Experimentos con neutrones revelan qué mantiene una buena función en los huesos

Hace unos 500 millones de años, los primeros vertebrados de los mares se convirtieron en peces, adoptando un esqueleto interno y una columna vertebral flexible basada en un nanocompuesto de fibras y minerales, conocido como material óseo. Esta «invención» de la evolución tuvo tanto éxito que la estructura básica también fue adoptada por vertebrados posteriores que vivieron en la tierra.

Sin embargo, mientras que los huesos de todos los vertebrados terrestres están básicamente equipados con células óseas (osteocitos), ciertas especies de peces continuaron evolucionando y finalmente lograron crear un material más eficiente energéticamente: huesos sin células óseas, que se encuentran hoy en día, por ejemplo, en peces como el salmón. , medaka o tilapia.

Muestras con y sin células óseas

«Nos preguntamos cómo las muestras de hueso con y sin células óseas difieren realmente en sus microestructuras y propiedades», dice el profesor Paul Zaslansky, quien dirige un grupo de investigación en Charité Berlin y se especializa en biomateriales mineralizados, incluidos dientes y huesos.

Junto con Ph.D. la estudiante Andreia Silvera y sus socios internacionales compararon muestras de huesos de pez cebra y medaka. Ambas especies de peces tienen un tamaño similar y viven en condiciones similares, por lo que sus esqueletos deben soportar tensiones similares. Sin embargo, mientras que el pez cebra tiene células óseas, el esqueleto de medaka no las tiene.

«El trasfondo de la pregunta es que la función de las células óseas en los huesos y cómo cambian con la edad es de gran interés para la población que envejece», explica Silvera. Las células óseas pueden responder al estrés físico enviando señales bioquímicas que conducen a la formación o reabsorción de tejido óseo, adaptándose a la carga. Pero con la edad o en enfermedades como la osteoporosis, este mecanismo parece no funcionar.

«Con nuestra investigación básica, queremos descubrir cómo difieren los huesos con y sin células óseas y hacer frente a los desafíos del estrés externo», dice Zaslansky.

Fuerza y ​​elasticidad

Los huesos tienen una estructura compleja: se componen de nanofibras de colágeno y nanopartículas de minerales, pero también de otros ingredientes menores. Ciertos compuestos proteicos, llamados proteoglicanos (PG), están incrustados en un tejido de fibras de colágeno y nanocristales y juegan un papel importante en la formación y el mantenimiento del tejido.

«Los PG se pueden comparar con la sal en la sopa. Muy poco o demasiado no es bueno», dice Zaslansky. Los PG pueden retener agua y hay muchos PG en el cartílago sano, lo que lo hace tan elástico como una esponja. Juntos, estos componentes forman una matriz extracelular (ECM), una estructura 3D que proporciona fuerza y ​​elasticidad, asegurando el funcionamiento durante muchos años.

En los huesos, se crea en esta estructura 3D una red abierta (Lacunar Channel Network o LCN) de canales y poros con diámetros que van desde unos pocos cientos de nanómetros hasta micrómetros. Este LCN alberga los osteocitos óseos, células que detectan la carga y organizan la remodelación ósea. En el LCN y dentro del nanocompuesto, el hueso contiene hasta un 20 % de su volumen en agua, con muchas funciones que incluyen el endurecimiento y la adaptación al estrés mecánico.

Tomografía de neutrones en BER II

Para determinar la cantidad de agua incorporada, los investigadores primero sumergieron muestras de hueso en agua y las transiluminaron con neutrones, proporcionados por el reactor experimental de Berlín BER II en HZB, seguido de saturación en agua pesada deuterada (D₂O). Los datos 3D se recopilaron nuevamente y la diferencia entre los dos estados óseos permitió al equipo determinar para cada vértebra de la columna la cantidad precisa de agua desplazada por la difusión de la D₂o

“Además, examinamos secciones de las muestras de hueso, las analizamos por microscopía electrónica y micro CT y también determinamos la concentración de PG con espectroscopia Raman”, explica Silvera.

Resultados sorprendentes: los PG marcan la diferencia

Hasta ahora, se suponía que ambos tipos de huesos contenían cantidades similares de agua y tenían una composición y propiedades muy similares. De hecho, sin embargo, el examen de neutrones mostró que el material óseo del pez cebra libera la mitad de agua que el medaka. Esto es aún más sorprendente porque estos huesos tienen una microestructura muy similar de fibras de colágeno mineralizadas, pero el pez cebra también contiene grandes espacios celulares dentro del LCN.

«Mi primera reacción fue: ‘¡Esto debe estar mal!’ Así que revisamos todo a fondo y nos dimos cuenta de que era realmente revolucionario», recuerda Zaslansky. La única explicación de la diferencia es que las matrices óseas de las dos especies difieren en un componente de composición fundamental que afecta la permeabilidad al agua. Y aquí, tanto los estudios histológicos como la espectroscopia Raman muestran: es la pequeña pero importante contribución de las PG. Las muestras de medaka contienen mucho menos PG que las muestras de pez cebra.

«Este es un nuevo hallazgo: aunque ambos peces enfrentan tensiones similares, sus huesos no tienen las mismas propiedades de permeabilidad al agua», dice Silveira.

El estudio se publica en la revista Materiales y Diseño.

«Esperamos que estos resultados también nos ayuden a comprender mejor las enfermedades óseas», dice Zaslansky. ¿Por qué algunos huesos responden mejor al estrés que otros? ¿Qué sucede cuando los huesos envejecen? ¿Será que pierden PG y se vuelven menos impermeables? ¿Quizás el envejecimiento o una patología como la osteoporosis modifica el hueso que rodea las células óseas, lo que dificulta la remodelación y formación de tejido óseo que funcione correctamente?