De uitbarsting van cellen die kraakbeen vormen, wordt geassocieerd met mineralisatie tijdens de vroege stadia van botvorming, en nanofragmenten van de celmembranen kunnen fungeren als kiemplaatsen voor amorf calciumfosfaat, zoals gerapporteerd in twee onderzoeken die zojuist zijn gepubliceerd in Integratieve biologie en ASC Biomaterialen Wetenschap en Techniek .

Kraakbeen heeft een zeer belangrijke scaffold-achtige functie voor de ontwikkeling van botten; tijdens endochondrale ossificatie, de chondrocyten, de cellen die kraakbeen vormen, scheiden matrixeiwitten en mineralisatiefactoren af ​​die de omgeving voor mineralisatie optimaliseren. De mechanismen van botvorming zijn niet volledig opgehelderd, en het manipuleren van mineralisatie is nog een uitdaging. Controle krijgen over dit proces is relevant omdat het zou resulteren in verbeterde bio-engineeringtechnieken voor de synthese en reconstructie van kraakbeenweefsel, en voor de controle van botvorming.

Om meer inzicht te krijgen in de eerste stappen van mineraalvorming, Professor Takuya Matsumoto en assistent-professor Emilio Satoshi Hara van de Okayama University Graduate School of Medicine, Tandheelkunde en Farmaceutische Wetenschappen bestudeerden botvorming in de epifyse van het dijbeen (d.w.z. het afgeronde uiteinde van het bot) bij muizen tijdens secundaire ossificatie in de eerste postnatale dagen.

In een eerste studie, de onderzoekers zagen dat chondrocyten barsten in de buurt van het gemineraliseerde gebied, waarvan ze suggereren dat het een ruimtescheppend mechanisme kan zijn voor minerale expansie. De ruimte die ontstaat nadat de cel barst, komt inderdaad goed overeen met die later ingenomen door de mineralen aan het einde van het proces, zoals aangetoond door time-lapse-beelden van het initiële botvormingsproces. Om het verband aan te tonen tussen de burst en de vorming en expansie van mineralen, Professor Matsumoto en collega's gebruikten externe stimuli om de burst te induceren en de vorming van botweefsel te manipuleren. Vooral, twee externe factoren waren gekoppeld aan het triggeren van de uitbarsting:mechanische en osmotische druk. Inderdaad, ex-vivo cultuur van de femur epifyse in hypotone toestand of onder mechanische druk verbeterde mineraalvorming, en in-vivo onderzoek naar de rol van mechanische druk toonde aan dat verminderde druk op de gewrichten resulteert in onderdrukte botvorming in de femur epifyse.

In het onderzoek dat in het tweede artikel wordt gepresenteerd, de wetenschappers gebruikten verschillende technieken om de dynamische veranderingen in organisch en anorganisch materiaal in het kraakbeen op een tijd- en stadiumspecifieke manier te observeren, wat bevestigt dat de vroege stappen van mineralisatie gebaseerd zijn op de activiteit van chondrocyten. Een zorgvuldige analyse van nanofragmenten die werden waargenomen in de buurt van het gemineraliseerde gebied, onthulde dat het nanofragmenten waren van het chondrocytmembraan, en zouden de kiemplaatsen kunnen zijn voor amorf calciumfosfaat, die vervolgens omgezet in apatietkristallen. De fosfolipiden in de fragmenten zouden het fosfaat kunnen leveren dat nodig is voor dit proces. De onderzoekers synthetiseerden ook kunstmatige celnanofragmenten, en toonden aan dat ze de vorming van mineralen in vitro bevorderen.

Het beheersen van de burst van chondrocyten door middel van externe stimuli zou kunnen resulteren in nieuwe benaderingen van kraakbeen- en botweefselmanipulatie. Bovendien, omdat nanofragmenten van celmembranen nucleatieplaatsen bieden voor mineraalvorming, deze kunnen worden gebruikt om biomineralisatie te manipuleren, zoals de auteurs opmerken:"manipulatie van chondrocytenburst met externe mechano-chemische stimuli zou een extra benadering kunnen zijn voor kraakbeen- en botweefselengineering, " en "in de toekomst, op celmembraanfragmenten gebaseerde materialen kunnen ook worden ontwikkeld en toegepast in botweefselengineering en -regeneratie".

Er zijn twee soorten ossificatiecentra, primaire en secondaire. Het primaire ossificatiecentrum verschijnt tijdens de prenatale ontwikkeling, terwijl het secundaire ossificatiecentrum verschijnt tijdens de postnatale en adolescente jaren. In lange botten, het primaire ossificatiecentrum vindt plaats in het centrale deel van het bot, het secundaire ossificatiecentrum in de uiteinden.

Twee processen resulteren in de vorming van botweefsel:bij intramembraneuze ossificatie, bot wordt direct in het primitieve bindweefsel gelegd. Bij endochondrale ossificatie, degene die is bestudeerd in het hier besproken onderzoek, kraakbeen fungeert als een voorloper, en wordt geleidelijk afgebroken en vervangen door bot.

Omdat dit onderzoek twee manieren onthult om de uitbarsting van chondrocyten te induceren (die op hun beurt de botvorming regelen door ruimte te maken voor gemineraliseerd weefsel), door gebruik te maken van mechanische en osmotische druk, het opent de weg naar nieuwe methoden om botweefsel te manipuleren. De onthulling van de rol van membraanfragmenten als nucleatiecentra voor botvorming biedt een nieuwe weg voor de ontwikkeling van biomaterialen voor botweefselmanipulatie en -regeneratie. Beide resultaten openen nieuwe mogelijkheden voor bio-engineering van botweefsel.