Рентгенівська нанотомографія ультраструктури кістки
Кісткова тканина являє собою ієрархічно складно організовану натуральну матерію, жорстку і міцну, але одночасно і легку. Вона є динамічною тканиною, здатної виявити і усунути пошкодження на всіх рівнях, адаптуючись до зовнішніх механічних впливів. Механізми включення і управління цими процесами не зовсім ясні. Як правило, стани, що супроводжуються крихкістю кісток, пов`язані зі зміною процесів кісткового ремоделювання і порушення балансу між резорбцією та формуванням тканин. Знання механізмів управління кістковим ремоделюванням є фундаментальним для розуміння недостатності кісткової тканини і для оптимізації терапії.
Загальноприйнятим вважається, що недостатність кісткової тканини розвивається через порушення на мікроскопічному і ультраструктурному рівнях, в зв`язку з чим є потреба у отриманні придатних для кількісної оцінки 3D наноізображеній кістки.
Конфокальна лазерна скануюча мікроскопія дозволяє візуалізувати об`ємну ультраструктуру кістки, але глибина проникнення дуже обмежена. Виконані за допомогою сфокусованого іонного пучка серійні зрізи, при подальшій візуалізації на скануючому електронному мікроскопі, дозволяють досягти відмінного просторового дозволу, але необхідна складна забарвлення і підготовка препаратів, а саме сканування займає досить багато часу.
Для отримання 3D зображення кісткової ультраструктури були запропоновані різні схеми візуалізації з використанням рентгенівського випромінювання. Трансмісійна рентгенівська мікроскопія (ТРМ) здатна візуалізувати окремі лакуни канальців губчастої кістки миші. ТРМ дає зображення високої роздільної здатності (40 нм), але обмежене поле зору 5,5? 5,5? 5,5 мкм3 не дозволяє аналізувати більш однієї клітини, тим самим обмежуючи виконання кількісних досліджень. Отримувані рентгенівські зображення лакуни-каналікулярним мереж обіцяють цікаві результати, але тривалий 40-годинне сканування поля зору в 40 мкм, вкрай обмежує застосування методу.
Рентгенівська мікротомографія дуже цінний метод візуалізації та дозволяє виконувати Недеструктивні 3D аналіз внутрішньої структури матеріалів, що в даний час широко використовується при отриманні біомедичних зображень. При порівняно невеликому часу дослідження, висока яскравість синхротронного рентгенівського джерела робить доступним субмікрометріческое дозвіл, а вибір монохроматического пучка дозволяє виконати кількісну оцінку ступеня мінералізації. Синхротронного томографія виявилася точним інструментом дослідження 3D архітектури кістки і локальної мінералізації, але до сих пір не була продемонстрована ефективність цього методу в візуалізації лакуни-каналікулярним мереж.
Матеріали та методи. У цій статті представляється перша, недеструктивная ультраструктурная 3D візуалізація кістки з використанням рентгенівської томографії. Зразки 0,4? 0,4? 5мм3 були витягнуті з середини діафіза стегнової кістки людини. Для виконання томографічного дослідження зразок встановлювався на обертову платформу. Рентгенівський пучок монохроматіровался і фокусувався за допомогою рентгенівської дзеркальної оптики в пляма розміром 50? 50 нм2.
Серія томографічних сканувань була записана в чотирьох позиціях. Зображення не придатні для безпосереднього використання в якості стандартної томографической реконструкції. Отримані карти фаз були введені в алгоритм томографічної реконструкції на основі фільтра зворотного проектування. Підсумкова томограма є реконструкцією 3D розподілу показників заломлення, пропорційних локальної щільності об`єкта.
Результати та висновки. На малюнку представлені томографічні зрізи після реконструкції в поперечної (а), фронтальною (б) і сагітальній (с) площинах. На них видно ультраструктурні об`ємні особливості кістки відмінної якості. Візуалізовані не тільки остеоцитарного лакуни і канальці, але й такі елементи, як цементні лінії і мінералізація навколишнього матриці.
Залежно від орієнтації по відношенню до віртуальної площини зрізу, остеоцитарного канальці видно як чорні плями і смуги. Цементна лінія, яка відокремлює остеони один від одного і від інтерстиціальної тканини, утворюючи кордон між кінцевою точкою кісткової резорбції і відправною точкою формування нової кістки, чітко простежується як яскрава смуга. За цим зображенням можна оцінити локальну щільність тканини і зробити висновок про її мінералізації. Наприклад, по даній серії знімків був зроблений висновок про гіпермінералізації цементної лінії, в порівнянні з навколишнім інтерстиціальної тканиною.
Рентгенівська нанотомографія, хоча і не дає максимально можливого дозволу, але є найбільш зручним для практичної оцінки стану кісткової тканини на ультраструктурному рівні.
