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Orthopädische Chirurgie

ÖsterreichischeGesellschaft

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Offizielles Organ derÖsterreichischen Gesellschaftzur Erforschung des Knochens

und Mineralstoffwechsels

Member of the

Röntgenkleinwinkelstreuung in der

Osteologie

Fratzl P, Klaushofer K

Journal für Mineralstoffwechsel &

Muskuloskelettale Erkrankungen

2001; 8 (2), 12-19

J. MINER. STOFFWECHS. 2/200112For personal use only. Not to be reproduced without permission of Krause & Pachernegg GmbH.

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Abbildung 1: Schematische Darstellung von verschiedenenhierarchischen Ebenen im spongiösen Knochen (humanerWirbelknochen).

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Meßvorganges beider Kleinwinkelstreuung (SAXS) sowie bei Scanning-SAXS.Ein Röntgenstrahl durchdringt die Probe und das gebeugte Signal wird aufeinem Detektor gemessen (links oben). Das SAXS-Signal gibt Informationenüber jenes Volumen der Probe, das durch den Strahldurchmesser und dieProbendicke definiert wird. In kommerziellen Geräten (Nanostar, Fa. BrukerAXS, Karlsruhe) ist der Strahldurchmesser 100–200 µm. Bei Verwendungvon Synchrotronstrahlung kann er bis auf wenige Mikrometer reduziertwerden. Die Dicke der Probe sollte sinnvollerweise etwa so groß sein wieder Strahldurchmesser, aber nicht mehr als ca. 200 µm betragen. DieMessung der Absorption des Röntgenstrahls durch die Probe (die direkt inder SAXS-Apparatur erfolgt) an verschiedenen Stellen führt zu dem Bildlinks unten (Radiographie). Die Probe wird dabei in zwei Richtungen senk-recht zum Strahl (x, y) bewegt. Verschiedene Stellen können nun für dieAufnahme von SAXS-Bildern (Mitte unten) ausgewählt werden. Die Aus-wertung dieser Bilder (siehe Abb. 3 und 4) liefert mehrere Parameter, wiez. B. die typische Ausrichtung der länglichen Mineralpartikel in der Kno-chenmatrix, die im Bild rechts unten dargestellt ist. Die Länge der Balkenbezeichnet den Grad der Ausrichtung ρ. In dem Bild zu erkennen ist z. B.,daß die Orientierung der Mineralpartikel genau jener der Trabekel folgt.

RÖNTGEN-KLEINWINKEL-STREUUNG IN

DER OSTEOLOGIE

EINLEITUNG

Die mechanischen Eigenschaften desKnochens sind durch den komplexenhierarchischen Aufbau der Matrixbestimmt. Die Abbildung 1 zeigtschematisch einige hierarchischeEbenen in der Struktur des humanenWirbelknochens. Der spongiöseKörper des Wirbels ist aus Trabekeln(Dicke im Bereich 200 µm) aufge-baut. Deren lamellare Struktur wirdaus Kollagenfibrillen (Durchmessereinige 100 nm) unterschiedlicherAusrichtung aufgebaut. Die dasGewebe verstärkenden Partikel ausKalziumphosphat-Mineral haben

P. Fratzl, K. Klaushofer

RÖNTGENKLEINWINKELSTREUUNGIN DER OSTEOLOGIE

Summary

The mechanical properties of bonedepend on all levels of hierarchicalstructure. Consequently, fractureincidence is not fully predicted bythe bone mineral density alone butlower hierarchical levels, such asthe structure of the collagen-mine-ral composite, need to be conside-

red for some diseases. The techniqueof small-angle X-ray scattering(SAXS) is suited to give such inform-ation using standard histologicalsections prepared from bone biop-sies. The principles and several re-cent examples of the application ofSAXS are reviewed.

schließlich nur noch eine Dicke vonwenigen Nanometern. Mit dieserDarstellung wird verdeutlicht, daßdie verschiedenen strukturellen Ebe-

nen mehr als 6 Größenordnungen(von Nanometer bis Millimeter) über-spannen.

Seit langem ist bekannt (Wolff 1870)[1], daß die Anordnung der Trabekelim spongiösen Knochen im Hinblickauf die typische mechanische Bela-stung des Knochens optimiert ist.Das bedeutet, daß die Trabekel inihrer Ausrichtung im wesentlichenden Hauptspannungslinien folgen.Forschungen der jüngeren Zeit zei-gen, daß eine Optimierung auch aufniedrigeren hierarchischen Ebenenerfolgt [2], z. B. in bezug auf dielamellare Struktur des Knochens [3]

J. MINER. STOFFWECHS. 2/2001 13

RÖNTGEN-KLEINWINKEL-STREUUNG INDER OSTEOLOGIE

oder die typische Ausrichtung derMineralkristalle [4].

Wenn man nun davon ausgeht, daßdas Wolffsche Gesetz auf allen hier-archischen Stufen gilt, so bedeutetjede Veränderung der Struktur aufeiner dieser Stufen eine Verschlech-terung der mechanischen Eigenschaf-ten. Knochenerkrankungen könnenunterschiedliche Stufen dieser Hier-archie betreffen. Bei Osteoporose,die als eine Störung der Mikroarchi-

tektur definiert ist, besteht in ersterLinie eine Verringerung der spongiö-sen Knochenmasse, z.B. im Wirbel-

knochen. Dadurch ist auch dietrabekuläre Architektur betroffen.In Abbildung 1 sind das die obersten

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Kleinwinkelstreuung(SAXS) durch einen einzelnen Mineralkristall mit Höhe H undBreite B (beide Dimensionen senkrecht zum einfallendenRöntgenstrahl).

Abbildung 4: Links ein typisches SAXS-Bild der Knochenmatrix.Der Farbcode (von schwarz bis weiß) bezeichnet ansteigende Streu-intensitäten. In der oberen Zeile wird das SAXS-Bild entlang von konzen-trischen Kreisen aufsummiert. Das Ergebnis ist eine Funktion von q (rechtsoben), wobei q den Radius des Kreises bezeichnet. Die eingezeichneteGerade entspricht dem sogenannten Porod-Gesetz [7, 14, 19] und be-schreibt das Verhalten der Kurve bei großem q. Aus dieser Funktion kann Tund auch G(x) berechnet werden (siehe Abb. 8). In der unteren Zeile wirddas SAXS-Bild innerhalb von Kreissektoren aufsummiert. Das Ergebnis isteine Funktion von Ψ (rechts unten). Die Richtung Ψ0 in der Mitte zwischenden beiden Maxima entspricht der typischen Richtung der langen Kristall-achse (in Übereinstimmung mit Abb. 3). Der Grad der Ausrichtung ρberechnet sich schließlich aus den Flächen A0 (grau) und A1 (weiß).

Abbildung 5: Untersuchung eines Trabekels in humaner Spongiosa mittels SAXS,BEI (rechts) und Lichtmikroskopie (links). Das linke Bild zeigt, daß die lokaleAusrichtung der Kollagenmatrix (im polarisierten Licht erkennbar) mit jener derMineralkristalle konform geht (nach [4]).

Abbildung 6: Ausrichtung der Mineral-kristalle (weiße Balken) in der Umge-bung eines Osteons aufgetragen auf eineAufnahme der selben Probe mittels BEI.Die SAXS-Messungen erfolgten an derSynchrotronquelle ELETTRA in Triest(nach [26]).

J. MINER. STOFFWECHS. 2/200114

beiden Stufen der Hierarchie. Ausdiesem Grund erlaubt die Messungder Knochenmasse alleine noch keinevollständige Beschreibung desKrankheitsbilds bei Osteoporose,sondern es müssen auch Konnektivi-tät und Ausrichtung der Trabekel mitberücksichtigt werden. Bei anderenKnochenerkrankungen, wie z. B. derOsteomalazie, sind niedrigere Stufenin der Hierarchie betroffen. DieOsteomalazie, die durch VitaminD-Mangel verursacht wird, bewirkteine geringere und inhomogene Ver-teilung des Minerals innerhalb derKnochenmatrix. In Abbildung 1 wärediese Erkrankung auf den Stufen 2bis 3 sichtbar. Osteogenesis imper-fecta schließlich ist ein Beispiel, wodie Krankheitsursache die unterstehierarchische Stufe, nämlich die Kol-lagenmoleküle, betrifft.

Für die Beurteilung der Knochen-struktur, z.B. für diagnostische Zwek-ke, bedeutet der hierarchische Auf-bau eine erhebliche Erschwernis,weil eine Meßtechnik alleine nichtausreicht, alle strukturellen Ebenenzu erfassen. In vivo ist nur die Beur-teilung der BMD als Maß für dieKnochenmasse routinemäßig möglich(„dual X-ray absorptiometry“ oderquantitative Computertomographie).Mittels hochaufgelöster Röntgentomo-graphie oder Kernspin-Resonanz istes gerade noch möglich, in denBereich der zweiten hierarchischenEbene (trabekuläre Architektur) vor-zudringen. Für eine Beurteilung klei-nerer Strukturen sind Biopsien erfor-derlich. Wenn es allerdings um dieErfassung der kleinsten relevantenDimensionen, nämlich jener derKollagenfibrillen und Mineralkristallegeht, so sind ganz spezielle Unter-suchungstechniken – wie z.B. dieTransmissionselektronenmikroskopie– erforderlich. Das Problem bei dieserTechnik ist der hohe Präparations-aufwand und der Umstand, daßultradünne Schnitte sowie Färbungenerforderlich sind. In diesem Bereichbietet die Röntgenkleinwinkelstreu-ung eine interessante Alternative.Diese Technik basiert auf der Beu-

gung von Röntgenstrahlen und erfor-dert einen verhältnismäßig geringenPräparationsaufwand. Konventionellehistologische Schnitte mit einer Dickevon einigen Zehntel Millimeternkönnen verwendet werden und wer-den durch die Messung nicht verän-dert.

Die Röntgenkleinwinkelstreuung(Small Angle X-Ray Scattering, SAXS)wurde Mitte des 20. Jahrhundertsvon Gruppen in Paris [5] und Graz[6, 7] entwickelt. Zu diesem Zeit-punkt waren Elektronenmikroskopenoch nicht so weit verbreitet wieheute. In den Jahren danach gab eseinige wenige Versuche, die Knochen-struktur mittels SAXS zu untersuchen[5, 8, 9], aber erst in den 1990er Jah-ren wurde die Methode systematischfür die Anwendung in der Osteologieentwickelt [10–24]. Eine deutsch-sprachige Beschreibung der grund-sätzlichen Methodik findet sich in [13].Der letzte Stand der Entwicklungeneröffnet die Möglichkeit, durch dieVerwendung eines sehr feinenRöntgenstrahls einen histologischenSchnitt abzurastern und an verschie-denen Stellen innerhalb des Schnittsdie Struktur des Kollagen-Mineral-Verbundes mittels SAXS zu charakte-risieren. Derzeit ist ein Abrastern mitSchritten in der Größenordnung von100 µm (also etwas weniger als dieDicke eines Trabekels) mit einemkommerziell erhältlichen Laborgerätmöglich [4]. Durch den Einsatz vonSynchrotronstrahlung als Röntgen-quelle kann der Rasterschritt bis aufwenige Mikrometer verringert werden[25, 26].

In diesem Artikel werden die Metho-dik der Röntgenkleinwinkelstreuungkurz dargestellt und einige Anwendun-gen im Bereich der osteologischenForschung gezeigt.

PRINZIP DER RÖNTGEN-KLEINWINKELSTREUUNG

Die typische Meßanordnung ist inAbbildung 2 (oben) gezeigt. Dermonochromatische Röntgenstrahl(aus einer Röhre oder auch einerSynchrotronquelle) durchtritt dieProbe und die um den Primärstrahlgebeugten Photonen werden in ei-nem flächenhaften Röntgendetektornachgewiesen. Der Primärstrahl hatin der konventionellen Laboranord-nung einen Durchmesser von etwa100–200 µm. Der Durchmesser desSynchrotronstrahls kann bis aufwenige µm verringert werden. DieProbe selbst kann in zwei Richtungenquer zum Strahl (x, y) bewegt werden.In Abbildung 2 links unten ist das ty-pische Bild eines Knochenschnitts(Radiographie) zu sehen. An ver-schiedenen Punkten innerhalb diesesSchnitts wird ein SAXS-Bild (Abb. 2,unten Mitte) aufgenommen. Die Inter-pretation dieses SAXS-Bildes liefertnun Aufschlüsse über die Größe undOrientierung der Mineralkristalle inder Knochenmatrix.

Die Abbildung 3 zeigt die zugrunde-liegende theoretische Interpretationeines SAXS-Bildes: Die Knochen-matrix besteht im wesentlichen auszwei Komponenten sehr unterschied-licher Elektronendichte, der kollagen-reichen organischen Matrix sowieden Mineralpartikeln aus Kalzium-phosphat. Diese Partikel können ent-weder plättchen- oder nadelförmigsein und ihre Größe beträgt nur we-nige Nanometer [27, 28]. Ein solcherkleiner Kristall (Höhe H, Breite B) istin Abbildung 3 skizziert. Wenn derRöntgenstrahl auf diesen Kristalltrifft, so wird er in Richtung derHöhe weniger stark gebeugt als inRichtung der Breite. Dadurch ergibtsich auf dem Detektor ein elliptischesBild mit einer Höhe proportional 1/Hund einer Breite proportional 1/B.Die Einschränkung dabei ist, daß nurfür Dimensionen kleiner als 50 nmeine meßbare Beugung stattfindet,

RÖNTGEN-KLEINWINKEL-STREUUNG IN

DER OSTEOLOGIE

J. MINER. STOFFWECHS. 2/2001 15

d. h. Strukturen größer als etwa 50 nmtragen nicht zum SAXS-Signal bei.

Die Abbildung 3 zeigt auch, daß dasSAXS-Bild sowohl Information überdie Größe des Kristalls, als auch überseine Ausrichtung enthält: Würdeman den Kristall um 90° drehen, sowürde sich auch das Streubild ent-sprechend mitdrehen. Natürlich gibtes innerhalb der Knochenmatrix abereine große Zahl von Kristallen mitunterschiedlicher Größe und Aus-richtung. Die entsprechenden Streu-signale überlagern sich und ergebendas tatsächliche SAXS-Bild auf demDetektor. Die Interpretation einertatsächlichen Messung wird in Abbil-dung 4 gezeigt. Links ist ein Streubildzu sehen, das auf zwei Arten inte-griert werden kann: Einerseits kanndie Streuintensität entlang von kon-zentrischen Kreisen mit dem Radius qaufsummiert werden, was die Kurverechts oben im Bild ergibt. Anderer-seits kann die Streuintensität inner-halb von Kreissektoren aufsummiertwerden, wodurch man die Abhängig-keit vom Winkel Ψ erhält (Kurverechts unten). Aus der ersten Kurvekann die mittlere Dicke der Mineral-kristalle, T, extrahiert werden, ausder zweiten Kurve die mittlere Aus-richtung und auch der Grad derAusrichtung. Die mathematischenFormeln für die Datenauswertungkönnen z. B. in [4, 19] nachgelesenwerden. Die genaue Definition von Tist:

T = 4 Φ (1 – Φ) / σ

wobei Φ den Volumenanteil des Mi-nerals innerhalb der Knochenmatrixund σ die gesamte Oberfläche proEinheitsvolumen der Matrix bezeich-nen. T kann also in etwa als das Ver-hältnis von Volumen zu Oberflächeder Kristalle verstanden werden. Beiplättchenförmigen Kristallen ent-spricht T genau der Dicke der Plätt-chen [14, 19].

Der Winkel Ψ0 in Abbildung 4 rechtsunten entspricht der mittleren Rich-tung der länglichen Kristalle. Weiters

definieren wir einen Grad der Aus-richtung ρ als das Verhältnis der weißgehaltenen Fläche unterhalb der Kurvein Abbildung 4 rechts unten zurgesamten Fläche unter der Kurve(= Summe aus weiß und grau):

ρ = A1 / (A1 + A0) (siehe Abb. 4)

SAXS wird am besten an in Kunst-harz eingebetteten (histologischen)Schnitten angewandt. Die Methodekann aber auch zur Charakterisie-rung von Mineralkristallen in Disper-sion [29], von nativem Knochen [10,11] oder von in Zellkulturen produ-zierter Matrix [24] verwendet wer-den. SAXS ist nicht identisch mit derzur Charakterisierung des Knochen-minerals oftmals verwendeten Me-thode der Röntgendiffraktion („X-raydiffraction“ [30, 31]). Die Informatio-nen aus beiden Techniken könnenals komplementär betrachtet werden.

ANWENDUNGSBEISPIELE

Kombination mehrerer Untersuchungs-techniken an histologischen Präparaten

Die für Untersuchungen mittels SAXSerforderlichen Präparate sind typischefixierte und in Kunstharz (Polymethyl-metacrylat oder Epon) eingebetteteSchnitte, z. B. von Biopsien. DieAbbildung 5 zeigt als Beispiel dasPräparat eines trabekulären humanenKnochens, das sowohl mit Polarisa-tionslichtmikroskopie (links), Rück-streuelektronenmikroskopie, (backscattered electron imaging, BEI),(rechts) und SAXS untersucht wurde[4]. BEI [32–34] und SAXS gebenkomplementäre Informationen überdas Knochenmineral: quantitativeAussagen über die Verteilung der Mi-neralmenge in der Knochenmatrix(„Bone Mineral Density Distribution“,BMDD) aus BEI [32–34] und überdie Größe und Ausrichtung der Mi-neralpartikel aus SAXS. Abbildung 5zeigt, daß Mineralpartikel und Kolla-genfibrillen im wesentlichen parallelverlaufen, was der üblichen Vorstel-

lung entspricht, wie die Mineralparti-kel in die Kollagenmatrix eingebettetsind [12, 27, 28, 35].

Die Abbildung 6 zeigt das Beispieleiner Messung an kompakten Kno-chen [26]. Das Untergrundbild isteine Aufnahme mittels BEI und zeigtdie Verteilung der Mineralmenge alsGraustufen an [32–34]. Klar zu er-kennen sind einige Osteone und vie-le Osteozytenlakunen. Das Feld mitden weißen Balken bezeichnet dietypische Orientierung der Mineral-kristalle in der Umgebung eines derOsteone. Der Abstand zwischen Ein-zelmessungen mittels SAXS beträgtgerade 20 µm, weshalb die Verwen-dung einer Synchrotron-Röntgen-quelle erforderlich war [26]. Zusätz-lich zu der in den Abbildungen 5und 6 gezeigten Methodenkombina-tion wurde auch der gemeinsameEinsatz von SAXS und Infrarotspek-troskopie demonstriert [36].

Ursprung der Knochensprödigkeitbei Osteogenesis imperfecta

An Hand eines tierischen Modell-systems wurde der Ursprung derSprödigkeit des Knochens bei Osteo-genesis imperfecta (OI) untersucht.Es handelt sich dabei um eine trans-gene Maus (osteogenesis imperfectamurine, oim), die nicht in der Lageist, Prokollagen des Typs α2 zu pro-duzieren und deren Kollagenmatrixdaher ausschließlich aus α1 Triple-helices besteht. Die mechanischenEigenschaften des Knochens vonoim-Mäusen sind vergleichbar mitjenen bei milder humaner OI (Typ I).

Es wurden einerseits die mechani-schen Eigenschaften des Kollagensvon oim mit jenen von Kontrollenverglichen [37]. Dabei ergab sicheine Verringerung der Dehnbarkeitum einen Faktor zwei. Andererseitswurden auch die Mineralkristallemittels SAXS untersucht [17] undfestgestellt, daß diese in der Kortikalisvon Röhrenknochen der oim-Mäusedünner und weniger parallel ausge-richtet sind als in entsprechenden

RÖNTGEN-KLEINWINKEL-STREUUNG INDER OSTEOLOGIE

J. MINER. STOFFWECHS. 2/200116

Kontrollen. Das führt zu dem inAbbildung 7 gezeigten Modell. Diemechanischen Eigenschaften derKnochenmatrix sind intermediärzwischen jenen von Kollagen, dasweich und dehnbar ist, und jenendes Minerals, das hart und spröde ist.Der wesentliche negative Effekt dergenetischen Mutation dürfte jenerder Reduktion der Dehnbarkeit desKollagens sein, denn geringe Dehn-barkeit ist das wesentliche Merkmalder Sprödigkeit. Andererseits ist auchdie Mineralphase verändert. Neuere

RÖNTGEN-KLEINWINKEL-STREUUNG IN

DER OSTEOLOGIE

Abbildung 7: Modell für die Sprödigkeit des Knochens in einemTiermodell der Osteogenesis imperfecta (oim), basierend auf(a) SAXS-Untersuchungen des Knochenminerals [17] und (b)Messungen der mechanischen Eigenschaften des Kollagens[37].

Abbildung 8: Effekt der Behandlung mit Fluorid auf die Knochen-matrix [15]. BEI-Aufnahmen zeigen oben links normalen und rechtsKnochen nach Fluorid-Überdosierung. Im fluorotischen Knochen sind vie-le Mineralisationsdefekte sichtbar. Die Graphiken unten zeigen die ent-sprechenden SAXS-Kurven G(x) für den normalen und den fluorotischenKnochen, aber auch für intermediäre Zustände („intermediate“) wie siebei der Behandlung von Osteoporose mit Fluorid auftreten können [15].Der Parameter η mißt die Differenz zwischen dem gemessenen G(x) undeiner Standardkurve (ausgezogene Linie). Je kleiner η, desto näher ist dieStruktur der Knochenmatrix an jener des fluorotischen Knochens.

Abbildung 10: SAXS-Parameter η und Tfür die Knochen-matrix in den Wir-beln von Mini-schweinen nachBehandlung mitFluorid (NaF) odermit dem Bisphos-phonat Alendronat(ALN) im Vergleichzu Kontrollen [20].

Abbildung 9: Lokale Schwankungen der Mineralstruktur nachFluoridbehandlung. Die Zahlen geben den Wert für η (x 1000)an verschiedenen Stellen des Schnitts. Kleinere Werte von ηsind für fluorotischen Knochen charakteristisch (1000 η ≤ 2).Das BEI-Bild links unten zeigt die Koexistenz von normaler(vermutlich alter) Knochenmatrix und jener, die während derFluorideinwirkung gebildet wurde [22].

Abbildung 11: Korrelation zwischen demSAXS-Parameter η und dem Kompres-sionsmodul des Wirbels L4 in Mini-schweinen [20].

Untersuchungen (Kombination vonSAXS, BEI und Mikrohärtemessungen)in Abhängigkeit des Alters zeigen,daß die Mineralmenge eher erhöhtist, was als Reaktion des SystemsKnochen auf die geringe Festigkeitdes Materials gedeutet werdenkönnte [38]. Allerdings ist bei mehrMineral zwar die Steifigkeit erhöht(wodurch sich die Dehnungen imMaterial bei gleicher Belastung ver-ringern), aber auch die Sprödigkeit(was die Frakturwahrscheinlichkeitbei gleicher Belastung steigert).

J. MINER. STOFFWECHS. 2/2001 17

Natürlich muß man sehr vorsichtigsein, wenn man diese Ergebnisse aufhumane OI extrapolieren möchte,denn der genetische Kollagendefektist ja praktisch in jeder OI-Familieunterschiedlich und nicht unbedingtmit jenem des Tiermodells vergleich-bar.

Fluoridbehandlung der Osteoporose

Ein schon lange viel diskutierter An-satz zur Behandlung der Osteoporo-se ist die Fluoridtherapie. Der Grundist die enorme Stimulation der Kno-chenneubildung, die bei der Behand-lung mit Fluorid auftritt. Die Gefahrist allerdings, daß die Qualität desneu gebildeten Knochens möglicher-weise geringer als normal sein könn-te. Bei der Erforschung dieser Frage-stellung hat sich der Einsatz vonSAXS und scanning-SAXS als beson-ders hilfreich erwiesen. Abbildung 8(oben) zeigt zwei Bilder, die mittelsBEI an normalem (links) bzw. fluoro-tischem (rechts) Knochen aufgenom-men wurden [15]. In beiden Fällenhandelte es sich um Beckenkamm-biopsien. Die Fluorose in der extre-men Ausbildung wie in Abbildung 8(rechts oben) war die Folge einerFluorid-Überdosierung über einenlangen Zeitraum. Klar zu erkennensind Mineralisationsdefekte, die aneine Malazie erinnern. In Abbildung8 unten sind SAXS-Ergebnisse darge-stellt. Die Kurven G(x) sind durch eineeinfache Transformation direkt vonSAXS-Kurven abgeleitet, von deneneine exemplarisch in Abbildung 4(rechts oben) zu sehen ist. Der Unter-schied zwischen der linken („nor-mal“) und der rechten („fluorotic“)G(x) Kurve in Abbildung 8 ist gut zuerkennen. Das bedeutet, daß auchdie nur einige Nanometer großenMineralpartikel unterschiedlich sind.Die Interpretation geht dahin, daß esim fluorotischen Knochen eine zu-sätzliche Population von eher größe-ren (vermutlich außerhalb der Kolla-genfibrillen befindlichen)Mineralpartikeln gibt [15].

Besonders interessant für diagnosti-sche Zwecke ist der Umstand, daßauch geringfügige Veränderungen,die im histologischen Schnitt nochnicht als Malazie erkenntlich sind,mit SAXS nachgewiesen werdenkönnen (Abb. 8, unten Mitte, „inter-mediate“). Solche Veränderungenkönnen bei der Behandlung derOsteoporose mittels Fluorid auftreten[15]. Eine Quantifizierung des Effektsvon Fluorid wurde mittels eines Para-meters η erreicht, der die Abwei-chung von G(x) von einer vorgegebe-nen Standardkurve (ausgezogeneLinie in den Graphen von Abb. 8,unten) beschreibt. Je kleiner der Wertvon η, desto näher ist die Knochen-matrix am fluorotischen Zustand.

Eine weitere Beobachtung ist, daßdie Effekte des Fluorids nicht homo-gen in der Knochenmatrix verteiltsind. Das ist in Abbildung 9 zu sehen[16], wo der Wert von η in einerBiopsie nach Fluoridbehandlung (miteher hoher Dosis, siehe Abb. 9, unterKombination mit Kalzium und VitaminD) an verschiedenen Orten einesSchnittes gezeigt ist. Der Wert von ηvariiert von normal (≥ 5 x 10–3) bisfluorotisch (≤ 2 x 10–3) innerhalbeines Knochentrabekels. Der Grundist in der Vergrößerung (rechts unten)gezeigt. An den normalen Knochen(der vermutlich vor der Fluorid-Be-handlung gebildet worden ist) wurdestark verändertes Material (vermutlichunter dem Einfluß der Fluorid-Behand-lung) angelagert. Da die Umbauvor-gänge im Knochen regional sehrunterschiedlich sein können, ist auchdie Verteilung des durch Fluorid ver-änderten Knochenmaterials sehr in-homogen.

Vergleich von Osteoporosetherapien

Da mit SAXS konventionelle histo-logische Schnitte (zerstörungsfrei)untersucht werden können, eignetsich die Methode auch hervorragendzur Begleitung von präklinischenStudien über die Auswirkungen vonOsteoporosetherapien auf die Mine-ralkristalle. Das sei hier an einer ab-

geschlossenen Studie an einem Tier-modell demonstriert. In dieser Studiewurden Minischweine mit Natrium-fluorid (NaF), bzw. dem Bisphospho-nat Alendronat (ALN) behandelt unddie Knochenmatrix von Wirbelkör-pern wurde in einer blinden Studiemit SAXS und auch anderen Metho-den im Vergleich zu Kontrollen un-tersucht [20, 33]. Das SAXS-Ergebnisist in Abbildung 10 zu sehen. DerParameter η, der (wie oben erwähnt)die Fluorid-bedingten Veränderungenquantitativ beschreibt (siehe Abb. 8),ist auch in den Minischweinen nachFluoridbehandlung verringert. Diemittlere Dicke der Kristalle, T, warnach Fluoridbehandlung entspre-chend vergrößert. Die Behandlungmit ALN ergab keinen Unterschied inbeiden Parametern. Darüber hinauswurde festgestellt, daß eine signifi-kante Korrelation zwischen demParameter η und mechanischenEigenschaften der Wirbelkörperbestand (Abb. 11) [20]. Die durchNaF hervorgerufene Strukturänderungkorreliert also deutlich mit einerVerschlechterung der mechanischenEigenschaften.

Interessant ist noch, daß die ALN-Behandlung zwar keinen sichtbarenEffekt auf die unterste hierarchischeEbene der Knochenstruktur hatte(siehe Abb. 1), wie die SAXS-Mes-sungen zeigen. Andererseits gab esaber sehr wohl Effekte auf (mittelsSAXS nicht sichtbare) höhere hierar-chische Ebenen: Auf der Ebene derTrabekel (siehe Abb. 1) war mit BEIeine Erhöhung des mittleren Mineral-gehalts erkennbar [33]. Umgekehrtwurde keine Veränderung des mitt-leren Mineralgehalts der Matrix beiNaF-Behandlung festgestellt, obwohleine deutliche Veränderung in Größeund Verteilung der Mineralpartikelmit SAXS beobachtet wurde (Abb. 10).Dieses Beispiel zeigt recht deutlich,daß die Auswirkungen von NaF- undALN-Behandlung jeweils auf anderenhierarchischen Ebenen der Knochen-struktur zu sehen sind. Das hat wohlmit der sehr unterschiedlichenWirkung der beiden Medikamente

RÖNTGEN-KLEINWINKEL-STREUUNG INDER OSTEOLOGIE

J. MINER. STOFFWECHS. 2/200118

RÖNTGEN-KLEINWINKEL-STREUUNG IN

DER OSTEOLOGIE

(aufbaufördernd für NaF und abbau-hemmend für ALN) zu tun.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Röntgenkleinwinkelstreuung(SAXS) stellt sich als eine inzwischengut etablierte Methode zur Charakte-risierung der Eigenschaften desKnochenminerals dar. Der Vorteil beiklinisch motivierten Studien ist, daßkonventionelle histologische Schnitteverwendet werden können und daßdiese nach der Untersuchung unver-ändert zur Verfügung stehen. Dies istinsbesondere wichtig, wenn man dieEigenschaften des Knochenmineralsan verschiedenen Stellen eines Prä-parats kennen will (Scanning-SAXS)oder wenn SAXS mit anderen Unter-suchungen kombiniert werden soll,wie zum Beispiel Lichtmikroskopie,Rasterelektronenmikroskopie, Infrarot-spektroskopie, um nur einige zu nen-nen.

DANK

Die Autoren sind allen in den be-sprochenen Projekten involviertenMitarbeitern des Ludwig Boltzmann-Institutes für Osteologie bzw. desErich Schmid-Institutes für Material-wissenschaft zu großem Dank ver-pflichtet.

Literatur:

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Korrespondenzadresse:o. Univ.-Prof. Dr. Peter FratzlErich Schmid Institut für Materialwis-senschaft,Österreichische Akademie der Wissen-schaften und Institut für Metallphysik,Montanuniversität LeobenA-8700 Leoben, Jahnstraße 12e-mail: fratzl@unileoben.ac.at

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