Knochenverlust kann früher nachweisbar sein, NASA

Wissenschaftler der NASA und der Arizona State University (ASU) in den USA haben eine neue Methode zur Erkennung von Knochenschwund entwickelt, die sicherer und früher diagnostizierbar ist als aktuelle Methoden, die auf Röntgenstrahlen beruhen. Sie schreiben über ihre Arbeit in einer Studie, die in veröffentlicht werden soll PNAS diese Woche.
Osteoporose, bei der der Knochenverlust dazu führt, dass Knochen schwächer werden, bedroht mehr als die Hälfte der über 50-Jährigen in den USA. Knochenschwund tritt auch im fortgeschrittenen Stadium einiger Krebsarten auf.
Senior Autor Ariel Anbar ist Professor an der Abteilung für Chemie und Biochemie der ASU und an der School of Earth and Space Exploration. Er sagte der Presse:
"Zu dem Zeitpunkt, zu dem diese Veränderungen durch Röntgenstrahlen entdeckt werden können, ist bereits ein signifikanter Schaden aufgetreten, da die Knochendichte abnimmt."
"Außerdem sind Röntgenstrahlen nicht ungefährlich. Wir denken, dass es einen besseren Weg geben könnte", fügte er hinzu.
Die NASA interessiert sich für diese Art von Forschung, weil Astronauten in Schwerelosigkeit auch Knochenschwund erfahren.
Die neue Methode, die Anbar und seine Kollegen entwickelt haben, basiert auf dem Nachweis winziger Veränderungen von Calciumisotopen, die natürlicherweise im Urin vorhanden sind.
Die Patienten brauchen keine künstlichen Tracer einzunehmen und sind nicht der Strahlung ausgesetzt, so dass es praktisch kein Risiko gibt, sagen die Forscher.
Die neue Technik beruht auf der Tatsache, dass verschiedene Isotope von Calcium in leicht unterschiedlichen Raten reagieren. Wenn sich Knochen bilden, gelangen die leichteren Isotope etwas schneller in den neuen Knochen als die schwereren, ein Unterschied, der als "Isotopenfraktionierung" bezeichnet wird.
Knochen ist kein "totes", inertes Material, sondern lebendes Gewebe, das sich ständig formiert und zerstört. Bei gesunden, aktiven Menschen sind diese Prozesse ausgeglichen, aber eine Krankheit kann dieses Gleichgewicht stören und eine Verschiebung der Isotopenverhältnisse verursachen.
Der korrespondierende Autor Joseph Skulan, ein außerordentlicher Professor an der ASU, kombinierte alle Faktoren, die dieses Gleichgewicht beeinflussen, in ein mathematisches Modell, das vorhersagte, dass die Calciumisotopenverhältnisse in Blut und Urin sehr empfindlich auf das Knochenmineralgleichgewicht reagieren sollten.
Der vorhergesagte Effekt ist so gering, dass er mit sensitiven Massenspektrometrie-Methoden gemessen werden muss, die speziell an der ASU entwickelt wurden.

Für die von der NASA finanzierte Studie testeten die Forscher Urinproben von einem Dutzend gesunder Freiwilliger, die für 30 Tage auf "Bettruhe" beschränkt waren.
Wenn sich eine Person über einen längeren Zeitraum hinlegt, erfahren ihre tragenden Knochen, wie die an den Beinen und der Wirbelsäule, "skelettartiges Entladen" als Folge ihres Belastungsverlustes.
Während des skelettalen Entladens beginnen sich die Knochen zu verschlechtern, da das Gleichgewicht zwischen der Knochenbildung und der Knochenzerstörung mehr in Richtung Zerstörung führt. Längere Bettruhezeiten führen zu Knochenschwund ähnlich dem bei Patienten mit Osteoporose und Astronauten.
Bei der Analyse der Urinproben fanden die Forscher heraus, dass die neue Technik schon nach einer Woche Bettruhe die ersten Zeichen eines Knochenschwundes erkennen kann, lange bevor Veränderungen der Knochendichte mit der herkömmlichen Methode der Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie nachgewiesen werden können (DEXA).
Ein weiteres wichtiges Merkmal der neuen Technik ist, dass es neben DEXA die einzige Methode ist, die den Netto-Knochenverlust direkt misst.
Erstautorin Jennifer Morgan, deren Doktorarbeit an der ASU sich auf die Entwicklung der Massenspektrometrie-Methode konzentrierte, sagte:
"Was wir wirklich wissen wollen ist, ob die Menge an Knochen im Körper zu- oder abnimmt."

Das Team arbeitet nun an einer Möglichkeit, die Technik in Proben von Krebspatienten zu evaluieren.
Anbar sagte ihre Studie ist ein "Proof of Concept", und ihre Arbeit in PNAS "Das Konzept funktioniert bei gesunden Menschen in einem genau definierten Experiment wie erwartet. Der nächste Schritt ist zu sehen, ob es bei Patienten mit knochenverändernden Erkrankungen wie erwartet funktioniert."
"Das würde die Tür für klinische Anwendungen öffnen", fügte er hinzu.
Die Forscher merken an, dass die Technik auf viele andere Krankheiten angewendet werden kann, die subtile Veränderungen in der Isotopenbalance oder in der Konzentration von Elementen verursachen.
Diese Arten von Signaturen wurden noch nicht systematisch als potenzielle Biosignaturen zum Nachweis von Krebs und anderen Krankheiten untersucht, sagten sie.
Das "Konzept der anorganischen Signaturen" verspricht eine "völlig neue Generation von Diagnostika für Krebs und andere Krankheiten", sagt Anna Barker, ehemalige stellvertretende Direktorin des National Cancer Institute, heute Direktorin von Transformative Healthcare Networks und Co-Direktorin der Initiative für komplexe adaptive Systeme im Büro für Wissensunternehmensentwicklung an der ASU.
Geschrieben von Catharine Paddock

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