El artículo “Spherulitic Cristal Growth Drives Mineral Deposition Patterns In Collagen-Based Materials” publicado en la prestigiosa revista Advanced Functional Materials por la investigadora Elena Macías Sánchez, del departamento de Estratigrafía y Paleontología de la UGR, ha recibido el premio “Outstanding Papers Awards 2022” de la Sociedad Europea de Microscopía en la modalidad de Ciencias de la Vida.

Una investigación sobre la mineralización de los huesos ha recibido el premio al mejor trabajo del año de la Sociedad Europea de Microscopía. El estudio, llevado a cabo en el instituto Max Planck of Colloids and Interfaces (Alemania), forma parte de la experiencia postdoctoral de la autora.

El premio “Outstanding Paper Awards 2022” en la categoría de Ciencias de la Vida ha sido para el paper “Spherulitic Cristal Growth Drives Mineral Deposition Patterns In Collagen-Based Materials” publicado en la prestigiosa revista Advanced Functional Materials, liderado por la investigadora Elena Macías Sánchez, que actualmente forma parte del departamento de Estratigrafía y Paleontología de la UGR. La Sociedad Europea de Microscopía concede cada año estos galardones a las publicaciones científicas más destacadas en el ámbito de la Microscopía.

Combinando una variedad de técnicas avanzadas de microscopía electrónica de forma correlativa, el artículo premiado aporta una caracterización química y nanoestructural de las primeras etapas de la mineralización ósea. Realizado con una resolución sin precedentes, el estudio permite comprender cómo progresa la mineralización a través de la matriz extracelular de fibrillas de colágeno que forman nuestros huesos.

Mineralización biológicamente controlada

La biomineralización estudia cómo los organismos controlan el proceso de cristalización inorgánica mediante el uso de moléculas orgánicas. La mineralización de matrices orgánicas es un fenómeno fascinante que se produce en multitud de estructuras duras que nos son familiares, como las conchas, los dientes o nuestros propios huesos. En el caso del hueso, la matriz extracelular está compuesta mayoritariamente por fibrillas de colágeno tipo I, y el mineral que la endurece está constituido por multitud de pequeños cristales de apatito.

“Durante décadas se ha debatido si la mineralización es interna o externa a las fibrillas, habiendo pruebas que apoyan tanto una como otra hipótesis. Nuestro estudio demuestra que la mineralización actúa en un proceso que abarca tanto las fibras de colágeno como los espacios que quedan entre ellas, formando una red mineral. Sin embargo, esta red no es espacialmente continua, sino que forma estructuras elipsoides discretas, denominadas esferulitas”, explica Elena Macías.

Cómo mineralizan nuestros huesos: el mecanismo

Cada una de las esferulitas minerales se inicia en los espacios entre las fibrillas, como un agregado desordenado de cristales. Sólo cuando el mineral cristaliza en las fibrillas de colágeno, adquiere una disposición ordenada. Hay que tener en cuenta que, en los estadios iniciales, el mineral se encuentra en fase amorfa, formando algo similar a un líquido o gel que infiltra tanto las fibrillas de colágeno, como los espacios entre ellas.

Durante el proceso de cristalización la matriz de colágeno funciona como un andamiaje, y proporciona la estructura donde los nanocristales se forman.  De esta manera, los cristales que se establecen dentro de las fibrillas adquieren un tamaño y forma determinados, y se disponen constituyendo capas curvas superpuestas, en lo que se conoce como un crecimiento esferulítico lamelar. Cada una de estas esferulitas minerales abarcan multitud de fibrillas de colágeno, y crecen longitudinal y radialmente hasta que imbrican unas con otras.

Imagen de la reconstrucción de una esferulita mineral y las fibras de colágeno

El estudio compara diferentes estructuras óseas constituidas por colágeno tipo I. Desde los tendones de aves que mineralizan de forma natural (tendón de pavo), hasta el hueso de crecimiento rápido de ungulados (hueso fibrolamelar) o el hueso altamente remodelado de humanos (hueso cortical) presentan una nanoestructura similar, indicando que es la estructura proteica la que guía el proceso de mineralización y determina el patrón mineral final.

“Esto es importante porque las propiedades biomecánicas del hueso están determinadas por la localización, el tamaño, la orientación y la densidad cristalina. Nuestro trabajo aporta nuevos conocimientos sobre cómo el andamiaje proteínico guía el proceso de mineralización, apoyando la idea de que pequeños cambios en la síntesis de colágeno pueden resultar en cambios dramáticos en el grado de mineralización del hueso, provocando deformidad o fragilidad ósea característica de patologías como la osteoporosis o la osteogénesis imperfecta”, destaca la investigadora de la UGR.

La publicación ha recibido el reconocimiento de la Sociedad Europea de Microscopía por la combinación de una variedad de técnicas avanzadas de microscopía electrónica de forma correlativa (desde Microscopía Electrónica de Barrido Ambiental [ESEM], a Tomografía Electrónica FIB-SEM y segmentación, mapeo elemental mediante espectroscopía de rayos X [STEM-EDS] y difracción de electrones) con la gama más completa de técnicas de preparación de muestras (desde la criopreservación, la fijación química tradicional, la ultramicrotomía, la preparación de lamelas FIB, hasta la preparación de secciones transversales mediante pulido iónico).

Referencia bibliográfica:

Macías‐Sánchez, E., Tarakina, N.V., Ivanov, D., Blouin, S., Berzlanovich, A.M. and Fratzl, P., 2022. Spherulitic Crystal Growth Drives Mineral Deposition Patterns in Collagen‐Based Materials. Advanced Functional Materials, p.2200504. https://doi.org/10.1002/adfm.202200504