Neutronenexperimenten bij het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE) hebben nieuwe inzichten opgeleverd in de mechanismen die ten grondslag liggen aan de gezondheid en het herstel van botten. Uit het onderzoek blijkt dat een type collageen, een eiwit dat de botten kracht en flexibiliteit geeft, een mineralisatieproces doorloopt dat essentieel is voor het behoud van de botstructuur en -functie. De bevindingen onderstrepen het belang van dit proces bij het voorkomen van botfragiliteit en ziekten zoals osteoporose.

Collageen is een sleutelcomponent van de extracellulaire matrix (ECM), een complex netwerk van moleculen dat structurele ondersteuning biedt aan cellen. In botten wordt de ECM gemineraliseerd met calcium en fosfaat om hydroxyapatiet te vormen, het belangrijkste minerale bestanddeel van botten dat hen hun hardheid en weerstand tegen breuken geeft.

Het onderzoeksteam, geleid door Karthik Raman van ORNL, gebruikte een combinatie van neutronenverstrooiing en computationele modellering om de structuur en dynamiek van collageen en de interacties ervan met hydroxyapatiet te bestuderen. Neutronenverstrooiing is een krachtige techniek om de structuur en het gedrag van materialen op moleculair niveau te bestuderen. Neutronen zijn subatomaire deeltjes zonder elektrische lading, waardoor ze diep in materialen kunnen doordringen zonder schade aan te richten.

Uit de experimenten bleek dat het mineralisatieproces de vorming omvat van een mineraal-collageencomposiet met een hiërarchische structuur. Het composiet bestaat uit collageenfibrillen die zijn verknoopt door minerale kristallen. Deze structuur geeft botten hun mechanische sterkte en flexibiliteit.

Raman legt uit:"Dankzij de neutronen konden we zien hoe de collageenmoleculen zijn gerangschikt en hoe ze omgaan met de minerale kristallen. Deze informatie is cruciaal om te begrijpen hoe botten mechanische krachten kunnen weerstaan ​​en zichzelf kunnen herstellen als ze beschadigd raken."

De onderzoekers ontdekten dat het mineralisatieproces sterk gereguleerd is en dat verstoringen van dit proces kunnen leiden tot botaandoeningen. Bij osteoporose, een aandoening die wordt gekenmerkt door verminderde botdichtheid en verhoogde botfragiliteit, wordt het mineralisatieproces bijvoorbeeld verstoord.

"Onze bevindingen suggereren dat het richten op het mineralisatieproces een potentiële therapeutische strategie zou kunnen zijn voor de preventie en behandeling van botziekten," zei Raman. "Door te begrijpen hoe het mineralisatieproces werkt, kunnen we nieuwe behandelingen ontwikkelen die kunnen helpen gezonde botten te behouden en fracturen te voorkomen."

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.