Chemical Structure Effects on Bone Response to Mechanical Load

化学结构对骨骼对机械负荷反应的影响

基本信息

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): We will apply solid-state magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy (MAS-NMR) to measure changes in the chemical structure of bone tissue under mechanical load. MAS-NMR will allow us to examine ultrastructure contributions to bone quality that have, to date, been unobtainable using traditional imaging techniques or other biophysical techniques. The enabling advance is a special NMR cell that allows compressive loading and displacement measurements. High-resolution structural information will be correlated to strain of bone tissue from mature murine tibiae as the specimens are deformed under uniaxial compression. In Aim 1 we will assess distortion of the bone mineral lattice as changes in the mineral ion spacings and water mobility using a several different 1D and 2D solid-state NMR pulse sequences. We will also study load- induced changes in a series of synthesized carbonated apatites, which are model compounds for bone mineral to guide interpretation of our bone mineral results and to enable measurements with isotopically enriched nuclei, especially 43Ca. In these simplified model compounds we can accurately measure inter-ion distances, movement of mineral impurities, and reorganization of local symmetry and resolve uncertainties in the measurements of the more complex biomineral. In Aim 2 we will investigate the role of water in stabilizing both the mineral and matrix components via hydrogen bonding and enthalpic stabilization. Changes in collagen secondary structure will be measured through 13C resonances. We will use a unique protocol for controlled disordering of the collagen and mineral by partial and complete displacement of native matrix water with deuterium oxide, which forms weaker hydrogen bonds. NMR will probe water bridges and glycine-proline bonds, as well as mineral changes, with correlations to measured strain and applied load. In Aim 3 we will examine the loading response of mineral deformation, collagen conformation changes and hydrogen bonding in native and damaged bone tissue from mice of various ages in order to understand how age-related changes in the mineral and matrix compromise the mechanical competence of bone tissue. Controlled partial replacement of hydrogen ion with deuterium ion will be used to provide a range of collagen conformation changes. PUBLIC HEALTH RELEVANCE: Fragility fractures are a major health threat in aging populations and understanding the factors that contribute to bone failure is vitally important to the development of new interventional approaches. Through the development of methods for measuring NMR spectra of bone under compressive load, this project, for the first time, brings to this problem the power of solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy to understand the changes in bone structure when subjected to mechanical loading.
描述(由申请人提供):我们将应用固态魔法旋转核磁共振光谱(MAS-NMR)来测量机械负载下骨组织化学结构的变化。 MAS-NMR将使我们能够检查对迄今为止使用传统成像技术或其他生物物理技术无法实现的骨质质量的超微结构贡献。启示是一个特殊的NMR单元,可允许压缩负载和位移测量。高分辨率的结构信息将与成熟鼠胫骨的骨组织应变有关,因为样品在单轴压缩下变形。在AIM 1中,我们将使用几个不同的1D和2D固态NMR脉冲序列来评估骨矿物晶格的失真和水的变化。我们还将研究一系列合成的碳酸磷灰岩的负载诱导的变化,它们是骨矿物质的模型化合物,以指导我们的骨矿物矿物结果的解释,并可以使用同位素富集的核(尤其是43CA)进行测量。在这些简化的模型化合物中,我们可以准确测量离子间距离,矿物质杂质的运动以及对局部对称性的重组,并在更复杂的生物矿物质的测量中解决不确定性。在AIM 2中,我们将研究水通过氢键和焓稳定稳定矿物和基质成分的作用。胶原蛋白二级结构的变化将通过13C共振来测量。我们将使用独特的方案来通过与氧化氘的部分和完全位移来控制胶原蛋白和矿物质的无序无序,并完全位移,形成较弱的氢键。 NMR将探测水桥和甘氨酸 - 丁香键,以及矿物质变化,与测量应变和施加载荷相关。在AIM 3中,我们将检查矿物质变形,胶原蛋白构象的变化以及来自各个年龄小鼠的天然和受损骨组织中的氢键,以了解矿物质和基质的年龄相关变化如何损害骨组织的机械能力。用氘离子将​​氢离子的部分置换将用于提供一系列胶原蛋白构象变化。 公共卫生相关性:脆弱性骨折是人口老龄化的主要健康威胁,了解导致骨骼衰竭的因素对新介入方法的发展至关重要。通过开发用于测量压缩负荷下骨骼的NMR光谱的方法,该项目首次引起了该问题,使固态核磁共振光谱的功能使人了解骨骼结构的变化,并承受机械负载。

项目成果

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