Synchrotron-Mikro-XRF Imaging von menschlichen Knochen

Spurenelemente sind chemische Elemente die in kleinsten Mengen in der Umwelt vorhanden sind. Einige dieser Spurenelemente sind für die menschliche Gesundheit sehr wichtig. Es zeigte sich jedoch, dass zahlreiche Spurenelemente, wie z.B. Blei (Pb), eine Vielzahl von Erkrankungen im Körper auslösen können. Blei akkumuliert zu 95% im knöchernen Skelett. Man weiß bisher jedoch sehr wenig, wo genau Blei in der Knochenmatrix angereichert wird. Im Zuge des FWF-Projektes P15740 "Determination of Lead in Human Bone and Tissue" erwies sich die Kombination von Synchrotronstrahlung und einem konfokalen Mikro-Röntrgenfluoreszenzanalye (mikro- RFA) Aufbau als die ideale Anordnung um die Verteilung der Spurenelemente Blei (Pb), Zink (Zn), Strontium (Sr) und Kalzium (Ca) in normalem menschlichem Knochen zu bestimmen. Eine hohe spezifische Akkumulation von Pb und Zn wurde in der so genannten Tidemark, einer Übergangszone zwischen kalzifiziertem und nicht-kalzifiziertem Knorpelgewebe, gefunden. Es ist aber sehr wenig über die Rolle und den genauen Mechanismus der Pb Akkumulation in der Tidemark von normalem Knorpelgewebe und im Knochen bekannt. Noch weniger ist über mögliche Beteiligungen von Spurenelementen an Erkrankungen wie Arthrose und Osteoporose bekannt. Bei der Gelenksarthrose kann man eine Verdoppelung der Tidemark erkennen. Eine Pilotstudie hat gezeigt, dass es Unterschiede in der Akkumulation von Spurenelementen bei arthrotischem im Vergleich zum normalen Knochen gibt. Während die Pb Exposition allgemein mit einer geringen Knochendichte assoziiert wird, ist im Moment nicht genau bekannt, in welchem Abschnitt des Mineralisationsprozesses des Knochens das Pb in den Knochen eingebaut wird und ob es lokale Unterschiede in der Pb Akkumulation im Knochengewebe gibt. Ebenso wenig ist bekannt in welcher chemischen Verbindung Pb in der Tidemark von normalem Knorpelgewebe und im Knochen vorliegt. Das Ziel dieses Projektes ist die Bestimmung der Verteilung und Konzentration von Blei (Pb), Zink (Zn), Strontium (Sr) und Kalzium (Ca) mittels SR-mikro-RFA und laborgestützter mikro-RFA in Knorpelgewebe und Knochen von arthrotischen und osteoporotischen Femurköpfen. Alle Elementverteilungen werden mit Backscattered Electron Imaging Bildern der untersuchten Regionen korreliert und die Daten werden mit jenen, die von Proben gesunder Erwachsener stammen, verglichen. Des Weiteren soll die chemische Bindung von Pb im kalzifizierten Knorpel und im Knochen mit Röntgenabsorptionsspektroskopie (XANES) bestimmt werden. Wir erwarten, dass es bei Arthrose und Osteoporose eine deutliche Veränderung der Spurenelementverteilung im kalzifizierten Knorpel und Knochengewebe gibt. Die Untersuchungen werden uns helfen zu verstehen ob Pb im Knochen un Knorpel eine Rolle bei der Entwicklung von Arthrose bzw Osteoporose spielen. Weiters erhoffen wir dadurch einen tieferen Einblick in die Rolle von Spurenelementen in biologischen Mineralisationsprozessen zu bekommen.

Im Zuge des Projektes wurden humane Gewebsproben (Knochen und Knorpel) mit synchrotronstrahlungsinduzierter Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (SR -XRF) hinsichtlich der örtlichen Verteilung der Spurenelemente Zink (Zn), Strontium (Sr) und Blei (Pb) und des Hauptelements Kalzium (Ca) analysiert. Weiters ist die chemische Bindung von Blei im Knochen mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) identifiziert worden. Die Messungen wurden an zwei unterschiedlichen Synchrotronstrahlungseinrichtungen (HASYLAB, Hamburg und ANKA Karlsruhe, Deutschland) ausgeführt. Da die Strahlzeit an diesen Einrichtungen begrenzt, und schwer zu bekommen ist, wurde eine konfokales ?-XRF System mit einer Niederleistungsröntgenröhre (50 W) im Labor getestet, um zu sehen, ob es zum Prescreening für künftige SR ?-XRF Studien benutzt werden kann. Die histologischen Eigenschaften der inspizierten Knochenareale wurden mittels quantitativer Rückstreuektronenmikroskopie (qBEI) bestimmt.Bei der Analyse der entnommenen Gewebeproben mit diesen hochempfindlichen Messmethoden können die Spurenelemente, die für den Organismus essentiell, nicht essentiell oder sogar schädlich sein können, in sehr geringen Mengen (g/g) nachgewiesen werden. Das toxische Element Blei (Pb) wird im menschlichen Körper zu etwa 95% im Skelett gespeichert. Zn ist ein Teil vieler Enzyme und an der Knochenresorption beteiligt und Sr Teil von Wirkstoffen zur Osteoporose Behandlung.Es konnte gezeigt werden, dass die Verteilung und Menge von Zn, Sr und Pb stark mit der Knochenstruktur korreliert ist. Die Zementlinien (Grenze zwischen Knochenpaketen) wiesen eine signifikante Ansammlung von Zn und Pb, im Vergleich zum benachbarten Knochen auf, und in den Knochenpaketen zeigten Sr und Pb einen überproportionalen Anstieg mit dem Ca-Gehalt des Knochens. Durch den veränderten Knochenstoffwechsel bei Osteoporose scheint es allerdings nicht zu Veränderungen auf der Ebene der Spurenelemente (Verteilung und Menge) zu kommen.Im Fall von Osteoarthritis kann es zu einer Verdopplung der Grenzschicht zwischen mineralisiertem und nicht mineralisiertem Gelenksknorpel, der sogenannte Tidemark (TM), kommen. Sowohl in der inneren als auch der äußeren TM konnten deutlich erhöhte Pb und Zn Mengen im Vergleich zum darunterliegenden Knochen gefunden werden. Wobei die Pb Menge in der äußeren TM kleiner war als in der inneren TM. Dies deutet darauf hin, dass Pb im Laufe der Zeit eingelagert wird, und Zn ein essentieller Bestandteil der TMs ist. Das im Knochen und der TM gespeicherte Blei könnte im Fall von degenerativen Knochen- und Gelenkserkrankungen lange nach der ursprünglichen Pb Exposition wieder freigesetzt werden, und empfindliche Organe, wie z. B. das Nervensystem, schädigen.Darüber hinaus wurde in Proben von Patienten ohne bekannte Knochenkrankheiten mittels XAS der chemische Bindungszustand von Pb untersucht. Es stellte sich heraus, dass Pb sowohl in der TM als auch im Knochen an kohlenstoffhaltiger Kalziumhydroxyapatit gebunden ist.Das konfokale ?-XRF System im Labor wurde mit Proben, die auch am Synchrotron gemessen wurden getestet. Trotz der weniger optimalen Messbedingungen im Labor zeigte sich, dass es als leicht zugängliches Prescreening-Werkzeug für künftige SR -XRF Messungen geeignet ist.