Spurenelemente kommen natürlicherweise in der Umwelt vor. Die Exposition des Menschen stammt aus einer Vielzahl von Quellen. Während einige Spurenelemente für die menschliche Gesundheit wichtig sind, sind andere giftig, wie etwa Blei (Pb), das zahlreiche Krankheiten verursacht.

Blei wird überwiegend im Skelett angereichert, wo 95 % der gesamten Pb-Fracht gespeichert werden. Die geschätzte Halbwertszeit von Pb im Knochen beträgt bis zu 20 Jahre.

Die Verwendung von Röntgenstrahlen oder Synchrotronstrahlung in Kombination mit einem konfokalen mikroskopischen Röntgenfluoreszenz-Aufbau (µ-XRF) bietet eine ideale Instrumentierung zur Bestimmung der Verteilung von Pb und anderen Spurenelementen wie Zink (Zn) oder Strontium (Sr) in Knochen und natürlich Kalzium (Ca), das etwa 20 Gewichtsprozent des Knochens ausmacht.

Knochenanalyse

© Atominstitut

(a) Rückstreuelektronen(BE)-Bild einer Scheibe einer menschlichen Patella. Gelenkknorpel (I), TM (II), kalzifizierter Knorpel (III), Suchondralknochen (IV) und Zementlinien (V) sind deutlich zu erkennen. (b) Elementkarten, die aus konfokaler Mikro-XRF bei HASYLAB BL-L erhalten wurden

Wie auf dem Bild zu sehen ist, ist die Pb-Verteilung nicht homogen. Es kommt zu einer spezifischen Anreicherung von Pb im sogenannten Wasserfleck, der Übergangszone zwischen verkalktem und nicht verkalktem Gelenkknorpel.

Knochenprobe

© Atominstitut

Niedrige (a) und hohe (b) Vergrößerung BE-Bilder einer Knochenprobe (c) farbige Scheibe der histologischen Untersuchung

Ein Ziel der mikroskopischen Analyse menschlicher Knochen ist es herauszufinden, wie sich die Verteilung der Spurenelemente sowie der Hauptelemente bei bestimmten degenerativen Knochenerkrankungen wie Arthrose (OA) und Osteoporose (OP) verändert. Darüber hinaus besteht die Hoffnung, mehr Einblick in die Rolle von Spurenelementen in Biomineralisierungsprozessen zu erhalten.

Die Messungen werden hauptsächlich an µ-XRF-Beamlines an Synchrotronanlagen in Hamburg (DESY) und Karlsruhe (ANKA) durchgeführt.

Der in unserem Labor installierte Tischaufbau, der derzeit in einer nicht-konfokalen Geometrie mit einer polykapillaren Fokussieroptik zwischen Röntgenröhre und Probe arbeitet, wird durch die Installation einer polykapillaren Halblinse vor dem Detektor auf eine konfokale Geometrie erweitert sehr bald.

Die Experimente mit menschlichen Knochenproben werden in Kooperation mit dem Ludwig Boltzmann Institut für Osteologie durchgeführt, das uns entsprechende Proben zur Verfügung stellt und die biomedizinische Expertise bei der Interpretation der Daten der mikroskopischen Analyse bietet.