라만 분광법을 사용하여 뼈 구성 살펴 보기

 무덤에서 부활하여 지구를 돌아다니며 할로윈마다 우리를 괴롭히는 유령뿐만 아니라, 골격은 단단하고 신진대사가 활발한 뼈 조직으로 이루어져 있으며 우리 몸이 잘 자라도록 돕는 몇 가지 주요 기능을 수행합니다. 여기에는 우리 몸의 형태를 유지하고 지지하며, 역동적인 운동 범위를 가능하게 하고, 중요한 장기를 손상으로부터 보호하며, 혈액 세포를 생성하고, 주요 영양소를 저장하는 기능이 포함됩니다.

뼈 조직은 주로 콜라겐과 칼슘 하이드 록시 아파타이트 결정으로 구성된 세포 외 기질에 내장된 세포로 구성됩니다. 뼈에 강도를 부여하는 것은 바로 이러한 매트릭스의 유기 및 미네랄 성분입니다. 매우 정교하고 세련됨에도 불구하고 우리의 으스스하고 초자연적인 골격에 공감할 만한 이유가 있을 수 있습니다. 뼈 조직은 골다공증과 골관절염을 포함하여 (노후) 삶의 질을 크게 떨어뜨릴 수 있는 다양한 질병에 취약합니다. 이러한 질환은 뼈의 구성과 구조를 탐구함으로써 이해할 수 있는 뼈의 기계적 특성에 변화를 일으킵니다.

라만 분광법은 최소한의 샘플 준비로 고정된 신선한 표본에 적용할 수 있고, 비파괴 화학 분석이 가능하며, 단일 스펙트럼에서 풍부한 정보를 제공하기 때문에 뼈와 같은 생물학적 조직을 연구하는 데 훌륭한 기술입니다.1-3 이 블로그 게시물에서는 Edinburgh Instruments RM5 라만 현미경을 사용하여 다양한 유형의 뼈 샘플을 살펴봅니다(그림 1).

Figure 1. RM5 Raman Microscope.

첫 번째 분석 샘플은 유리 슬라이드에 고정된 소형 뼈 조직 세그먼트로 구성되었습니다. 조밀한 뼈는 굽힘과 압축을 견딜 수 있도록 매우 강하고 밀도가 높습니다. 대퇴골과 경골과 같은 긴 뼈의 축에서 발견됩니다. 이 슬라이드는 압축 뼈의 횡단면과 종단면을 보여주기 위해 특별히 준비되었습니다(그림 2A 및 2B). 532nm 레이저로 여기된 뼈의 횡단면 스펙트럼은 그림 2C에 나와 있습니다. 모든 생물학적 샘플과 마찬가지로 조직은 지문 영역 내에 탄수화물, DNA, 지질 및 단백질을 나타내는 400cm-1에서 1800cm-1 사이의 여러 진단 밴드를 포함합니다. 또한 뼈 미네랄의 탄산염 및 인산염 음이온과 관련된 밴드가 지문 영역에서 관찰됩니다. 그러나 샘플이 세포를 보여주기 위해 특별히 준비되었기 때문에 처리되지 않은 뼈보다 미네랄화 정도가 낮기 때문에 그 강도는 낮습니다.

The high-wavenumber region of the Raman spectrum, Figure 2D and 2E, between 2700 cm-1 and 3500 cm-1 has bands indicative of C-H, N-H, and O-H stretching modes of biological species such as DNA, lipids, and proteins.4

Figure 2. Raman spectroscopic analysis of fixed compact bone tissue.

완전히 광물화된 뼈와 비교하기 위해 선택한 두 번째 종류의 샘플은 치료하지 않은 치아였습니다. 이 실험에서 치아 뿌리의 라만 스펙트럼은 그림 3에서 관찰할 수 있는 532nm 여기 아래에서 수집되었습니다. 처리되지 않은 조직과 광물화된 조직의 라만 스펙트럼은 이전과 마찬가지로 크게 지문, 세포 침묵, 고파수 영역으로 분류할 수 있습니다. 그림 3B에서 탄산염과 인산염과 같은 미네랄 성분을 암시하는 밴드가 이전에 분석된 고정된 소형 뼈 조직의 밴드보다 훨씬 더 강렬하다는 것을 알 수 있습니다. 이는 치아와 뼈의 미네랄 성분에서 발견되는 인산염 그룹에 할당할 수 있는 960cm-1의 가장 강렬한 밴드가 가장 잘 보여줍니다.

Figure 3. Raman spectroscopic analysis of an untreated tooth sample.

For more information on Raman spectroscopy, please visit our learning centre or check out our application notes.

 

Keep in Touch

If you have enjoyed this article, be sure to sign up to our eNewsletter or follow us on social media using the links below.

References

• Unal et al., Compositional Assessment of Bone by Raman Spectroscopy, Analyst, 2021, 146, 7444-7470, DOI: 10.1039/D1AN01560E.
• G. Kerns et al., Evidence from Raman Spectroscopy of a Putative Link Between Inherent Bone Matrix Chemistry and Degenerative Joint Disease, Arthritis Rheumatol., 2014, 66, 1237-1246, DOI: 10.1002/art.38360.
• Buchwald et al., Identifying Compositional and Structural Changes in Spongy and Subchondral Bone from the Hip Joints of Patients with Osteoarthritis Using Raman Spectroscopy, J. Biomed. Opt., 2012, 17, 017007, DOI: 10.1117/1.JBO.27.9.095003.
• Gaba et al., Raman Spectroscopy in Prostate Cancer: Techniques, Applications and Advancements, Cancers, 2022, 14, 1535, DOI: 10.3390/cancers14061535.