Рентгеновская нанотомография ультраструктуры кости
Костная ткань представляет собой иерархически сложно организованную натуральную материю, жесткую и прочную, но одновременно и легкую. Она является динамичной тканью, способной обнаружить и устранить повреждения на всех уровнях, адаптируясь к внешним механическим воздействиям. Механизмы включения и управления этими процессами не совсем ясны. Как правило, состояния, сопровождающиеся хрупкостью костей, связаны с изменением процессов костного ремоделирования и нарушения баланса между резорбцией и формированием тканей. Знание механизмов управления костным ремоделированием является фундаментальным для понимания недостаточности костной ткани и для оптимизации терапии.
Общепринятым считается, что недостаточность костной ткани развивается из-за нарушений на микроскопическом и ультраструктурном уровнях, в связи с чем есть необходимость в получении пригодных для количественной оценки 3D наноизображений кости.
Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия позволяет визуализировать объемную ультраструктуру кости, но глубина проникновения очень ограничена. Выполненные с помощью сфокусированного ионного пучка серийные срезы, при последующей визуализации на сканирующем электронном микроскопе, позволяют достичь отличного пространственного разрешения, но необходима сложная окраска и подготовка препаратов, а само сканирование занимает достаточно много времени.
Для получения 3D изображения костной ультраструктуры были предложены различные схемы визуализации с использованием рентгеновского излучения. Трансмиссионная рентгеновская микроскопия (ТРМ) способна визуализировать отдельные лакуны канальцев губчатой кости мыши. ТРМ дает изображения высокого разрешения (40 нм), но ограниченное поле зрения 5,5 ? 5,5 ? 5,5 мкм3 не позволяет анализировать более одной клетки, тем самым ограничивая выполнение количественных исследований. Получаемые рентгеновские изображения лакуно-каналикулярных сетей обещают интересные результаты, но длительное 40-часовое сканирование поля зрения в 40 мкм, крайне ограничивает применение метода.
Рентгеновская микротомография весьма ценный метод визуализации и позволяет выполнять недеструктивный 3D анализ внутренней структуры материалов, что в настоящее время широко используется при получении биомедицинских изображений. При сравнительно небольшом времени исследования, высокая яркость синхротронного рентгеновского источника делает доступным субмикрометрическое разрешение, а выбор монохроматического пучка позволяет выполнить количественную оценку степени минерализации. Синхротронная томография оказалась точным инструментом исследования 3D архитектуры кости и локальной минерализации, но до сих пор не была продемонстрирована эффективность этого метода в визуализации лакуно-каналикулярных сетей.
Материалы и методы. В настоящей статье представляется первая, недеструктивная ультраструктурная 3D визуализация кости с использованием рентгеновской томографии. Образцы 0,4 ? 0,4 ? 5мм3 были извлечены из середины диафиза бедренной кости человека. Для выполнения томографического исследования образец устанавливался на вращающуюся платформу. Рентгеновский пучок монохроматировался и фокусировался с помощью рентгеновской зеркальной оптики в пятно размером 50 ? 50 нм2.
Серия томографических сканирований была записана в четырех позициях. Изображения не пригодны для непосредственного использования в качестве стандартной томографической реконструкции. Полученные карты фаз были введены в алгоритм томографической реконструкции на основе фильтра обратного проецирования. Итоговая томограмма является реконструкцией 3D распределения показателей преломления, пропорциональных локальной плотности объекта.
Результаты и выводы. На рисунке представлены томографические срезы после реконструкции в поперечной (а), фронтальной (б) и сагиттальной (с) плоскостях. На них видны ультраструктурные объемные особенности кости отличного качества. Визуализированы не только остеоцитарные лакуны и канальцы, но и такие элементы, как цементные линии и минерализация окружающей матрицы.
В зависимости от ориентации по отношению к виртуальной плоскости среза, остеоцитарные канальцы видны как черные пятна и полосы. Цементная линия, отделяющая остеоны друг от друга и от интерстициальной ткани, образуя границу между конечной точкой костной резорбции и отправной точкой формирования новой кости, четко прослеживается как яркая полоса. По этим изображением можно оценить локальную плотность ткани и сделать вывод о её минерализации. Например, по данной серии снимков был сделан вывод о гиперминерализации цементной линии, в сравнении с окружающей интерстициальной тканью.
Рентгеновская нанотомография , хотя и не дает максимально возможного разрешения, но является наиболее удобным для практической оценки состояния костной ткани на ультраструктурном уровне.
