| Περίληψη: | Το οστό είναι μια φυσική πολύπλοκη ένωση, που ακολουθεί ιεραρχική δόμηση. Αποτελείται από ένα οργανικό και ένα ανόργανο υπόστρωμα, καθώς και από νερό. Σε μοριακό επίπεδο περιλαμβάνει ένα δίκτυο πολυμερικών πρωτεϊνών, κυρίως κολλαγόνο τύπου Ι, και νανοσωματίδια βιοαπατίτη, που ενισχύουν την κολλαγονική δομή, προσφέροντας στην τελευταία αντοχή στη θραύση.
Ειδικότερα, μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει την αντοχή στη θραύση λόγω εγγενών (λ.χ. γήρανση, μεταβολικές ασθένειες) όσο και εξωγενών μηχανισμών (λ.χ. κατευθυντήριες δυνάμεις).
Ιδιότητες του οστού όπως, η σκληρότητα, η πλαστικότητα αναπτύσσονται στην κλιμακούμενη ιεραρχική δόμηση του οστίτη ιστού, η οποία εκτείνεται από την νανοκλίμακα έως την μακροκλίμακα. Τα σκελετικά κατάγματα αποτελούν μια σημαντική ιατρική και οικονομική επιβάρυνση. Μόνο στις ΗΠΑ, τα κατάγματα στο ισχίο, στη σπονδυλική στήλη και στον καρπό αντιπροσώπευαν πάνω από 17 δισεκατομμύρια δολάρια σε άμεσες δαπάνες υγειονομικής περίθαλψης το 2001 και το ετήσιο αυτό κόστος συνεχώς αυξάνεται. Επιπλέον, τα κατάγματα δεν περιορίζονται μόνο στους ηλικιωμένους, αλλά αποτελούν επίσης και ένα σημαντικό πρόβλημα νεότερων ατόμων.
H παρούσα μελέτη στοχεύει στη διερεύνηση του ρόλου του γονιδίου ApoE στην ποιότητα των οστών. Για το σκοπό αυτό, μηριαία οστά και σπόνδυλοι μυών με εκτοπισμένο γονίδιο αναλύθηκαν και συγκρίθηκαν με μάρτυρες. Η κύρια λειτουργία του γονιδίου αυτού είναι ο έλεγχος του μεταβολισμού των λιπιδίων. Επίσης, έχει ευρύτερο ρόλο στην ανοσολογία και στην ανοσορύθμιση.
Η χημική σύσταση του οστίτη ιστού είναι ένας σημαντικός παράγοντας, που συνεισφέρει στην ποιότητα του οστού και έχει σημαντική συμβολή στις μηχανικές του ιδιότητες, καθώς και στη χωρική και χρονική συσσώρευση των μικροκαταγμάτων. Η παρατήρηση αυτής ιδιαίτερα σε δομικό επίπεδο διευκολύνεται από την ανάπτυξη βελτιωμένων μέσων ορισμού και μέτρησης της ποιότητας του οστίτη ιστού.
Ειδικότερα, φασματοσκοπικές τεχνικές απεικόνισης επιτρέπουν την άμεση παρατήρηση δημιουργίας οστικής ρωγμής και ανάπτυξης αυτής και είναι πολύτιμες για την αποκρυπτογράφηση μηχανισμών επαγωγής θραύσης.
Η σύσταση και η ποιότητα του οστίτη ιστού αξιολογήθηκε με τη χρήση της φασματοσκοπίας Raman, μιας μη επεμβατικής τεχνικής, η οποία είναι κατάλληλη για τη μελέτη βιουλικών, διότι επιτρέπει την ταυτόχρονη μελέτη του οργανικού και του ανόργανου συστατικού τους, χωρίς το δείγμα να υποστεί κάποια ιδιαίτερη επεξεργασία. Επίσης η φασματοσκοπία Raman πλεονεκτεί άλλων τεχνικών, καθότι παρέχει τη δυνατότητα ανάλυσης φρέσκων ενυδατωμένων οστών με υψηλή χωρική ανάλυση (όγκοι δείγματος του 1μm3 ή λιγότερο).
Η φασματοσκοπία Raman είναι μια δονητική φασματοσκοπική τεχνική, η οποία χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του σκεδαζόμενου φωτός βιολογικών μορίων και ιόντων.
Η σκέδαση Raman συμβαίνει όταν μόρια εντός του δείγματος διεγείρονται από την προσπίπτουσα ακτινοβολία laser. Λόγω των δονητικών κινήσεων των μορίων, ένα μικρό κλάσμα του φωτός (περίπου 1 στα 107 φωτόνια) χάνει ενέργεια και προκαλεί σκέδαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Η διαφορά στο μήκος κύματος μεταξύ σκεδαζόμενης και προσπίπτουσας δέσμης φωτός αντιστοιχεί σε μοριακές δονήσεις και οδηγεί σε ζώνες χαρακτηριστικών μετατοπίσεων συχνότητας στο φάσμα Raman.
Οι μετατοπίσεις αυτές μετρούνται σε κυματαριθμικές μονάδες (cm-1) και είναι ανάλογες με την ενέργεια δόνησης. Οι μετατοπίσεις συχνότητας χρησιμεύουν στην εκτίμηση της σύνθεσης του οστίτη ιστού.
Παράδειγμα αποτελεί η εκτίμηση της ανθρακικής υποκατάστασης στο κρυσταλλικό πλέγμα του βιοαπατίτη (πραγματοποιείται κυρίως υποκατάσταση β-τύπου; Μερική υποκατάσταση των ορθο-φωσφορικών από ανθρακικά ανιόντα).
Η εξωκυττάρια μήτρα παρέχει επίσης πληροφόρηση για τη σύνθεση του οστίτη ιστού, δεδομένου του ότι είναι πηγή πλούσια σε δονήσεις πρωτεϊνών, οι οποίες συνιστούν τη δευτεροταγή δομή, όπως εκείνης του αμιδίου και των πλευρικών αμινοξικών αλυσίδων.
Η φασματοσκοπία Raman αποδίδει τέσσερις (4) τουλάχιστον σημαντικούς δείκτες της «ποιότητας του οστού», ένας όρος, ο οποίος αναφέρεται στο σύνολο συνθετικών και αρχιτεκτονικών ιδιοτήτων του οστίτη ιστού.
Οι δείκτες αυτοί είναι: η αναλογία ανόργανου προς οργανικού συστατικού, η αναλογία ανθρακικών - φωσφορικών ιόντων, η κρυσταλλικότητα και η παράμετρος εκτίμησης της ποιότητας του κολλαγονικού δικτύου.
Πραγματοποιήθηκε λήψη πληθώρας φασμάτων Raman στην παρούσα μελέτη. Ειδικότερα, μετρήθηκαν εμβαδά και ύψη, που αντιστοιχούσαν στον αντίστροφο λόγο των εντάσεων της κύριας κορυφής των φωσφορικών, στην αναλογία των εντάσεων της κύριας κορυφής των ανθρακικών και της κύριας κορυφής των φωσφορικών και του λόγου των εντάσεων κορυφών, οι οποίες αποδίδονται στην πρωτεϊνική μήτρα.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κρυσταλλικότητα και ο δείκτης, που καταδεικνύει το ποσοτό της ασβεστοποίησης της κολλαγονικής μήτρας δεν παρουσιάζουν καμία στατιστικά σημαντική μεταβολή για τις ομάδες των μηριαίων οστών. Για τους οσφυϊκούς σπονδύλους, ο τελευταίος λόγος ήταν αυξημένος για την ομάδα εκείνη που στερούταν το γονίδιο ApoE, σε σύγκριση με την ομάδα ελέγχου. Η αναλογία των κορυφών της περιοχής του αμιδίου Ι και ο δείκτης, που εκφράζει το βαθμό της β-υποκατάστασης βρέθηκαν αυξημένοι για την πειραματική ομάδα μηριαίων οστών και οσφυϊκών σπονδύλων, σε σύγκριση με τους μάρτυρες, γεγονός που υποδηλώνει, πως η έλλειψη του γονιδίου ApoE οδηγεί σε μείωση της ελαστικότητας του κολλαγονικού δικτύου και της ακαμψίας και επομένως σε αυξημένη ευθραυστότητα του οστού.
H φασματοσκοπική ανάλυση των πειραματόζωων με την τεχνική Raman έδειξε πως, οι οσφυϊκοί σπόνδυλοι εμφανίζουν σοβαρότερη υποβάθμιση του κολλαγονικού τους δικτύου και μειωμένη οστική αντοχή σε σχέση με τα μηριαία οστά, η οποία δύναται να οφείλεται στην μειωμένη των τελευταίων σε σχέση με τους πρώτους οστική αναδόμηση.
Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε η επεμβατική αναλυτική τεχνική ΑΑS (φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης), για τη μέτρηση της περιεκτικότητας των οσφυϊκών σπονδύλων σε ασβέστιο. Η φασματομετρική ανάλυση διεξήχθη χρησιμοποιώντας πρότυπα διαλύματα ασβεστίου (διαδικασία του εμβολιασμού) και 2.5% La2O3 για την ελαχιστοποίηση φασματικών και χημικών παρεμποδίσεων της μήτρας διαλυμάτων βιοαπατίτη, που απομονώθηκαν από το κολλαγόνο χρησιμοποιώντας HNO3 0.5 N (όξινη πέψη).
Εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκε μελέτη της περιεκτικότητας των οσφυϊκών σπονδύλων σε κολλαγόνο, χρησιμοποιώντας την αναλυτική τεχνική TGA (θερμοσταθμική ανάλυση). Η τελευταία χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του οργανικού περιεχομένου του οστού. Ιδιαίτερα, η καμπύλη της πρώτης παραγώγου του θερμογραφήματος επιτρέπει τον προσδιορισμό της απώλειας οστικής οργανικής μάζας.
To βασικό συμπέρασμα που εξήχθη, ήταν η μειωμένη περιεκτικότητα σε κολλαγόνο των -/- ApoE σε σύγκριση με τα δείγματα ελέγχου των συγκεκριμένων δειγμάτων.
Φασματομετρία ατομικής απορρόφησης, σε συνδυασμό με την καταστροφική για τα δείγματα αναλυτική τεχνική TGA χρησιμοποιήθηκαν για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων Raman και ιδίως για τον έλεγχο του λόγου MMR (εκφράζει τη σχετική ποσοτική αναλογία ανόργανου - οργανικού τμήματος του οστίτη ιστού).
Τέλος, χρησιμοποιήθηκε η αναλυτική τεχνική ΤXRF (φθορισμός ακτίνων Χ με ολική ανάκλαση), για την εκτίμηση της περιεκτικότητας του οστού σε ασβέστιο και σε φωσφόρο, για την επίγνωση της δομικής σύνθεσης του βιοαπατίτη και για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της AAS.
Δύναται να πραγματοποιηθούν ποικίλες υποκαταστάσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα του βιοπατίτη τόσο στην κατιοντική θέση του ασβεστίου όσο και στην ανιοντική πλευρά των φωσφορικών ιόντων. Οι υποκαταστάσεις αυτές είναι δυνατόν να επηρεάσουν τις φυσικοχημικές ιδιότητες του οστίτη ιστού, όπως τη διαλυτότητα, την πυκνότητα, τη σκληρότητα και την μορφολογία οστικής ανάπτυξης. Η σύνθεση των οστών έχει δειχθεί, ότι μεταβάλλεται με την ηλικία και πως επηρεάζεται από μεταβολικές διαταραχές και θεραπευτικές αγωγές.
|
|---|
