Nano-Einblicke in die Knochenstabilität
Schenkelhalsbrüche sind nicht allein auf eine unzureichende Knochendichte zurückzuführen. Entscheidend ist auch ihre Nanostruktur – die Ausrichtung der Kollagenfasern, aus denen die Knochen bestehen. Dies legen Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern des Paul Scherrer Instituts PSI nahe, die mithilfe einer neuen Röntgentechnik gewonnen wurden.
Torne Tänzer und Marianne Liebi an der Schweizer Lichtquelle SLS am PSI. Dort konnten sie erstmals die Nanostruktur des Knochenmaterials im Oberschenkelhals sichtbar machen. Dies könnte dazu beitragen, zu verstehen, warum dieser Teil des Oberschenkelknochens relativ häufig bricht. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Bei einem Hüftbruch durch einen Sturz ist häufig der Oberschenkelhals betroffen – der schmale Knochenabschnitt direkt unterhalb des Hüftgelenks. Dies geschieht oft im höheren Alter, wenn die Knochendichte abnimmt. Meist bricht der Oberschenkelhals von oben, da er dort in der Regel deutlich poröser ist als an der Unterseite.
Dieser Zusammenhang besteht jedoch nicht immer: Manchmal bricht der Oberschenkelhals, obwohl er nicht porös ist. Forscher des PSI haben nun mithilfe spezieller Röntgenanalysen mit der Schweizer Lichtquelle SLS am PSI und Messungen am schwedischen Synchrotron MAX IV die mögliche Ursache entdeckt: eine veränderte Nanostruktur des Knochens.
Neue Röntgentechnik liefert detaillierte Einblicke
Das Team um Marianne Liebi, Wissenschaftlerin am PSI Center for Photon Science, untersuchte mithilfe einer neuen Bildgebungstechnik jeweils zwei Knochenproben von 78 verschiedenen Oberschenkelhälsen. Dabei wurde jeweils eine Probe von der Ober- und Unterseite desselben Oberschenkelhalses entnommen. Die Proben stammten von der Universität Bern, deren Experten im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts an der Analyse beteiligt waren. Die Methode heißt Kleinwinkel-Röntgenstreuungs-Tensor-Tomographie (SAXS-TT). Sie kombiniert die Analyse sogenannter Kleinwinkelstreusignale aus einem hochauflösenden Röntgenbild mit 3D-Tomographie, also der Bildgebung aus verschiedenen Winkeln. Diese Methode wurde am PSI in den letzten zehn Jahren entwickelt und für die Analyse verschiedener Materialien, darunter auch Knochen, erprobt.
Die Anordnung der Kollagenfasern wird sichtbar
Die Analyse von Knochenproben aus 78 verschiedenen Oberschenkelhälsen ergab, dass neben der geringeren Knochendichte an der Oberseite des Oberschenkelhalses ein weiterer Faktor auffällt: Die Kollagenfasern – die Bausteine der Knochen und tausendmal feiner als Haare – verlaufen an der Oberseite anders als an der Unterseite. Während sie an der Unterseite parallel verlaufen und so die auf den Oberschenkelhals wirkenden Kräfte effektiv abfedern, erscheinen sie an der Oberseite unregelmäßiger, verlaufen schräg oder sogar kreuzweise. Dadurch sind sie weniger flexibel. „Darüber hinaus“, so Erstautor Torne Tänzer, Doktorand in Liebis Forschungsgruppe, „sind die Mineralplättchen weniger regelmäßig angeordnet und anders geformt.“ Die Mineralplättchen eines Knochens sind winzige Lamellen aus Calciumphosphat, die zwischen den Kollagenfasern liegen und diese stabilisieren.
Die Anordnung von Fasern und Blutplättchen könnte, so die Hypothese, die Stabilität der Knochen beeinflussen. „Wir wollen diese Hypothese nun in weiteren Studien untersuchen, indem wir mechanische Belastungstests an Oberschenkelhälsen mit unterschiedlichen Strukturen durchführen“, sagt Tänzer. Dies soll zeigen, ob eine unregelmäßige Struktur tatsächlich das Frakturrisiko erhöht. „Wir könnten dann auch feststellen, inwieweit solche Veränderungen der Nanostruktur mit dem Alter zusammenhängen.“
Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit zu einem tieferen Verständnis der Knochenstruktur im Allgemeinen sowie zu Analysemethoden beitragen wird. Darüber hinaus könnte sie die Grundlagenforschung zur Knochenmechanik voranbringen. „Methoden zur Untersuchung biologischer Materialien im Nanobereich, sowohl strukturell als auch mechanisch, werden ständig weiterentwickelt“, sagt Marianne Liebi. „Wir zeigen, was diese Entwicklungen schon heute leisten können und welche Richtung sie in Zukunft einschlagen werden.“
Schnellere Bildgebung dank SLS-Upgrade
Zukünftige Studien werden den Forschern von der kürzlich erfolgten Modernisierung des SLS zugutekommen. Der gesamte Elektronenspeicherring wurde durch über tausend neue, hochpräzise Magnete ersetzt, wodurch die Intensität und Brillanz der Röntgenlichtquelle um ein Vielfaches gesteigert wurde. Dies ermöglicht es, deutlich detailliertere Bilder als zuvor zu erzeugen und gleichzeitig die Messzeit erheblich zu verkürzen.
„Wir konnten nur zwei der 78 Oberschenkelhalsproben vollständig dreidimensional scannen, da dies mit der bisherigen Technologie extrem zeitaufwendig und komplex war“, erklärt Torne Tänzer. Die 3D-Tomographie benötigte einen ganzen Tag pro Scan, während die zweidimensionalen Dünnschnittmessungen, die im Zuge der SLS-Modernisierung am schwedischen Synchrotron MAX IV durchgeführt wurden, nur 20 Minuten dauerten. Anhand dieser wenigen 3D-Beispiele konnten die Forscher Rückschlüsse auf die anderen, nur zweidimensional betrachteten Proben ziehen und so die Interpretation der 2D-Daten verbessern. „Mit der modernisierten SLS können wir nun deutlich mehr Proben dreidimensional analysieren. Dies wird unsere Möglichkeiten, neue Erkenntnisse zu gewinnen, erheblich erweitern.“
