Localization of trace elements in bone tissue using synchrotron radiation induced micro-XRF in combination with quantitative backscattered electron imaging

Abstract

Die Verwendung von Synchrotronstrahlung induzierter mikro-Röntgenfuoreszenanalyse (SR-micro-XRF) stellte sich als eine Methode heraus, die hervorragend zur ortsaufgelösten, zerstörungsfreien Multielement-Untersuchung von Knochen und Gelenksknorpel geeignet ist.<br />Ergänzend kann quantitative Rückstreuelektronenmikroskopie (qBEI) genaue Informationen über den Grad der Mineralisierung liefern und ermöglicht es zwischen verschiedenen histologischen Regionen zu unterscheiden.<br />In Rahmen dieser Arbeit wurden mikro-XRF und qBEI kombiniert, um die Verteilung der Spurenelemente Blei (Pb), Zink (Zn) und Strontium (Sr) in Knochen und Gelenkknorpel zu charakterisieren. Diese Kombination erlaubt es die verschiedenen histologischen Regionen (ausgewählt anhand des qBEI Bildes) den Fluoreszenzmaps zuzuordnen. So können zum ersten Mal die 2-dimensionale Verteilung von Spurenelementen sowie die relativen Konzentrationen in Knochen und Knorpel untersucht werden. In 6 Hüftköpfen und 3 Kniescheiben wurden die Tidemarks untersucht (die TM ist die Grenzfläche zwischen mineralisiertem und nicht mineralisiertem Gelenksknorpel). Eine Verdoppelung der TM steht vermutlich in Zusammenhang mit äußeren mechanischen Reizen. Sowohl doppelte als auch einzelne TMs wurden auf die Spurenelementverteilung hin untersucht. Um weiters die Verteilung im Knochen zu erforschen wurden 5 frakturierte Oberschenkelhälse von osteoporotischen postmenopausalen Frauen, sowie 5 unfrakturierte Oberschenkelhälse von einer Kontrollgruppe gemessen. Zusätzlich wurde die Spurenelementverteilung in einem mit Cisplatin behandelten, sklerosierenden Osteosarcom (Knochentumor) ermittelt. In Regionen mit doppelten TMs erwiesen sich die Zn-Konzentrationen beiden TMs annähernd gleich. Die Analyse der relativen Pb-Konzentrationen in doppelten TMs zeigte durchschnittlich eine 2.6-fache Erhöhung des Pb Gehaltes in der inneren TM verglichen mit der äußeren. Das Pb Verhältnis zwischen den TMs schwankte stark.<br />Relativ zu den Elementkonzentrationen im darunterliegenden Knochengewebe zeigten die TMs drastisch erhöhte Zn und der Pb Anreicherungen (bis zu 58-fach für Pb und bis zu 7-fach für Zn). Einfache TMs wiesen Konzentrationen vergleichbar mit der inneren TM von doppel-TM Regionen auf.<br />In den Oberschenkelhalsproben konnte kein Unterschied in der Elementverteilung zwischen osteoporotischem Knochen und den nichtfrakturierten Proben der Kontrollgruppe festgestellt werden. In nahezu allen Proben zeigen die Zementlinien (Grenzflächen zwischen 2 Knochenpaketen) signifikant erhöhte Zn und Pb Werte, verglichen mit den Knochenpaketen. Es ist auffällig, dass Knochenränder und Ränder von Osteonen oft hohe Zn Konzentrationen aufwiesen. Weiters konnte bei der Untersuchung der Spurenelementkonzentration bezüglich des Ca-Gehaltes ein überproportional starker Anstieg von Pb und Sr in den Knochenpaketen beobachtet werden. Das sklerosierende Osteosarcom zeigte eine 13-fach erhöhte Zn Konzentration bezogen auf das umliegende gesunde Knochengewebe. Es wurde kein Platin in dieser Probe gefunden.<br />

Synchrotron radiation induced micro X-ray fluorescence analysis (SR-micro-XRF) is a suitable method for spatial resolved, non-destructive, multi-element examination of bone and articular cartilage. Quantitative backscatter electron imaging (qBEI) accounts for information of the degree of mineralization and allows distinguishing between histological regions. In this thesis micro-XRF and qBEI were used for a combined data evaluation of the trace elements lead (Pb), zinc (Zn) and strontium (Sr) in bone and articular cartilage. This combination allows allocating the histological regions (labelled in the qBEI image) to elemental fluorescence maps. Hence, for the first time, the spatial distribution and the relative concentrations of trace elements in bone and cartilage were evaluated.<br />In 3 patellae and 6 hip heads the tidemarks (the TM is the interface between mineralized and non-mineralized articular cartilage) were analyzed. Double TMs (TM duplication is assumed to be a response to micro damage) as well as single TMs were measured. From 5 femoral necks of osteoporotic postmenopausal women with hip fractures, as well as from 5 age-matched controls without a history of bone disease, information of the elemental distribution was gained. Furthermore, the evaluation of the elemental distribution of a cisplatin treated, sclerosing osteosarcoma was performed.<br />The analysis of the double TMs showed that the Zn concentration is nearly equal in both TMs. Contrarily, the evaluation of Pb intensities in double TMs revealed in average a 2.6 fold higher level in the inner TM compared to the outer TM, whereby the Pb in the outer TM showed a high variation with respect to the inner TM. Compared to the bone level, the Pb and Zn contents are drastically increased (up to the 58 fold for Pb and 7 fold for Zn). Single TMs show an elemental distribution comparable to the inner tidemark of double tidemark samples.<br />In the femoral neck samples no alterations in the distributions of Sr, Pb and Zn were found for osteoporotic bone compared to non-fractured controls. The cementlines (interfaces between two bone packets) show a significantly raised content of Zn and Pb in nearly all samples. The bone borders and osteons borders are also often enhanced in Zn.<br />A disproportionate increase of Pb and Sr with respect to the bone packet concentration is observed.<br />The sclerosing osteosarcoma showed a 13 fold raised Zn concentration compared to the adjacent healthy bone tissue. No Platinum was found in this sample.<br />