Botten maken is minder moeilijk dan gedacht Controverse na tien jaar beslecht met publicatie in Nature Communications

De manier waarop botvorming plaatsvindt, moet worden herschreven. Dat blijkt uit een publicatie van onderzoekers van het Radboudumc en collega’s in Nature Communications. Voor botvorming zijn helemaal geen complexe biomoleculen in collageen nodig. Het maken van botvervangers en biomaterialen wordt hierdoor minder moeilijk dan gedacht.

Botten zijn onmisbaar. Ze vormen het steigermateriaal voor onze spieren, waardoor we kunnen bewegen. Ze beschermen kwetsbare organen zoals hersenen en longen, en ze huisvesten stamcellen die ons bloed en afweersysteem produceren. Zonder botten geen mensen. Terwijl botten ogenschijnlijk heel eenvoudige dingen zijn, die voornamelijk bestaan uit een mix van collageen en calciumfosfaat.

Regisserende biomoleculen?

Tien jaar geleden publiceerde Nico Sommerdijk een artikel in Nature Materials waarin hij met collega’s aantoonde dat er eigenlijk niets meer nodig is dan dat collageen (lange strengen bindweefsel) en die piepkleine kristalletjes calciumfosfaat. “Hoe die kristallen in dat collageen precies uitgroeien tot kleine plaatjes en zich daar dakpansgewijs groeperen, daar was niets over bekend”, zegt Sommerdijk, biochemisch onderzoeker in het Radboudumc. “Het algemeen aanvaarde idee was, dat bioactieve moleculen van dat collageen de kristallen aan elkaar rijgen tot plaatjes van 3 nanometer dik, 20 nanometer breed en 65 nanometer lang. Een nanometer is een miljardste deel van een meter.”

Op zo’n piepkleine schaal waren die processen tien jaar geleden niet in beeld brengen. Maar Sommerdijk twijfelde al snel aan het idee dat door ‘het veld’ werd omarmd. Sommerdijk: “Toen we het calciumfosfaat vervingen door andere mineralen ontstonden dezelfde minuscule plaatjes. Bioactieve moleculen zijn heel selectief, waardoor we onmiddellijk twijfelden aan dat overheersende idee.” Wat volgt is een wetenschappelijke sisyfusarbeid tegen de gevestigde orde, die hij nu na tien jaar in zijn voordeel beslist met een publicatie in Nature Communications.

Tegen de stroom in

Het eerste wat Sommerdijk onderuithaalt is de stapeling van de uitgekristalliseerde plaatjes ‘als speelkaarten in een doosje’. Door met een elektronenmicroscoop onder verschillende hoeken ongeveer honderd tweedimensionale (2D) opnames van bot te maken creëert hij driedimensionale beelden (3D), die iets anders laten zien. De plaatjes liggen weliswaar allemaal in de lengterichting van het collageen, maar zeker niet als netjes gestapelde speelkaarten tegen elkaar. Er zijn steeds opnieuw plaatjes te zien, die onder verschillende hoeken tegen elkaar aan liggen.

Organisatie van mineraal kristalletjes in bot. A) het oude model met alle kristallen als “speelkaarten in een doosje”, B & C) Elektronen microscoop opnames van de botkristallen in het collageen met B) in de lengte richting en C) in de dwars richting, D) het nieuw model met de kristallen alleen in de lengte richting uitgelijnd.

Samen met de expert die in 2006 voor het eerst de structuur van collageen heeft gepubliceerd en een specialist die kristallisatie in kleine ruimtes bestudeert, wordt de functie van het collageen minutieus onderzocht. Collageen blijkt dunne holtes in de lengterichting te hebben, waarin calciumfosfaat binnenkomt dat gaat kristalliseren. “Dat gebeurt niet onder begeleiding van bioactieve moleculen in het collageen, maar is een blind proces dat wordt gedomineerd door de wetten van de fysische chemie”, zegt Sommerdijk. “Calciumfosfaat dat in de lengterichting kristalliseert heeft, juist door die dunne collageenholtes, een selectievoordeel. Daardoor ontstaan er aanvankelijk alleen maar hele dunne naaldjes in zo’n holte. Vervolgens groeit de naald uit tot een klein plaatje calciumfosfaat, dat het omliggende collageen wegduwt.”

De basis van botvorming

In een mens kan het proces van botgroei niet op de voet worden gevolgd. Sommerdijk, die in het Radboudumc nauw samenwerkt met celbioloog Anat Akiva, gebruikte een model waarin botgroei buiten een organisme is na te bootsen. Daar ziet hij het proces stap voor stap gebeuren. En het eindresultaat is vergelijkbaar met wat hij aantreft in menselijk botmateriaal dat na een operatie soms beschikbaar komt. “Stap voor stap hebben we zo een nieuwe onderbouwing gegeven van de manier waarop ons bot wordt gevormd, hoe het groeit en uithardt.”

Het fundamentele onderzoek heeft ook consequenties voor de praktijk, stelt Akiva. “Als de groei van kristallen niet hoeft plaats te vinden in een matrix met hele complexe en dure biomoleculen, maar het ook gewoon kan in kanaaltjes van goedkoop polymeer, dan wordt het maken van biomaterialen en botvervangers al een heel stuk eenvoudiger. Zonder dat we hoeven in te boeten op de eigenschappen van deze materialen. Dat maakt onze bevinding ook belangrijk voor de patiënt.”

ERC Advanced Grant

Met het artikel in Nature Communications moet het beeld over de botvorming definitief kantelen. Maar daarmee is nog niet alles over het proces van botvorming gezegd, stelt Sommerdijk: “Bot wordt niet alleen binnen, maar ook buiten het collageen gevormd. Daar lijken diverse eiwitten wel een rol te spelen.” Met een ERC advanced grant van 3,5 miljoen euro die hij eerder ontving, probeert hij daar nu ook meer inzicht in te krijgen.

­­­­­­­­­­­­

Publicatie in Nature Communications: Intermolecular Channels Direct Crystal Orientation in Mineralized Collagen - YiFei Xu, Fabio Nudelman, E. Deniz Eren, Maarten J. M. Wirix, Bram Cantaert, Wouter H. Nijhuis, Daniel Hermida-Merino, Giuseppe Portale, Paul H. H. Bomans, Christian Ottmann, Heiner Friedrich, Wim Bras, Anat Akiva, Joseph P. R. O. Orgel Fiona C. Meldrum, Nico A. J. M. Sommerdijk

• Meer weten over deze onderwerpen? Klik dan via onderstaande buttons door naar meer nieuws.

  Nieuws homepage Patientenzorg en Nieuws en verhalen