Хрящ — удивительная субстанция. Он покрывает концы наших костей, позволяя им скользить друг относительно друга в суставах, таких как локти и колени. Поверхность, которую он создает, примерно в пять раз более скользкая, чем лед на льду.
Точно не известно, как хрящ выполняет эту амортизирующую функцию почти без трения. Общепризнано, что это зависит от взаимодействия между жидкостью в суставе и молекулами, из которых состоит ткань, известной как внеклеточный матрикс (ECM). Изучение этой тонкой динамики на микроскопическом уровне уже давно является целью ученых.
В новом исследовании исследователи, использующие ультраяркие рентгеновские лучи в Advanced Photon Source (APS), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, провели прямые измерения движения хряща в в наномасштабе впервые. Новое применение метода, называемого рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопией (XPCS), позволяет получить представление о механике хряща, потенциально создавая основу для разработки новых методов лечения всего, от распространенных заболеваний, связанных с остеопорозом, до спортивных травм.
«Используя APS, мы можем наблюдать за динамикой внеклеточного матрикса в таких масштабах, каких люди в этой области никогда раньше не делали, и это очень интересно», — сказал главный научный сотрудник Кайл Д. Аллен, доцент биомедицинской инженерии в Университет Флориды. «Чем больше мы понимаем эти взаимодействия хрящей, тем больше возможностей, например, для разработки новых синтетических материалов или имплантатов из биологических тканей, которые могут заменить функцию для тех, у кого остеоартрит».
Аллен и его университетские коллеги объединили усилия с учеными из Аргоннского отдела рентгеновских исследований (XSD). Образцы хряща в форме полумесяца были взяты из закругленных концов бедренных костей коров. На линии луча APS 8-ID-I хрящ подвергали воздействию различных условий, вставляли в держатель образца и исследовали с помощью ультраярких рентгеновских лучей.
Группа опубликовала исследование в журнале Osteoarthritis and Cartilage . Полученные данные свидетельствуют о том, что более мелкие компоненты ВКМ более подвижны, чем более крупные, дегидратация замедляет подвижность, а динамика ВКМ тем быстрее, чем ближе они находятся к поверхности хряща. В отчете также показано, что этот рентгеновский метод можно использовать для эффективного измерения динамики ЭЦМ одновременно в больших масштабах — менее одного микрона, или в 70 раз меньше ширины человеческого волоса, — и в меньших масштабах, вплоть до нанометров, или количество ваших ногтей растут каждую секунду. Это исследование демонстрирует использование этой техники и открывает двери для изучения того, как на такие ткани влияют различные параметры или условия.
«Знания, которые мы можем получить из биологических материалов с помощью рентгеновских лучей в APS, уникальны по сравнению с любыми другими зондами», — сказал Цинтэн Чжан, помощник физика в XSD. «С помощью метода XPCS можно увидеть внутреннюю структуру хряща или динамику в нанометровом масштабе в его естественной среде, не повреждая и не разрезая структуру. лучи способны».
В совокупности эти результаты улучшают понимание динамики хряща и демонстрируют ценный новый исследовательский инструмент.
«Это исследование действительно направлено на достижение фундаментального понимания», — сказал Аллен. «Хотя у нас есть общее представление о том, как функционирует хрящ, остается еще много загадок. Проделанная нами работа позволяет нам, наконец, исследовать некоторые из тех вопросов, которые остались без ответа».