Nanostructure of bone in healthy and tumorous tissue

Abstract

Im Laufe der letzten Jahrzehnte haben sich die Gesundheitsstandards und die Lebenserwartung unserer Gesellschaft rasant weiterentwickelt und verbessert. Dadurch erweiterten sich auch die Forschungsbereiche im Sektor der Krebsforschung und es ist nun möglich, Erkrankungen, wie Knochenkrebs, mittels neuartiger Entwicklungen zu untersuchen. Im Zuge dessen, wird es immer wichtiger alle Aspekte und Mechanismen solcher Erkrankungen zu untersuchen und zu verstehen. Obwohl viele Merkmale des Osteosarkoms bereits bekannt sind, gibt es immer noch Eigenschaften die nicht völlig geklärt sind. Bis heute ist es nicht völlig klar, welchen Einfluss diese Art von Krebs auf die Nanostruktur von Knochen hat. Ziel dieser Masterarbeit war es, zu versuchen, diese Fragestellung zu klären. Dies wurde erreicht unter der Verwendung der Methode der Kleinwinkelstreuung (SAXS) und der bildgebenden Elektronenrückstreuung (BEI). Im Zuge dieser Masterarbeit wurden gesunde und vermutete tumoröse Knochenbereiche untersucht. Mittels SAXS war es möglich die Nanostruktur des Kochens zu untersuchen. Im Detail erhält man dadurch Information über die Dicke der Mineralplättchen und die Orientierung der Kollagen Fibrille. Zusätzlich wurden die Proben auch im SEM untersucht. Diese Methode sollte dazu dienen, die Tumorbereiche mittels der Bestimmung der Mineraldichte zu charakterisieren und dadurch die SAXS Ergebnisse zu ergänzen. Dies ist grundsätzlich möglich, da die Mineraldichte im Knochen in Bereichen des Osteosarkoms reduziert ist. In dieser Masterarbeit wurden folgende Resultate, basierend auf den angewendeten Methoden, im Detail diskutiert und präsentiert: • Die Unterschiede der Dicke der Mineralplättchen in gesundem und tumorösen Knochengewebe • Die Änderung des Grades der Orientierung der Kollagen Fibrille • Die Bestimmung der Knochendichte der unterschiedlichen Proben

Over the last centuries, the standard of health of our society has improved immensely. Consequently, also the field of research in cancer expanded by the ability of using new techniques to investigate diseases like, for instance, bone cancer. Through that, it is more important than ever to investigate all aspects of these malignant mechanisms. Although the mechanisms of osteosarcomas are known to a high extent, some malfunctions have not been fully explored yet. Up to now, it is still not clear, whether and to what extent this sort of cancer has an influence on the nanostructure of bone. The aim of this thesis was to respond to this question. This was accomplished by the method of small angle x-ray scattering (SAXS), and the method of backscattered electron imaging (BEI). In the course of this thesis, healthy and assumed to be tumorous bone tissue samples were examined. Through the method of SAXS it was possible to investigate the nanostructure of bone, to be more precise, it provides insights into the thickness of the mineral platelets and the orientation of the mineral/collagen composite. In addition to that, the samples were also probed in the scanning electron microscope SEM. This method should complement the SAXS results of the tumorous bone tissue parts by analyzing the bone mineral density, which is assumed to be decreased in osteosarcomas. In this thesis, the following results based on the applied methods are discussed in detail: • The differences in the thickness of the mineral platelets in healthy and tumorous bone tissue • The changes in the degree of orientation of the collagen fibrils when suffering from osteosarcoma • The determination of the bone mineral density in the different samples