हड्डियों को स्व-विनियमन और स्वास्थ्य बनाए रखने में क्या सक्षम बनाता है? चाराइट बर्लिन के शोधकर्ताओं ने गैर-कोलेजन प्रोटीन अणुओं की आवश्यक भूमिका और बाहरी भार के लिए हड्डी कोशिकाओं की प्रतिक्रिया का समर्थन करने के तरीके के बारे में जानकारी उजागर की है। माइक्रोस्ट्रक्चर और पानी के समावेश में विसंगतियों को स्पष्ट करने के लिए, शोधकर्ताओं ने हड्डी के नमूनों के साथ और बिना हड्डी के नमूनों की जांच करने के लिए मछली के मॉडल को नियोजित किया।
वे बर्लिन अनुसंधान रिएक्टर बीईआर II में 3डी न्यूट्रॉन टोमोग्राफी का उपयोग करके पहली बार हड्डी सामग्री में पानी के प्रसार को सटीक रूप से मापने में सक्षम थे, एक चौंकाने वाले परिणाम के साथ।
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लगभग 500 मिलियन वर्ष पहले, समुद्र में शुरुआती कशेरुक मछली बन गए, एक आंतरिक कंकाल और एक लचीली रीढ़ को अपनाते हुए फाइबर और खनिज के एक नैनोकम्पोज़िट पर आधारित, जिसे हड्डी सामग्री के रूप में जाना जाता है। विकास का यह “आविष्कार” इतना सफल रहा कि मूल संरचना को बाद के कशेरुकियों के लिए भी अपनाया गया जो भूमि पर रहते थे। हालाँकि, जबकि सभी स्थलीय कशेरुकियों की हड्डियाँ मूल रूप से अस्थि कोशिकाओं (ऑस्टियोसाइट्स) से सुसज्जित होती हैं, कुछ मछलियों की प्रजातियाँ विकसित होती रहीं और अंत में एक अधिक ऊर्जा कुशल सामग्री बनाने में कामयाब रहीं: हड्डी में हड्डी की कोशिकाओं की कमी, उदाहरण के लिए मछली जैसे सैल्मन में आज पाई जाती है। , मेडका या तिलापिया।
हड्डी कोशिकाओं के साथ और बिना नमूने
“हमने खुद से पूछा कि हड्डी की कोशिकाओं के साथ और बिना हड्डी के नमूने वास्तव में उनके माइक्रोस्ट्रक्चर और गुणों में कैसे भिन्न होते हैं,” सैफ प्रोफेसर पॉल ज़स्लान्स्की, जो चाराइट बर्लिन में एक शोध समूह के प्रमुख हैं और दांतों और हड्डियों सहित खनिजयुक्त बायोमैटिरियल्स में माहिर हैं। पीएचडी छात्र आंद्रेया सिल्वरा और अंतरराष्ट्रीय भागीदारों के साथ, उन्होंने अब जेब्राफिश और मेडका से हड्डी के नमूने की तुलना की है। दोनों मछली प्रजातियां समान आकार की हैं और समान परिस्थितियों में रहती हैं, इसलिए उनके कंकालों को समान तनाव का सामना करना पड़ता है। हालाँकि, जबकि ज़ेब्राफिश में हड्डी की कोशिकाएँ होती हैं, मेडका के कंकाल में नहीं होता है।
“सवाल की पृष्ठभूमि यह है कि हड्डी में हड्डी की कोशिकाओं का कार्य और उम्र के साथ वे कैसे बदलते हैं, उम्र बढ़ने की आबादी के लिए बहुत रुचि है,” सिल्वर बताते हैं। हड्डी की कोशिकाएं जैव रासायनिक संकेतों को भेजकर शारीरिक तनाव का जवाब दे सकती हैं जो हड्डी के ऊतकों के गठन या पुनर्वसन की ओर ले जाती हैं, लोड करने के लिए अनुकूल होती हैं। लेकिन उम्र के साथ या ऑस्टियोपोरोसिस जैसी बीमारियों में यह तंत्र अब काम नहीं करता है। “हमारे बुनियादी शोध के साथ, हम यह पता लगाना चाहते हैं कि हड्डी की कोशिकाओं के साथ और बिना हड्डी कैसे भिन्न होती है और बाहरी तनाव की चुनौतियों का सामना करती है,” ज़स्लान्स्की ने कहा।
शक्ति और लोच
हड्डियों की एक जटिल संरचना होती है: उनमें कोलेजन के नैनोफाइबर और खनिज के नैनोकण होते हैं, लेकिन अन्य छोटे तत्व भी होते हैं। कुछ प्रोटीन यौगिक, जिन्हें प्रोटियोग्लाइकेन्स (पीजी) कहा जाता है, कोलेजन फाइबर और नैनोक्रिस्टल के ऊतक में एम्बेडेड होते हैं और ऊतक निर्माण और रखरखाव में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। ज़स्लान्स्की कहते हैं, “पीजी की तुलना सूप में नमक से की जा सकती है। बहुत कम या बहुत अधिक अच्छा नहीं है।” पीजी पानी को बरकरार रख सकते हैं, और स्वस्थ उपास्थि में बहुत सारे पीजी हैं, जो इसे स्पंज की तरह लोचदार बनाते हैं। साथ में, ये घटक एक बाह्य मैट्रिक्स (ईसीएम) बनाते हैं, एक 3डी संरचना जो कई वर्षों तक कार्य सुनिश्चित करते हुए शक्ति और लोच प्रदान करती है। हड्डियों में, इस 3डी संरचना में कुछ सौ नैनोमीटर से लेकर माइक्रोमीटर तक के व्यास वाले चैनलों और छिद्रों का एक खुला नेटवर्क (लैकुनर चैनल नेटवर्क या एलसीएन) बनाया गया है। यह एलसीएन बोन ओस्टियोसाइट्स, कोशिकाओं को होस्ट करता है जो लोड को महसूस करते हैं और बोन रीमॉडेलिंग को ऑर्केस्ट्रेट करते हैं। एलसीएन में और नैनोकम्पोजिट के भीतर, हड्डी में पानी में इसकी मात्रा 20’37 तक होती है, जिसमें यांत्रिक तनाव को सख्त और अनुकूलन सहित कई कार्य होते हैं।
BER II में न्यूट्रॉन टोमोग्राफी
शामिल पानी की मात्रा निर्धारित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले हड्डी के नमूनों को पानी में डुबोया और उन्हें न्यूट्रॉन के साथ ट्रांसिलुमिनेट किया, जो HZB में बर्लिन प्रायोगिक रिएक्टर BER II * द्वारा प्रदान किया गया था – इसके बाद ड्यूटेरेटेड हेवी वॉटर (D2O) में संतृप्ति। 3डी डेटा फिर से एकत्र किया गया था और दो हड्डी राज्यों के बीच के अंतर ने टीम को प्रत्येक रीढ़ की कशेरुकाओं के लिए डी2ओ के प्रसार द्वारा विस्थापित पानी की सटीक मात्रा निर्धारित करने की अनुमति दी थी। “इसके अलावा, हमने हड्डी के नमूनों के वर्गों की जांच की, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और माइक्रो सीटी द्वारा उनका विश्लेषण किया और हमने रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ पीजी एकाग्रता भी निर्धारित की,” सिल्वर बताते हैं।
आश्चर्यजनक परिणाम: पीजी अंतर पैदा करते हैं
अब तक, यह माना जाता था कि दोनों प्रकार की हड्डियों में समान मात्रा में पानी होता है और उनकी संरचना और गुण बहुत समान होते हैं। वास्तव में हालांकि, न्यूट्रॉन परीक्षा से पता चला है कि जेब्राफिश की हड्डी सामग्री मेडका की तुलना में आधा पानी छोड़ती है। यह और भी आश्चर्यजनक है क्योंकि इन हड्डियों में खनिजयुक्त कोलेजन फाइबर का एक बहुत ही समान सूक्ष्म संरचना है, लेकिन जेब्राफिश में एलसीएन के भीतर बड़े सेल रिक्त स्थान भी होते हैं। “मेरी पहली प्रतिक्रिया थी, ‘यह गलत होना चाहिए!’ इसलिए हमने सब कुछ अच्छी तरह से जांचा और महसूस किया कि यह वास्तव में क्रांतिकारी है!” ज़स्लान्स्की को याद करते हैं। अंतर के लिए एकमात्र स्पष्टीकरण यह है कि दो प्रजातियों के अस्थि मैट्रिसेस एक मूलभूत संरचनागत घटक में भिन्न होते हैं जो जल पारगम्यता को प्रभावित करता है। और यहाँ, हिस्टोलॉजिकल स्टडीज और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी दोनों दिखाते हैं: यह पीजी का छोटा लेकिन महत्वपूर्ण योगदान है। मेडका के नमूनों में जेब्राफिश के नमूनों की तुलना में बहुत कम पीजी होता है। “यह एक नई खोज है: हालांकि दोनों मछलियां समान तनाव का सामना करती हैं, लेकिन उनकी हड्डी सामग्री में समान जल पारगम्यता गुण नहीं होते हैं,” सिलवीरा ने कहा
दवा के लिए नई अंतर्दृष्टि?
“हमें उम्मीद है कि ये परिणाम हमें हड्डी की बीमारियों को बेहतर ढंग से समझने में मदद करेंगे,” ज़स्लान्स्की कहते हैं। कुछ हड्डियाँ दूसरों की तुलना में तनाव का जवाब देने में बेहतर क्यों होती हैं? हड्डियों की उम्र बढ़ने पर क्या होता है? क्या ऐसा हो सकता है कि वे पीजी खो देते हैं, और कम निर्विवाद हो जाते हैं? शायद उम्र बढ़ने या पैथोलॉजी जैसे ऑस्टियोपोरोसिस हड्डी की कोशिकाओं को घेरने वाली हड्डी को बदल देता है, जिससे हड्डी के ऊतकों को फिर से तैयार करना और सही ढंग से काम करना मुश्किल हो जाता है?
बर्लिन-वानसी में 40 वर्षों के सफल न्यूट्रॉन अनुसंधान के बाद, अनुसंधान रिएक्टर BER II को अंततः 2019 के अंत में बंद कर दिया गया। शटडाउन का निर्णय HZB पर्यवेक्षी बोर्ड द्वारा 2013 की गर्मियों में किया गया था।
बर्लिन-वानसी में 40 वर्षों के सफल न्यूट्रॉन अनुसंधान के बाद, शोध रिएक्टर BER II को आखिरकार 2019 के अंत में बंद कर दिया गया। लेकिन अब तक, टीम सभी प्रकार की सामग्रियों में नई अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए प्रायोगिक डेटा पर काम कर रही है।
