Visi žino, kad darydami rentgeno spindulius galime pamatyti plačias mūsų kaulų struktūras kūne. Tačiau tai tik subraižo paviršių. Mokslas dabar turi daugybę naujų vaizdo gavimo ir apibūdinimo metodų, leidžiančių gilintis ir siauriau apibrėžti mūsų kaulų architektūrą ir santykinę būklę mikro, nano ir subnanometro matmenimis.
Tiesą sakant, tiek daug įrankių, kad Virdžinijos universiteto mechanikos inžinierius, besidomintis traumų biomechanika ir audinių architektūra, kuria grindžiamos įvairios skeleto sąlygos, norėjo rasti idealų būdą sujungti šios naujausios technologijos naudingumą.
Naujame dokumente, paskelbtame šį mėnesį Mokslinės ataskaitosUVA inžinerijos ir taikomųjų mokslų docentas Toni Tangas apibūdina idealią darbo eigą, skirtą naujausioms pažangioms vaizdų gavimo ir charakterizavimo technologijoms derinti, o tai gali pagerinti pagrindinį poringo kaulo supratimą, kuris galėtų padėti nustatyti ligas.
„Pagrindinis šio tyrimo laimėjimas yra koreliacinės darbo eigos, kuri gali būti naudojama tiriant biologinį audinį įvairiomis ilgio skalėmis nuo milimetro iki nanometro, 3D formatu ir tiksliai tame pačiame audinio tūryje, sukūrimas“, – sakė Tang. „Tai pirmas kartas, kai kaulų struktūra buvo perteikta 3D visomis atitinkamomis priemonėmis.”
Ji palygino savo metodiką su Google Earth koncepcija; ar norite vaizdo iš 280 mylių aukščiau, ar gatvės tinklelio ar žemės lygio vaizdo?
Tyrimo kaulai
Tyrimo metu Tangas ir Kanados bei Kalifornijos mokslininkų komandos siekė daugiau sužinoti apie žmogaus trabekulinį kaulą. Kadangi šio tipo kaulai, taip pat žinomi kaip akytieji, nėra ištisai tvirti, jį laiko eilė strypų ir plokščių, kurie padeda sugerti, pavyzdžiui, smūgį.
Trabekulinės kaulų struktūros gali būti ilgų kaulų, tokių kaip šlaunikaulis arba šlaunies kaulas, jungiančių klubo lenkiamuosius raumenis, galuose. Suaugęs asmuo, neturintis žinomų kaulų sveikatos problemų, sutiko paaukoti šlaunikaulio mėginį Tango tyrimams.
Unikali trabekulinė architektūra taip pat prisideda prie stuburo slankstelių tvirtumo, sustiprina apsauginį kaukolės apvalkalą ir padeda apsaugoti klubo kaulų dalis nuo lūžių.
Komanda naudojo femtosekundinį lazerį, kuris skleidžia trumpus, greitus šviesos impulsus, kad sukurtų tikslų tinklelį. Tinklelis leido mokslininkams susieti vaizdo gavimo metodus ir dominančių struktūrų identifikavimą. Vaizdo gavimo metodai apėmė jonų pluošto skenavimo elektronų mikroskopiją, kuri yra sufokusuota į paviršių, ir rentgeno mikroskopiją, kuri giliai įsiskverbia į mėginį.
Šiuo metu Tangas domisi bendra kaulų tyrimų nauda. Pasak jos, atlikus geresnę analizę, atsiras geresnės mokslinės teorijos ir priemonės, leidžiančios prognozuoti kaulų ligų progresavimą.
„Šis naujas procesas, tikimės, gali padėti ištirti biologinių audinių struktūrą iš esminės perspektyvos“, – sakė ji. „Pavyzdžiui, sergant daugeliu kaulų ligų, struktūros pokyčiai vyksta visose skalėse – kolageno ir mineralų lygiu, bet taip pat ir mikroskopinių kaulų vienetų lygiu, taip pat viso kaulo lygiu.”
Galimos būsimos programos
Tango bendri tyrimai vieną dieną gali padėti mediciną išnaudoti daugiau nei dabartinės, ne tokios tikslios metodikos. Vienas iš tokių programų galėtų būti klubo lūžių rizikos įvertinimas.
Trabekulinio kaulo balą, trumpai vadinamą TBS, gydytojai dažnai nustato moterims po menopauzės ir vyresniems nei 50 metų vyrams, kad nustatytų kaulų būklę ir sužalojimo riziką. Rezultatas gaunamas vaizduojant stuburą apatinėje nugaros dalyje, tada taikant kompiuterinį algoritmą. Tango darbo eiga gali geriau aptikti atsirandančius nanoskalės modelius, pvz., ankstyvus osteoartrito požymius.
„Ankstyvosiose osteoartrito stadijose yra subtilių struktūrinių pokyčių, kurių negalima aptikti klinikinėmis priemonėmis”, – sakė ji. „Ši nauja darbo eiga gali būti naudojama, pavyzdžiui, norint nustatyti tuos nedidelius pokyčius ir padėti suprasti osteoartrito etiologiją.”
Vis dėlto ji pabrėžia, kad reikia daug daugiau nuveikti, norint sužinoti, ar jos darbo eiga arba kai kurie jos variantai gali būti tinkami medicinos laboratorijai.
Tang taip pat mano, kad geresnis supratimas apie tai, kaip sudėtinga trabekulinio kaulo hierarchinė struktūra prisideda prie sveiko kūno atsparumo, gali reikšti, kad jos darbo eiga gali prisidėti prie biologiškai įkvėptų medžiagų srities.
Ji pridūrė, kad tas pats pasakytina apie kitus biologinius audinius ir net nebiologines medžiagas, kurias galima analizuoti naudojant jos metodą – viskas nuo puslaidininkinių prietaisų iki geologinių pavyzdžių.