КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2012, том 57, № 5, с. 782-790
Посвящается 100-летию открытия дифракции рентгеновских лучей
УДК 537.311.32+548.4
СОПОСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ РЕНТГЕНОВСКОЙ МИКРОТОМОГРАФИИ И ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА ПРИ ИЗУЧЕНИИ СТРУКТУРНОЙ
ОРГАНИЗАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ
© 2012 г. В. Е. Асадчиков1, Р. А. Сенин3, A. Е. Благов1, А. В. Бузмаков1,
В. И. Гулимова2, Д. А. Золотов 1, А. С. Орехов1, А. С. Осадчая1, К. М. Подурец3, С. В. Савельев2, А. Ю. Серегин1, Е. Ю. Терещенко1, М. В. Чукалина1, М. В. Ковальчук1, 3
1 Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: buzmakov@gmail.com 2 Научно-исследовательский институт морфологии человека РАМН, Москва 3 Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва Поступила в редакцию 27.04.2012 г.
Возможность локализации скоплений атомов тяжелых элементов обоснована путем сопоставления данных рентгеновской микротомографии на разных длинах волн, растровой электронной микроскопии и рентгеновского флуоресцентного анализа. Впервые проведены исследования проксимальных хвостовых позвонков хрящепалого геккона (Chondrodactylus turneri) как гистологическими методами, так и физическими, включая рентгеновскую микротомографию на разных длинах волн и элементный анализ. Предложенная комплексная методология исследования позволила выявить области скопления тяжелых элементов в названных костях хрящепалого геккона.
ВВЕДЕНИЕ
Во время различных заболеваний и при экстремальных нагрузках структура живых тканей подвергается частичным внутренним изменениям, которые не имеют внешних физиологических или анатомических проявлений. Исследование таких структурных изменений позволяет выявить причины, их вызывающие, что играет важную роль при постановке диагноза. Наиболее интересным объектом исследований является костная ткань. Одна из причин возникновения ее патологии, в частности, связана с длительным нахождением позвоночных в условиях микрогравитации (невесомости).
Дегенерация тканей в невесомости является серьезным препятствием на пути к продолжительному пребыванию человека в космосе и межпланетным перелетам, вызывая резкое уменьшение объема костей и мышц [1]. Отмечено, что пребывание в таких условиях приводит к декаль-цификации костной ткани. Однако при этом можно ожидать изменения концентрации и иных более тяжелых элементов. Другие ткани организма также могут обладать механочувствительно-стью и нуждаться в гравитации для сохранения нормального метаболизма. Таким образом, костная и мышечная ткани являются своего рода "сигнальными системами", демонстрируя наиболее ранний и очевидный ответ на влияние микрогравитации. При более длительном пребывании в невесомости могут проявиться другие серьезные изменения — например, в иммунной системе или
в регенеративной способности органов и тканей. Существует концепция о необходимости гравитационно-опосредованной механической нагрузки для сохранения здоровья живых организмов, которую можно проверить только при анализе последствий микрогравитации.
Исследования позвоночных животных в условиях микрогравитации проводятся с начала 1990-х гг. [2—6] по настоящее время [7—19]. Объектами исследований были амфибии, рептилии и млекопитающие как взрослые, так и на разных стадиях личиночного или эмбрионального развития (головастики шпорцевой лягушки Хепорш 1аву1з [3—6], а также эмбрионы крыс, развитие которых проходило на борту космического аппарата (КА) "Шаттл") [20—23]. На основании полученных данных высказано предположение, что степень деминерализации скелета в невесомости у разных животных при близкой или одинаковой продолжительности полета может быть различной в зависимости от морфологических и поведенческих адаптаций исследуемых животных к их среде обитания [24]. Так, различной оказалась реакция скелета на пребывание в невесомости у личинок амфибий и взрослых животных. У головастиков шпорцевых лягушек после 11.5 сут. в невесомости (КА "Биокосмос") был выявлен ряд отклонений в развитии скелета, не приводящих, однако, к деминерализации. В то же время у взрослых испанских тритонов (Pleurodeles м>аШи) результатом двухнедельных полетов на КА "Космос 1887", "Космос 2044", "Бион" и "Фотон" стала заметная
деминерализация костной и хрящевой ткани. Количество кальция, фосфора и серы у них уменьшалось на 7, 3 и 7% соответственно по сравнению с контролем [3].
Наравне с традиционными гистологическими исследованиями образцов возможно использование альтернативных методов исследования элементного состава костных тканей с использованием мощных синхротронных либо протонных источников [25—29]. Данные методы основаны на взаимодействии зондирующего излучения или потока частиц с атомами. При облучении атомов высокоэнергетичными рентгеновскими фотонами или электронами происходит возбуждение электронов внутренних оболочек этих атомов. Возбужденные электроны выбиваются со своих оболочек и на эти вакантные места перескакивают электроны с внешних оболочек. Высвободившаяся энергия выделяется в виде кванта рентгеновского диапазона или передается электрону из внешней оболочки (оже-электрон). По энергиям и количеству испущенных квантов (или электронов) судят о количественном и качественном составе анализируемого вещества. Однако при сканировании электронным пучком глубина проникновения электронов в исследуемый объект обычно не превышает 10 мкм, что позволяет получать информацию только с поверхности объекта, не позволяя заглянуть внутрь. Такие же ограничения накладываются и при детектировании вторичных электронов, поскольку их глубина выхода также не превышает нескольких микрометров. Оптическая схема эксперимента определяет пространственное разрешение выполняемых измерений. Для построения трехмерного распределения химических элементов был разработан метод рентгенофлуоресцентной томографии [30, 31]. Схема эксперимента предполагает регистрацию флуоресцентного излучения от образца с высоким пространственным разрешением. Для этого отдельные части образца засвечиваются микро-фокусированным пучком зондирующего излучения, а перед энергодисперсионным детектором располагается коллимирующий элемент (чаще всего поликапиллярная линза-концентратор), что позволяет получать сигнал не от всего образца, а только от малой его части. При изменении положения пучка и детектора проводится трехмерное сканирование всего исследуемого образца. В настоящее время такие исследования проводятся лишь на ограниченном количестве станций в современных синхротронных центрах [30, 31].
В настоящей работе проведены комплексные исследования влияния микрогравитации на структуру костной ткани с использованием как гистологии, так и рентгенофлуоресцентного анализа (РФА), растровой электронной микроскопии (РЭМ) и метода абсорбционной рентгеновской микротомографии.
ВОЗМОЖНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Проанализируем некоторые аспекты использования абсорбционной микротомографии для выделения областей, различающихся по химическому составу.
При использовании монохроматичного излучения микротомография позволяет получить информацию о трехмерной структуре линейного коэффициента поглощения на конкретной длине волны. Проводя томографические измерения на разных длинах волн, возможно локализовать области, в которых элементный состав отличается от состава в других областях.
Действительно, поглощение монохроматичного рентгеновского излучения 10 в однородном по составу и плотности образце описывается следующим образом:
I = 10 ехр(-|й) = 10 ехр(-п|ай),
где 10 — интенсивность падающего излучения, ^ — линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения, й — толщина исследуемого образца, ц а = 2г0Х/2 — фотоэлектронное сечение рас-1 2
сеяния, п = 1--Ыг0Х (/ + /2) — коэффициент
2п
преломления рентгеновского излучения, / = /1 + /2 — атомный фактор рассеяния, г0 — классический радиус электрона, X — длина волны исследуемого излучения, N — число рассеивающих частиц.
Или
Z\3/и (1)
Р
где /1 — эффективное число электронов, участвующих в рассеянии рентгеновского излучения.
Отметим, что в широком диапазоне энергий Е рентгеновского излучения энергетическая зависимость коэффициента поглощения в полосах между скачками поглощения может быть приблизительно аппроксимирована гладкой функцией
Z\3.
Р
В случае, если объем неоднороден, то линейный коэффициент поглощения равен сумме вкладов составляющих объема:
Ц = ХК = Хр'Р' ,
I :
где ц' — массовый коэффициент ослабления /-го элемента, р; — плотность /-го элемента.
Рассмотрим без ограничения общности модельный объект, состоящий из двух химических элементов.
Пусть плотности этих элементов в точках А и В
А В . ,
равны соответственно р;- и р;- , I = 1, 2.
Тогда поглощение в этих точках В =
А,В А,В А,В А,В
= Р1 +И2 Р2 .
Контраст поглощений между этими точками будет равен
А А , А
К = ^ = М-1Р1 + У2Р2 _ (2)
V В V1РВ + V 2р 2
Если элементы расположены равномерно по
объекту, т.е. если рА = рВ = р;-, то выражение (2) превращается в
А
К = V = М-1Р1 + V 2Р2 = 1_ (3)
VВ М-1Р1 + V 2Р2
Следует заметить, что это соотношение не зависит от длины волны падающего излучения. Таким образом, если элементный состав распределен по исследуемому образцу равномерно, то контраст в поглощении рентгеновского излучения будет постоянен.
Однако если соотношение плотностей химических элементов изменяется от точки к точке, то соотношение контрастов между этими точками при разных энергиях падающего излучения будет разное.
Пусть К1 и К2 — коэффициенты из соотношения (3) при измеряемых длинах волн и Х2 соответственно. Тогда принимая во внимание (1) и учитывая, что плотность вещества не зависит от длинны волны падающего излучения, получаем:
К1_ (и1Ра + И2Р2* )(^2Рв + ц 2Рв ) _
K2 (^Ipf + и2рВ X^lpf + И^Р2 )
,гу4 Л A , ry4 f2 Awгу4 Л В ry4 f2 В,
. (Z1 Zl,I1Pl + Z2 Zl,I1p2 ) (Z1 fl,X2Pi + Z2/1А2Р2 )
' try4 Л В , ry4 f2 Вw ry4 A A , ry4 f2 As '
(Z1 f1A 1P 1 + Z2f1 ,X1P2 ) (Z1 f1,I2P 1 + Z2f1 ,X2P2 )
(4)
где — атомный номер 1-го элемента, — реальная часть атомного фактора рассеяния у-го элемента на длине волны
Ввиду того, что значение атомного фактора рассея
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.