Einfluss der Ultrastruktur auf die Fraktureigenschaften humanen Knochengewebes in physiologischen und pathologischen Zuständen

• Antragsteller: Professor Dr. Björn Busse
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227070813

Krankheits- und altersbedingte Veränderungen des muskuloskelettalen Systems können zu einem erhöhten Frakturrisiko führen. Besonders ältere Menschen leiden unter Frakturen, die in der Folge die Lebensqualität negativ beeinflussen und die Mortalität erhöhen. In klinischen Untersuchungen werden Knochensubstanzverluste seit langem als Prädiktor für das Risiko von Frakturen angesehen. Allerdings sind erhöhte Frakturrisiken im Alter oder im Falle von Skeletterkrankungen nicht allein auf Verluste der Knochensubstanz zurückzuführen. Ganz wesentlich beeinflussen auch Veränderungen der ossären Morphologie und Komposition die Frakturresistenz. Aus diesem Grund wird die Summe aller Eigenschaften, die dem Knochengewebe Festigkeit und Schutz vor Frakturen verleihen, als Knochenqualität definiert. Der Knochenaufbau basiert auf hierarchisch aufgebauten Ebenen, die von der Nanometerebene, wie z.B. Kollagenfasern und Mineralpartikel (<500 nm) über die Mikrostrukturebene von Lamellen und Osteozytenlakunen (3-20 μm) bis hin zu Osteonen, Havers’schen Gefäßen und einzelnen Trabekeln (100-300 μm) reichen, wobei letztere Entitäten das makroskopische Bild der Knochenstruktur (>3 mm) prägen. Die geplanten Analysen alters- und krankheitsbedingter Veränderungen in den einzelnen hierarchisch aufgebauten Ebenen sollen zu einem besseren Verständnis der Mechanismen und Bedingungen führen, die ein erhöhtes Frakturrisiko verursachen.Hierfür soll ein integrierter Ansatz der Knochenqualitätsanalytik angewandt werden, der Mikrocomputertomographie, Synchrotron-Kleinwinkel- und Weitwinkel-Röntgen-Streuung, Rückstreuelektronendetektion, Raman- und Fourier-Infrarot-Spektroskopie, Hochleistungs- Flüssigchromatographie und enzymgekoppelte Immunadsorptionstests kombiniert, um die ossären Hierarchieebenen von skelettgesunden und erkrankten Knochenstrukturen zu untersuchen. Es soll analysiert werden, ob die Ultrastruktur bei Knochenerkrankungen Veränderungen der Kollagen- und Mineralcharakteristiken aufweist, und ob strukturelle Modifikationen, wie z.B. inter- und intrafibrilläre Kollagenvernetzung, die Materialeigenschaften (Knochenzähigkeit, Frakturmechanismen) beeinflussen. Unsere Hypothese ist, dass der wesentliche Mechanismus für die ossäre Frakturresistenz auf einer Kombination der Plastizität - dem Verschieben mineralisierter Kollagenfibrillen - auf der Nanometerebene, dem Verlauf und der Ausbreitung von Frakturspalten auf der Mikrometerebene und Mikrorissen auf beiden Ebenen basiert. Unser Ziel ist es, neue Erkenntnisse zu verschiedenen Ultrastrukturmerkmalen und deren Einfluss auf das mechanische Verhalten von Knochengewebe zu gewinnen. Da diese materialwissenschaftlich inspirierten Analysen die Frakturdaten aus medizinischen Studien ergänzen können, sollen unsere Untersuchungen einen Wissensbeitrag zur translationalen-klinischen Osteologie leisten und Perspektiven aufzeigen, die bei der Suche nach neuen Behandlungsmöglichkeiten von Skeletterkrankungen helfen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: FTIR spectrometer
• Gerätegruppe: 1830 Fourier-Transform-IR-Spektrometer