowadzi do chaotycznego tworzenia się tkanki kostnej.
Zrozumienie wrodzonej łamliwości kości
„Przeprowadziliśmy bardzo szczegółowe badanie kontrolne, w którym wykazaliśmy, że ta nadmierna modyfikacja, która ma miejsce tylko w kilku miejscach, ma duży wpływ na to, w jaki sposób kolagen dostaje się do tej niezwykle zorganizowanej struktury”, wyjaśnia Sommerdijk. Kolejnym ważnym osiągnięciem było zbadanie, w jaki sposób białko znane jako fetuina, które może transportować minerały do kości, wędruje w organizmie, docierając do komórek. „Po raz pierwszy udało nam się zaobserwować proces biologiczny pod mikroskopem elektronowym do obserwacji w fazie ciekłej”, zauważa Sommerdijk. Wyniki projektu pomogą ustalić punkt odniesienia dla zaawansowanej analizy procesu powstawania kości i ułatwią zrozumienie tego złożonego procesu.
