Synchrotron-Nano-Röntgenfluoreszenzspektrometrie menschlicher Knochen

3D und 2D Spurenelementverteilungen in krankhaften menschlichen Knochen und in histologischen Übergangszonen ein Ansatz zur Darstellung der Elementverteilungen mit Micro- und Nanometerauflösung mittels Synchrotron XRF Aktuelle Studien weisen auf die Bedeutung von Spurenelementen in normalen biologischen Prozessen als auch in unterschiedlichen Krankheitsbildern hin. Durch einen multidisziplinaren Forschungsansatz, der Physik, Biologie und Medizin verbindet, wollen wir unser Verständnis über die Rolle von Spurenelementen in mineralisierten Gewebe verbessern. Im Rahmen unseres vorherigen Projekts P21905-N20 Synchrotron Micro Röntgenfluoreszenzanalyse von Spurenelementen im gesunden und pathologischen menschlichem Gelenksknorpel und Knochen könnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Synchrotronstrahlung in Kombination mit konfokaler Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (XRF) sich hervorragend zur Bestimmung der Spurenelementverteilung von Blei, Strontium, Zink und Kalzium in menschlichen Gelenksknorpeln und Knochen eignet. In diesem neuen Projekt soll die experimentelle Methodik mit neuster Instrumentierung nun auf Nano-XRF und bildgebende Verfahren mit Nanometerauflösung erweitert und auf andere Knochenkrankheiten, wie Knochentumor, als auch auf die Heilung von Knochenbrüchen angewendet werden. Dieses Projekt wird in Kooperation mit dem Ludwig Boltzmann-Institut für Osteologie und klinischen Kooperationspartnern durchgeführt. Die Projektziele sind Untersuchung der Mn-Verteilung und -Konzentration mittels SR XRF in osteoporotischen Hüftgelenksköpfen von Patienten mit unbekannter Pathogenese und Vergleich der Mn-Konzentration und -Verteilung mit denen von Knochenproben von gesunden Individuen derselben Altersgruppe um eine mögliche Verbindung zwischen Osteoporose und Mn-Inhalt auszudecken. Erforschung der potentiellen Änderungen der Zn-Verteilung in verheilenden osteoporotischen Brüchen. Hierfür werden Biopsien von osteoporotischen Wirbelkompressionsbrüchen verwendet werden. Die Anzahl der in der EU an Osteoporose erkrankten Frauen und Männern wird von 28 Millionen in 2010 auf 34 Millionen in 2025 ansteigen. Dies wird eine steigende Prävalenzrate von Erkrankungen und Schwerbehinderungen zur Folge haben und ein großes ökonomisches Problem darstellen. Untersuchung der Zn- und Pb-Verteilung mit Synchrotronstrahlung mit Nanometerauflösung und des Bindungszustands (mittels XANES) von Zn und Pb in der Übergangszone zwischen unterschiedlichen Phasen des Gelenksknorpels in Osteoarthritis, - einer weitverbreiteten Form von Gelenkskrankheit und häufigster Grund für körperliche Behinderung bei Erwachsenen. Analyse der Spurenelementverteilung (vor allem von Zn und Fe) und Bestimmung des Bindungszustands dieser Elemente in Osteosarkomproben. Osteosarkom ist der häufigste bösartige Knochentumor und tritt meist im Jugendalter während des Wachstumsschubs auf. Entwicklung einer Quantifizierungsmethode für Knochenproben im Vergleich zu TOF-SIMS und LA-ICP-MS. Hauptkomponentenanalyse und Clusteranalyse werden durchgeführt. Alle Elementverteilungen werden mit den Ergebnissen des quantitativen Backscattered Electron Imaging derselben Regionen korreliert. Unsere Ergebnisse werden Aufschluss über die mögliche Rolle von Spurenelementen in der Pathogenese von Osteoporose, Osteoarthritis und Osteosarkom geben. Außerdem wollen wir weiteren Einblick in die Rolle von Spurenelementen in der Biomineralisation.

Synchrotronstrahlungsinduzierte Röntgenfluoreszenzanalyse mitAuflösungenim Mikrometer- (SR-XRF) und Nanometerbereich (SR-nXRF) ist eine Methode zur zerstörungsfreien Analyse von Elementverteilungen in Proben. Im Rahmen dieses Projektes wurden sowohl experimentelle Aufbauten für ihre Eignung zur Analyse von Knochenproben untersucht als auch die Spurenelementverteilungen in unterschiedliche Knochenprobensets gemessen. Für die Untersuchung mit Auflösungen im Bereich von 15m konnte gezeigt werden, dass ein konfokaler Aufbau besser für Knochenproben geeignet ist als eine Vollbildanordnung (1 Publikation). Da konfokale Aufbauten an Synchrotronstrahlenquellen selten sind, wurde ein temporärer Aufbau eines konfokalen SR-XRF Systems des Atominstituts für Knochenanalysen an der Fluorescence Beamline am Elettra getestet (1 Publikation). Für Auflösungen von mehrere hundert nm erwies sich der XRF-Aufbau an der B16 Bending Magnet Test Beamline an der Diamond Synchrotronstrahlungsquelle als eine gute Wahl (1 Publikation). Die Diffusion von Elementen aus biologisch abbaubaren Implantaten in umliegenden den Knochen wurde anhand von Rattenknochen mit Implantaten unterschiedlicher Implationsdauer untersucht (1 Publikation). In Knochentumorproben von Patienten mit einem Osteosarkom, wurden im mineralisierten Tumorgewebe höhere Zinkwerte als im umliegenden, gesunden, mineralisierten Gewebe festgestellt (1 Publikation). Gadolinium wurden in Knochenproben von MRI Patienten gefunden und mittels SR-XRF und SR-nXRF untersucht (1 Publikation in Vorbereitung). Bei Untersuchungen von aus kalzifiziertem und nicht kalzifiziertem Gelenkknorpel bestehenden Proben, konnten in der dünnen Grenzlinie zwischen den beiden Gebieten (der sogenannten Tidemark) erhöhte Zink- und Bleiwerte festgestellt werden. Diese Grenzlinie war zwischen 3 und 14,5 m dick (1 Publikation geplant). Die Verteilung von Mangan und seine Korrelation zu Kalzium im gesunden und osteoporotischen Knochen wurde untersucht. Mangan-zu-Kalzium-Verhältnisse zeigten, dass Manganwerte für osteoporotische Proben von männlichen Patienten niedriger sind als für gesunde Kontrollproben. Für Proben von weiblichen Patienten konnte dieser Effekt nicht gefunden werden (1 Publikation geplant).