Neutronenexperimente zeigen, was Knochen gut funktionieren lässt

Vor rund 500 Millionen Jahren wurden frühe Wirbeltiere in den Meeren zu Fischen, die ein inneres Skelett und eine flexible Wirbelsäule annahmen, die auf einem Nanokomposit aus Fasern und Mineralien, dem sogenannten Knochenmaterial, basierten. Diese „Erfindung“ der Evolution war so erfolgreich, dass die Grundstruktur auch für spätere landlebende Wirbeltiere übernommen wurde.

Doch während die Knochen aller Landwirbeltiere grundsätzlich mit Knochenzellen (Osteozyten) ausgestattet sind, entwickelten sich bestimmte Fischarten weiter und schafften es schließlich, ein energieeffizienteres Material zu schaffen: Knochen ohne Knochenzellen, die heute zum Beispiel in Fischen wie Lachsen zu finden sind , Medaka oder Tilapia.

Proben mit und ohne Knochenzellen

„Wir haben uns gefragt, wie sich eigentlich Knochenproben mit und ohne Knochenzellen in ihren Mikrostrukturen und Eigenschaften unterscheiden“, sagt Prof. Paul Zaslansky, der an der Charité Berlin eine Forschungsgruppe leitet und sich auf mineralisierte Biomaterialien wie Zähne und Knochen spezialisiert hat.

Zusammen mit Ph.D. Studentin Andreia Silvera und internationalen Partnern haben sie nun Knochenproben von Zebrafisch und Medaka verglichen. Beide Fischarten sind ähnlich groß und leben unter ähnlichen Bedingungen, sodass ihre Skelette ähnlichen Belastungen standhalten müssen. Während Zebrafische Knochenzellen haben, hat das Medaka-Skelett keine.

„Hintergrund der Fragestellung ist, dass die Funktion der Knochenzellen im Knochen und wie sie sich mit dem Alter verändern, für die alternde Bevölkerung von großem Interesse ist“, erklärt Silvera. Knochenzellen können auf körperlichen Stress reagieren, indem sie biochemische Signale senden, die zur Bildung oder Resorption von Knochengewebe führen und sich an die Belastung anpassen. Doch mit zunehmendem Alter oder bei Erkrankungen wie Osteoporose scheint dieser Mechanismus nicht mehr zu funktionieren.

„Mit unserer Grundlagenforschung wollen wir herausfinden, wie sich Knochen mit und ohne Knochenzellen unterscheiden und mit den Herausforderungen äußerer Belastungen fertig werden“, sagt Zaslansky.

Stärke und Elastizität

Knochen haben eine komplexe Struktur: Sie bestehen aus Kollagen-Nanofasern und Mineral-Nanopartikeln, aber auch aus anderen Nebenbestandteilen. Bestimmte Proteinverbindungen, sogenannte Proteoglykane (PGs), sind in ein Gewebe aus Kollagenfasern und Nanokristallen eingebettet und spielen eine wichtige Rolle bei der Gewebebildung und -erhaltung.

„PGs können mit Salz in der Suppe verglichen werden. Zu wenig oder zu viel davon ist nicht gut“, sagt Zaslansky. Die PGs können Wasser speichern, und es gibt viele PGs in gesundem Knorpel, der ihn so elastisch wie einen Schwamm macht. Zusammen bilden diese Komponenten eine extrazelluläre Matrix (ECM), eine 3D-Struktur, die für Festigkeit und Elastizität sorgt und die Funktion über viele Jahre gewährleistet.

In Knochen entsteht in dieser 3D-Struktur ein offenes Netzwerk (Lacunar Channel Network oder LCN) aus Kanälen und Poren mit Durchmessern von wenigen hundert Nanometern bis Mikrometern. Dieses LCN beherbergt die Knochenosteozyten, Zellen, die die Belastung wahrnehmen und den Knochenumbau orchestrieren. Im LCN und im Nanokomposit enthält Knochen bis zu 20 % seines Volumens an Wasser, mit vielen Funktionen, einschließlich Zähigkeit und Anpassung an mechanische Belastungen.

Neutronentomographie am BER II

Um die Menge an eingebautem Wasser zu bestimmen, tauchten die Forscher Knochenproben zunächst in Wasser und durchstrahlten sie mit Neutronen, die der Berliner Versuchsreaktor BER II am HZB lieferte – gefolgt von einer Sättigung in deuteriertem schwerem Wasser (D2O). 3D-Daten wurden erneut gesammelt, und der Unterschied zwischen den beiden Knochenzuständen ermöglichte es dem Team, für jeden Wirbelsäulenwirbel die genaue Wassermenge zu bestimmen, die durch die Diffusion des D2O verdrängt wurde.

„Zusätzlich haben wir Schnitte der Knochenproben untersucht, mit Elektronenmikroskopie und Mikro-CT analysiert und auch die PG-Konzentration mit Raman-Spektroskopie bestimmt“, erklärt Silvera.

Überraschende Ergebnisse: PGs machen den Unterschied

Bisher ging man davon aus, dass beide Knochenarten ähnlich viel Wasser enthalten und sehr ähnliche Zusammensetzung und Eigenschaften haben. Tatsächlich aber zeigte die Neutronenuntersuchung, dass das Knochenmaterial von Zebrafischen halb so viel Wasser abgibt wie das von Medaka. Dies ist umso überraschender, da diese Knochen eine sehr ähnliche Mikrostruktur mineralisierter Kollagenfasern aufweisen, aber auch Zebrafische große Zellräume innerhalb des LCN enthalten.

„Meine erste Reaktion war: ‚Das muss falsch sein!‘ Also haben wir alles gründlich geprüft und festgestellt, dass es wirklich revolutionär ist“, erinnert sich Zaslansky. Die einzige Erklärung für den Unterschied ist, dass sich die Knochenmatrizen der beiden Arten in einer grundlegenden Zusammensetzungskomponente unterscheiden, die die Wasserdurchlässigkeit beeinflusst. Und hier zeigen sowohl histologische Studien als auch Raman-Spektroskopie: Es ist der kleine, aber wichtige Beitrag von PGs. Die Medaka-Proben enthalten weit weniger PG als die Zebrafischproben.

„Das ist eine neue Erkenntnis: Obwohl beide Fische ähnlichen Belastungen standhalten, weisen ihre Knochenmaterialien nicht die gleichen Wasserdurchlässigkeitseigenschaften auf“, sagt Silveira.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Materialien & Design.

„Wir hoffen, dass diese Ergebnisse uns dabei helfen, auch Knochenerkrankungen besser zu verstehen“, sagt Zaslansky. Warum reagieren manche Knochen besser auf Stress als andere? Was passiert, wenn Knochen altern? Könnte es sein, dass sie PGs verlieren und weniger wasserdicht werden? Vielleicht verändert das Altern oder eine Pathologie wie Osteoporose den Knochen, der die Knochenzellen umgibt, was es schwierig macht, Knochengewebe umzubauen und zu bilden, das richtig funktioniert?