Het blijkt een stuk eenvoudiger te zijn dan werd aangenomen. En dat is heel goed nieuws!

Onze botten zijn onmisbaar in ons lichaam. Ze vormen het steigermateriaal voor spieren waardoor we ons kunnen bewegen en beschermen kwetsbare organen zoals onze hersenen en longen. Bovendien huisvesten ze stamcellen die ons bloed en afweersysteem produceren. Onderzoekers hebben nu in een nieuwe studie aangetoond dat de manier waarop botten zich vormen heel anders plaatsvindt dan gedacht. En dat is hoopvol nieuws voor de toekomst.

Complexe biomoleculen
Botten bestaan voornamelijk uit een mix van collageen (lange strengen bindweefsel) en piepkleine kristalletjes calciumfosfaat. “Over hoe die kristallen in dat collageen precies uitgroeien tot kleine plaatjes en zich daar dakpansgewijs groeperen, was niets bekend,” zegt Nico 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.”


Twijfel
Lang dacht men dat er voor de vorming van botten dus complexe biomoleculen in collageen nodig zijn. Maar Sommerdijk twijfelde daaraan. “Toen we het calciumfosfaat vervingen door andere mineralen, ontstonden dezelfde minuscule plaatjes,” vertelt hij. “Bioactieve moleculen zijn heel selectief, waardoor we onmiddellijk twijfelden aan dat overheersende idee.” Op zo’n piepkleine schaal waren de processen ongeveer een decennium geleden echter niet goed in beeld te brengen. Maar ondertussen is dat anders. De onderzoeker besloot een studie op touw te zetten tegen de gevestigde orde in. En dat beslist nu, tien jaar later, in zijn voordeel.

Het proces van hoe botten groeien kan niet op de voet worden gevolgd. Sommerdijk gebruikte dan ook een model om de botgroei buiten een organisme na te bootsen, dat stap voor stap het proces bloot geeft. Het model blijkt erg accuraat. Want het eindresultaat is vergelijkbaar met wat aangetroffen wordt in menselijk botmateriaal dat na een operatie soms beschikbaar komt. Stap voor stap hebben de onderzoekers zo een nieuwe onderbouwing gegeven van de manier waarop ons bot wordt gevormd, hoe het groeit en uithardt..

Gestapelde speelkaarten
Het eerste wat Sommerdijk onderuithaalt is de stapeling van de uitgekristalliseerde plaatjes ‘als speelkaarten in een doosje’. De onderzoeker maakte met behulp van een elektronenmicroscoop onder verschillende hoeken ongeveer honderd tweedimensionale opnames van bot. Dit zette hij vervolgens om in driedimensionale beelden. En dat leidt tot een interessante conclusie. 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. Afbeelding: Radboudumc

Vervolgens nam de onderzoeker de functie van het collageen onder de loep. 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,” vertelt Sommerdijk. “Het is een blind proces dat wordt gedomineerd door de wetten van de fysische chemie. Calciumfosfaat dat in de lengterichting kristalliseert, heeft – juist door die dunne collageenholtes – een selectievoordeel. Daardoor ontstaan er in zo’n holte aanvankelijk alleen maar hele dunne naaldjes. Vervolgens groeit de naald uit tot een klein plaatje calciumfosfaat, dat het omliggende collageen wegduwt.”


Botvervangers en biomaterialen
De studie toont aan dat de manier waarop botvorming plaatsvindt, moet worden herschreven. Want uit de bevindingen blijkt dat er dus helemaal geen complexe biomoleculen in collageen nodig zijn. Deze ontdekking heeft bovendien ook consequenties voor de praktijk. Want het maken van botvervangers en biomaterialen wordt hierdoor een stuk eenvoudiger dan gedacht. “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,” stelt celbioloog Anat Akiva. “We hoeven niet in te boeten op de eigenschappen van deze materialen. En dat maakt onze bevinding ook belangrijk voor de patiënt.”

De resultaten, gepubliceerd in het prestigieuze blad Nature Communications, veranderen ons beeld over hoe botten worden gevormd. Maar daarmee zijn nog niet alle geheimen omtrent botvorming prijsgegeven. “Bot wordt niet alleen binnen, maar ook buiten het collageen gevormd,” zegt Sommerdijk. “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.

Het lijkt erop…

…dat we ook in de huidige tijd nog steeds op verrassingen in ons eigen lichaam stuiten. Vorig jaar ontdekten onderzoekers bijvoorbeeld nog een compleet nieuw bloedvatsysteem dat zich in de botten bevindt. Het systeem bestaat uit een enorm uitgebreid netwerk van haarvaten dat het beenmerg verbindt met het goed doorbloede beenvlies. Lees er hier meer over!