Energiereiche Röntgenstrahlen hinterlassen Spuren im Knochenkollagen

Die Bilder zeigen die Kollagenverteilung in Hechtknochen (b) vor (links) und nach (rechts) einem μCT-Experiment, (c) sowie vor (links) und nach (rechts) einem Röntgenbeugungs-μCT-Experiment an der mySpot-Beamline, BESSY. Außerdem (d) vor (links) und nach (rechts) einem 2D-Mapping-XRD mySpot-Experiment. Die geschädigten Bereiche erscheinen dunkel (mit gelben Pfeilen gekennzeichnet). Die Pfeile in Pink zeigen den Verlauf der Röntgenstrahlung.

Die Bilder zeigen die Kollagenverteilung in Hechtknochen (b) vor (links) und nach (rechts) einem μCT-Experiment, (c) sowie vor (links) und nach (rechts) einem Röntgenbeugungs-μCT-Experiment an der mySpot-Beamline, BESSY. Außerdem (d) vor (links) und nach (rechts) einem 2D-Mapping-XRD mySpot-Experiment. Die geschädigten Bereiche erscheinen dunkel (mit gelben Pfeilen gekennzeichnet). Die Pfeile in Pink zeigen den Verlauf der Röntgenstrahlung. © Charité Berlin/HZB

Ein Team der Charité Berlin hat an BESSY II die Schädigung durch fokussierte hochenergetische Röntgenstrahlung in Knochenproben von Fischen und Säugetieren analysiert. Mit einer Kombination von Mikroskopietechniken konnten sie die Zerstörung von Kollagenfasern dokumentieren. Röntgenmethoden könnten Knochenproben beeinträchtigen, wenn sie über einen längeren Zeitraum gemessen werden, schlussfolgern sie.

 

Es ist seit langem bekannt, dass Röntgenstrahlen ab einer bestimmten Dosis lebendes Gewebe schädigen; daher gibt es klare medizinische Indikationen, um die Strahlenbelastung auf ein Minimum zu beschränken. In der Grundlagenforschung an mineralisierten Gewebeproben wie Knochen setzen die Forschenden jedoch bislang auf immer stärkere Röntgenquellen.

Mehr ist nicht unbedingt besser

"Bisher galt eigentlich die Devise: Mehr Fluss und höhere Energie ist besser, weil man mit intensiverer Röntgenstrahlung eine größere Tiefenschärfe und höhere Auflösung erreichen kann", sagt Dr. Paul Zaslansky von der Charité-Universitätsmedizin. Zaslansky und sein Team haben nun an der MySpot-Beamline von BESSY II Knochenproben von Fischen und Säugetieren analysiert.

Knochenproben von Tieren

BESSY II erzeugt ein breites Spektrum an Röntgenstrahlung, das Einblicke in feinste Strukturen und sogar chemische und physikalische Prozesse in Materialien ermöglicht. "Dank der empfindlichen Detektoren konnten wir an verschiedenen Knochenproben nachweisen, dass Kollagenfasern durch die Strahlungsabsorption in den mineralischen Nanokristallen geschädigt werden", fasst Zaslansky die Ergebnisse der Studie zusammen.

Proteinfasern abgebildet

"Wir haben die Proben unter der Second-Harmonic Generation Laser-Scanning-Mikroskopie untersucht, um die Proteinfasern abzubilden", erklärt Erstautorin Katrein Sauer, die in Zaslanskys Team promoviert. Gemeinsam mit dem HZB-Experten Dr. Ivo Zizak bestrahlte sie Knochenproben von Hechten, Schweinen, Rindern und Mäusen mit genau kalibriertem Röntgenlicht. Die Strahlen hinterließen eine Zerstörungsspur, die in den konfokalen und elektronenmikroskopischen Bildern deutlich sichtbar ist. "Die hochenergetischen Photonen des Röntgenlichts lösen eine Kaskade von Elektronenanregungen aus. Die Ionisierung von Kalzium und Phosphor im Mineral schädigt dann Proteine wie Kollagen im Knochen", sagt Sauer. Der Abbau des Kollagens nimmt mit der Dauer der Bestrahlung zu, zeigt sich aber auch schon bei kurzer Bestrahlung mit hohem Flux.

Zerstörungsfreie Methode?

"Röntgenmethoden gelten in der Materialforschung als zerstörungsfrei, aber zumindest für die Erforschung von Knochengewebe trifft das nicht zu", sagt Zaslansky. "Wir müssen in der medizinischen Grundlagenforschung mehr darauf achten, dass wir nicht gerade die Strukturen beschädigen, die wir eigentlich analysieren wollen." Wie überall in der Medizin, auch wenn es kein lebendes Gewebe und keine DNA zu beschädigen gibt, kommt es also darauf an, eine minimale Dosis zu verwenden, um die Erkenntnisse zu erhalten, die den materiellen Zustand widerspiegeln, ohne Schäden zu verursachen. 

 

Anmerkung:

Die bei BESSY II erzeugte Röntgenstrahlung ist etwa zehntausendmal intensiver als die für medizinische Untersuchungen verwendete Röntgenstrahlung (für die Röntgenaufnahme eines gebrochenen Beins gibt das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz eine Dosis von 0,01 Millisievert an). Röntgenmethoden sind für medizinische Untersuchungen äußerst nützlich.

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • HZB-Physiker folgt Ruf nach Südkorea
    Nachricht
    25.01.2023
    HZB-Physiker folgt Ruf nach Südkorea
    Seit 2016 hat der Beschleunigerphysiker Ji-Gwang Hwang am HZB in der Abteilung Speicherring- und Strahlphysik geforscht. In mehreren Projekten hat er wichtige Beiträge zur Strahldiagnostik geleistet. Nun kehrt er in seine Heimat Südkorea zurück, als Professor für Physik an der Gangneung-Wonju National University.
  • Neue Mikroskopiemethode liefert Echtzeitvideos aus dem Mikrokosmos
    Science Highlight
    18.01.2023
    Neue Mikroskopiemethode liefert Echtzeitvideos aus dem Mikrokosmos
    Ein Wissenschaftsteam unter Leitung von Forschenden des Max-Born-Instituts in Berlin, des Helmholtz-Zentrums Berlin, des Brookhaven National Laboratory (USA) und des Massachusetts Institute of Technology (USA) hat eine neue Methode entwickelt, um mit starken Röntgenquellen Videos von Fluktuationen in Materialien auf der Nanoskala aufzunehmen. Die Methode ist in der Lage, scharfe, hochauflösende Bilder zu machen, ohne das Material durch zu starke Belichtung zu beeinträchtigen. Dafür entwickelten die Wissenschaftler*innen einen Algorithmus, der in unterbelichteten Aufnahmen Muster erkennen kann. Im Fachjournal Nature beschreiben sie die Methode des Coherent Correlation Imaging (CCI) und stellen Ergebnisse für Proben aus dünnen magnetischen Schichten vor.
  • Lesetipp: Bunsen-Magazin mit Schwerpunkt Wasserforschung
    Nachricht
    13.01.2023
    Lesetipp: Bunsen-Magazin mit Schwerpunkt Wasserforschung
    Wasser besitzt nicht nur einige bekannte Anomalien, sondern steckt noch immer voller Überraschungen. Die erste Ausgabe 2023 des Bunsen-Magazins widmet sich der molekularen Wasserforschung, vom Ozean bis zu Prozessen bei der Elektrolyse. Das Heft präsentiert Beiträge von Forschenden, die im Rahmen einer europäischen Forschungsinitiative im „Centre for Molecular Water Science“ (CMWS) kooperieren. Ein Team am HZB stellt darin Ergebnisse aus der Synchrotronspektroskopie von Wasser vor. Denn an modernen Röntgenquellen lassen sich molekulare und elektronische Prozesse in Wasser im Detail untersuchen.