Рентгеновская TomoSAXS показала механику от фибрилл до волокон в целых межпозвоночных дисках крысы

Исследователи описали TomoSAXS — полнопольную трёхмерную томографию на основе малоуглового рентгеновского рассеяния, которая картирует механику от уровня фибрилл до уровня волокон в целой ткани, сообщает журнал Nature doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗. Метод применили к целым межпозвоночным дискам крысы под физиологически значимой нагрузкой, а затем распространили на целые диски человека в статических условиях doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗.

Как устроен метод

TomoSAXS — коррелятивный многомасштабный подход, объединяющий фазово-контрастную компьютерную томографию (pCT) на микроуровне и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) на наноуровне doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗. pCT выявляет малоконтрастную структуру волокон и в сочетании с цифровой корреляцией объёмов даёт объёмную деформацию и напряжения на микроуровне. Прежний анализ волокон диска, как правило, ограничивался областями менее 0,5 мм doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗.

SAXS использует саму структуру коллагена как датчик. Фибриллы размером около 20–100 нм состоят из смещённых друг относительно друга молекул тропоколлагена со средним D-периодом примерно 65–67 нм, что даёт брэгговские пики на целых кратных 1/D. Положение пика вдоль радиальной оси отражает D-период, ширина вдоль радиальной оси — его вариацию, ширина вдоль окружной оси — диаметр фибрилл. Прежние двумерные работы по SAXS диска были ограничены отсутствием трёхмерной информации doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗.

Что показали карты

Межпозвоночный диск состоит из гидратированного пульпозного ядра, окружённого фиброзным кольцом. Его пластины толщиной в десятки микрон содержат коллагеновые волокна диаметром 1–20 мкм с чередующейся ориентацией в соседних пластинах doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗. По данным авторов, внутрифибриллярная молекулярная преднапряжённость (смещение D-периода) имеет пластинчатую текстуру и тесно коррелирует с деформацией волокон на микроуровне doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗.

Преднапряжённость оказалась обратно связана с деформацией фибрилл и её разбросом; авторы называют это согласующимся с распределением нагрузки через раскручивание молекул doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗. Радиальные деформационные мостики и зоны высокой кривизны на границах фиброзного кольца и пульпозного ядра проявились как важные регуляторы локальной механики doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗.

Авторы заявляют, что результаты показывают согласованное взаимодействие фибрилл и волокон, которое поддерживает механическое равновесие диска, сохраняя упругость и форму. TomoSAXS они предлагают как платформу для других биологических и синтетических волокнистых материалов, называя области применения: старение и болезни, оценка терапии, проектирование биоосновных и биовдохновлённых материалов doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗. Травмы и возрастная дегенерация диска описаны как ключевой фактор боли в спине — ведущей мировой причины лет жизни с нетрудоспособностью doi.orgNaturedoi.orgОткрыть источник ↗.