У Nature представили метод рентгенівського аналізу колагенових волокон

Дослідники представили метод TomoSAXS, який поєднує фазово-контрастну комп’ютерну томографію та мало-кутове рентгенівське розсіювання для аналізу механіки колагенових волокон на різних масштабах. Метод випробували на неушкоджених міжхребцевих дисках щурів під час механічного навантаження, а також застосували до цілого людського міжхребцевого диска у статичних умовах, повідомляє Nature.

Технологія дає змогу одночасно відстежувати будову тканини на мікрорівні та властивості колагенових фібрил на нанорівні. Автори роботи використали її для дослідження фіброзного кільця міжхребцевого диска — зовнішньої частини структури, що оточує гідратоване ядро та забезпечує опору і стабільність хребта.

Аналіз окремих волокон

За допомогою фазово-контрастної томографії науковці створювали тривимірні зображення та автоматично виокремлювали колагенові волокна. Дані про їхню орієнтацію поєднували з результатами рентгенівського розсіювання, щоб розділити внесок окремих волокон у сигнал, отриманий уздовж променя.

Такий підхід дозволив визначати для кожного волокна середній D-період колагенових фібрил, варіації цього показника та діаметр фібрил. D-період — характерна молекулярна періодичність колагену, що становить приблизно 65–67 нанометрів. Зміни цих параметрів можуть відображати деформацію фібрил під навантаженням.

Для основного експерименту три неушкоджені міжхребцеві диски щурів досліджували до та після осьового стискання на 50 мікрометрів. Роздільна здатність томографічних зображень становила 5,5 мікрометра за розміру вокселя 1,6 мікрометра, тоді як розмір рентгенівського пучка для SAXS дорівнював 20 мікрометрам.

Перевірка методу та можливі застосування

Принцип роботи TomoSAXS спершу перевірили на висушених сухожиллях курячої лапки, які фіксували за різних рівнів розтягнення. У зразку з найбільшим розтягненням зафіксували збільшення D-періоду та його варіації. Оцінена деформація фібрил становила від 0,6% до 2,8%, а ефективний модуль фібрил був близько 0,2 гігапаскаля.

Також автори застосували цифрові моделі міжхребцевих дисків, щоб оцінити точність реконструкції параметрів. Кореляція між відновленими даними та заданими значеннями була статистично значущою, із коефіцієнтом детермінації від 0,641 до 0,894.

На відміну від методів томографії SAXS, що потребують обертання зразка навколо кількох осей, TomoSAXS використовує одну вісь обертання. За оцінкою авторів, це скорочує час сканування та рентгенівське навантаження, а також дозволяє досліджувати великі зразки. Метод можуть застосовувати для вивчення інших колагеновмісних тканин, зокрема артерій і хрящів, а також композитних матеріалів із волокнами.