LIPS and bones: application of LASER-based geological techniques to bone content research  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
105073
Type K
Principal investigator Bhattoa, Harjit Pal
Title in Hungarian LIPS and bones: lézer-alapú geológiai módszerek átültetése a csontösszetétel-kutatásba
Title in English LIPS and bones: application of LASER-based geological techniques to bone content research
Keywords in Hungarian csont, osteoporosis, geológia, LIPS, csontösszetétel, szervetlen állomány, nyomelemek
Keywords in English bone, osteoporosis, geology, LIPS, bone content, inorganic substance, trace elements
Discipline
Public health, health services, environmental and occupational medicine, epidemiology, medical ethics (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Ortelius classification: Rheumatology
Panel Clinical Medicine
Department or equivalent Department of Laboratory Medicine (University of Debrecen)
Participants Andrássy, László
Bartha, András
Gulyás, Katalin
Horváth, Ágnes
Juhász, Balázs
Kalina, Edit
Maros, Gyula
Méhes, Gábor
Szekanecz, Éva
Szekanecz, Zoltán
Wamwaki, John
Starting date 2012-09-01
Closing date 2015-11-30
Funding (in million HUF) 30.000
FTE (full time equivalent) 7.43
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A csontszerkezet és csont ásványianyag-összetétel vizsgálata fontos számos csontbetegségben, igy osteoporosisban. Mindez idáig a csontösszetétel vizsgálata emberben nehézségekbe ütközött, mert a csontbiopszia fájdalmas, és széles körben nemigen alkalmazható módszer. Miután a csont és a kőzetek sok tekintetben párhuzamba állíthatók, ez szülte az ötletet, hogy geológiai, elsősorban laser-alapú módszereket ültessünk át a csontkutatásba.
Eddig nagyon kevés, főleg állatkisérletes vizsgálat volt, amelyben a csontösszetételt laserrel vizsgálták. Előzetes tanulmányainkban állati csontokon alkalmaztuk a laser-indukált plasma spektrometria (LIPS) módszerét, melyet munkatársaink a geológiában már sokszor alkalmaztak. Ezen vizsgálatok után standard, megbizható módon tudjuk a csont fiziológiában és pathologiában részt vevő elemek, pl.az Al, Mg, Mn, Pb, Cu, Zn, Sr, La, Li, Cd mennyiségét mérni a csontban.
Jelen vizsgálatban a LIPS alkalmazhatóságát teszteljük normál és osteoporoticus illetve malignus csontmintákban. Részletes elemi összetétel vizsgálatot végzünk in vitro. A LIPS eredményeket pqCT mérésekkel is összevetjük. Ezt követően egy új műszert fejlesztünk, amely fájdalmatlan és etikailag is elfogadható in vivo elemzést tesz lehetővé. A csont LIPS vizsgálata más területeken (fémallergia, toxicologia) is perspektivát nyit.
Összességében a csont és geológiai kutatás összekapcsolása új horizontokat nyit a lasertechnika alkalmazásában. A pályázat feltétlenül alapkutatást tartalmaz, hiszen ujabb adatokat szolgáltat a csont elemi összetételéről. Az in vivo alkalmazható diagnosztikai eszköz pedig lehetővé teszi az élő emberben történő csontvizsgálatot.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás specifikus kérdései a következők:

1. Az állatkisérleteket követően, vajon a LIPS alkalmazható-e humán csontok elemi összetételének vizsgálatára?
2. Van-e különbség a normál, osteoporosisos és malignus csontok összetétele között?
3. A LIPS által generált adatok megerősithetők-e standard technikákkal (ICP-MS, laboranalitikai módszerek)?
4. A LIPS módszerrel szerzett adatok összevethetők-e a pqCT vizsgálatokkal a trabecularis és corticalis csontban?
5. Az in vitro kisérletek eredményei felhasználásával fejleszthető-e olyan műszer és technika mellyel a csont elemi összetétele emberben in vivo vizsgálható?
6. Milyen hatásai vannak az osteoporosis elleni kezelésnek a csontösszetételre?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás lehetséges perspektivái a következők:

• Alapkutatás: normál és pathologiás csontminták elemi összetételének vizsgálata, az anti-osteoporosis kezelés hatása a csontösszetételre.
• Toxikológia (igazságügyi orvostan). fémek és nyomelemek akkumulációja a csontban és a fogban
• Allergia: toxicus fémek deponálódása a fogzománcban
• Therápiás hatás: terápiás fémsók (pl Sr-ranelát) felhalmozódása a csontban
• Terápiás toxicitás: Al és La dializált vesebetegekben, Li a pszichiátriában

Bár a fejlesztett technika végső soron betegekben is alkalmazásra kerülhet, a kutatásnak egyértelmű alapkutatási és alkalmazott jellege van. A kutatás céljai között szerepel az egészséges és pathologiás csont ásványi összetételének meghatározása. Mivel a csontdenzitometria nem ad információt az elemi összetételre, az invaziv csontbiopszia rutinszerű alkalmazása pedig megkérdőjelezhető, feltétlenül szükség van nem invaziv, fájdalmatlan diagnosztikus módszerek kifejlesztésére.
A kutatás mindenképpen hasznot jelent a betegeknek és a társadalomnak is. Az osteoporosis és a csonttumorok olyan krónikus állapotok, melyek mozgáskorlátozottsághoz, romló életminőséghez és gyakran halálhoz vezethetnek.
A vizsgálatok eredetisége is egyértelmű. Néhány korábbi, főleg állatkisérletes tanulmánytól eltekintve ez az első kutatás, mely a csontkutatást a geológiával összekapcsolja és olyan műszer fejlesztését célozza meg, amely nem invaziv módon és in vivo vizsgálja a csontösszetételt. A vizsgálat perspektivái a medicina más területein (allergia, toxicologia, gyógyszerhatás) is megjelenhetnek. Ugyancsak tervezzük patent beszerzését.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A csontritkulás, a csonttörések és a rosszindulatú csontdaganatok olyan idült betegségek, melyek mozgáskorlátozottsággal, csökkent életfunkciókkal és néha halállal járnak. Miután a csont ásványianyag-összetétele mai tudásunk szerint csak invaziv, fájdalmas mintavétellel vizsgálható, nagy az igény fájdalmatlan diagnosztikus műszerek kifejlesztésére. Mivel a csont és a kőzetek sok tekintetben hasonlitanak egymáshoz, ez adta az ötletet hogy a földtanban alkalmazott analitikai módszereket átültessük a csontkutatásba. A lézerindukált plazma spektrometria (LIPS) a geológiában széles körben alkalmazott módszer. Munkacsoportunk geológusai számos vizsgálatot végeztek e hazában, az orvoscsapatnak pedig a csontkutatásban vannak komoly eredményei. Előzetes vizsgálatainkban állati (csirke, marha) csontokon beállítottuk a LIPS módszert, mellyel nagy pontossággal tudjuk tíz ásványi elem mennyiségét a csontban is meghatározni. A jelen munkában az itt szerzett tapasztalatokat felhasználva először normál és kóros emberi csontmintákon kívánjuk a vizsgálatokat folytatni. Ezt követően pedig a LIPS műszert olyan irányban kivánjuk fejleszteni, hogy fájdalmatlan, élő emberben történő csontösszetétel-vizsgálatra is mód nyiljon. Kutatásunknak fontos jelentősége lehet a betegek és a társadalom szempontjából, hiszen az új diagnosztikus eszköz fejlesztése lehetővé teszi a fájdalmatlan, etikai szempontból is elfogadható csontösszetétel-vizsgálat végzését. A perspektiva túl nyúlik a jelen alkalmazáson, hiszen alkalmazható a toxikológia, fémallergia, fogászat, sőt a régészet területén is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The assessment of bone structure and bone content may be essential in various bone disorders, such as osteoporosis. The assessment of bone mineral composition have not yet been feasible as bone biopsy is painful and cannot be widely applied to humans. Some similarities between bone and minerals led to the idea to apply geological techniques to bone research.
There have been very few studies using geological LASER-based methods to assess elements in the bone. In preliminary studies we applied laser-induced plasma spectrometry (LIPS) to animal bones and standardized this technique for the assessment of Al, Mg, Mn, Pb, Cu, Zn, Sr, La, Li and Cd in bone. These elements have been implicated in bone physiology and pathology.
In the present study we wish to test the LIPS instrument in healthy and pathological human bones, to perform detailed elemental composition analysis of normal, osteoporotic and malignant bone samples, to compare LIPS and pqCT data, to develop a new instrument suitable for in vivo human assessments and which is not painful and ethically acceptable.
We also wish to assess other applications in medicine, such as drug accumulation and toxicology, metal allergy, assessment of therapeutic drug accumulation in bone and others.
Thus, bone research and geology may be linked to each other and this may open new perspective for the development and application of new LASER-based techniques. The proposed studies have important relevance for basic science, as more data will be collected with respect to bone mineral composition. In addition, we wish to develop a diagnostic instrument to be used for both in vitro and possibly in vivo assessments of bone composition.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The specific aims and addressed issues will be as follows:

1. After animals tudies, is the LIPS technique feasible for the assessment of bone mineral composition in humans?
2. Are there differences in the elemental composition of healthy, osteoporotic and malignant bone tissues?
3. Could LIPS data be confirmed with more standardized methods, such as ICP-MS and standard laboratory analytical methods.
4. Can we compare LIPS data with pqCT measurements in trabecular and cortical bone?
5. Can we apply our in vitro human results to in vivo testing by developing a new instrument and protocol for the painless and ethically acceptable assessment of elemental composition in humans?
6. Can we assess the effects of anti-osteoporotic therapy on bone mineral composition in vivo?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The perspectives of our research are as follows:

• Research: assessment of bone elemental composition in osteoporosis and other bone disorders. Effects of anti-osteoporosis drug therapy on bone mineral composition.
• Toxicity (forensic medicine): deposition of metals and trace elements in bone and teeth
• Allergy: detection of allergic metals in tooth enamel in dentistry
• Therapeutic efficacy: detection of Sr-ranelate in bone
• Drug toxicity: Al and La in dialysis patients; Li in psychiatry

Although this technique would eventually be used in patients, it has definitive basic and translational research issues. The goals of this research include studies on bone mineral composition in healthy and diseased bone samples. As bone densitometry would not give information on mineral content and invasive methods, such as bone biopsy could not be routinely used, it is important to develop new techniques for bone research.
In addition, the proposed studies exert benefits for the patients and the society as osteoporosis and malignant bone disorders are chronic diseases that may lead to impaired musculoskeletal function and quality of life and even to death.
The originality of the proposed studies is also described above. Apart from some scattered animal studies, this is the first proposal to link geology to bone research and to apply LIPS to normal and diseased human bones. The perspective of this research to medical applications (pathology studies, toxicology, allergy, drug therapy, etc.) is remarkable. There is also a possibility to patent this method if applicable.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Osteoporosis, the consecutive fractures, as well as malignant bone diseases are chronic diseases with the possibiity of functional impairment, deterioration and sometimes death. Therefore there is an immense need for non-invasive, not painful techniques to assess bone mineral composition. As the bone and other minerals have a lot of things in common, we developed an idea of linking bone research and geology together. Laser induced plasma spectrometry (LIPS) is a standard technique widely used in geology. Geologists in our group have performed several studies in different areas of Hungary. The medical researchers have great expertise in bone assessments. Therefore we have already carried out studies on animal (chicken and bovine) bones and established the method of assessing at least ten elements important in bone physiology and pathology in those bone samples. Our studies of human bone proposed here would enable us to detect the elemental composition of healthy and diseased bones. We also wish to develop a new instrument which enables non-invasive, painless and ethically acceptable bone assessments in living humans. Our research, apart from studying bone physiology and pathology, would open new perspectives in other areas, such as toxicology, dental research, assessment of drug and metal accumulation in bone and even archeology.




 

Final report

  
Results in Hungarian
1. The inorganic composition of the examined bones is (carbonate)-apatite, carbonates and salts (65%), whereas the organic part is composed of collagens (35%). 2. There was a significant inverse correlation between the bone density and age in the female human bone samples. This was mainly in those male samples that belonged to the most elderly. 3. DTA measured adsorption water content reduced with increasing age of the bone samples studied. The absorption water content is usually dependent on particle size or the inconsistency in the charge of the minerals in the sample. This may suggest that the average particle size increases and the charge of the minerals becomes more consistent with age. 4. In the female samples, it was noted that with increase in age there was increase in CO3 -> PO4 displacement as per the infra findings, however, this was not the case in the male samples. 5. In female samples, CO3 -> PO4 displacement was inversely correlated to the total bone density of the samples. 6. The infra results showed that increase in CO3 -> PO4 displacement went hand in hand with the increase in the molecular water content presumably with binding to the hydroxyl apatite structure. 7. It seems that the normalized CaO content does not show a correlation with age, in other words, we observed no increase with age in this elements’ measured concentration.
Results in English
1. A csontokban előforduló szervetlen összetevők a (karbonát)-apatit, karbonátok és sók (kb. 65%-ban), míg a szervetlen összetevők kollagének (kb. 35%-ban). 2. A nők esetében a csontok sűrűségének csökkenése a korral, míg férfiak esetében gyakorlatilag csak a legidősebbek esetében látható ugrásszerű csökkenés. 3. Érdekes, hogy a DTA által mért adszorpciós víztartalom mennyisége mintha a korral csökkenne. Az adszorpciós víztartalom mennyisége leginkább a szemcsemérettel vagy esetleg a mintában lévő ásványok töltés kiegyenlítetlenségével függhet össze. Ez arra utalhat, hogy az átlagos szemcseméret a korral nőhet, míg a töltés kiegyenlítettség javul. 4. A nők esetében megfigyelhető, hogy a korral nő a csontokban a CO3 -> PO4 helyettesítés mértéke (a CO3 alatti terület és a CO3/(CO3+PO4) alatti területek arányával mérve) az infra alapján ,míg a férfiak esetében nem mutat szoros összefüggést a korral. 5. Ha nem is annyira szembeötlően de a nők esetében a CO3 -> PO4 helyettesítéssel összefüggeni látszik a teljes sűrűség csökkenése. 6. Az infra eredmények azt mutatják, hogy a CO3 -> PO4 helyettesítés növekedése együtt jár a molekuláris víztartalom növekedésével feltehetősen a hidroxil apatit szerkezetében kötve. 7. Úgy tűnik, hogy a normalizált CaO tartalom nem mutat a korral összefüggést, azaz nem csökken vagy nő a korral érezhetően ezen elem koncentrációja.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=105073
Decision
Yes





 

List of publications

  
Bhattoa HP, Wamwaki J, Kalina E, Foldesi R, Balogh A, Antal-Szalmas P.: Serum sclerostin levels in healthy men over 50 years of age., J Bone Miner Metab, 2013
Bhattoa HP, Onyeka U, Kalina E, Balogh A, Paragh G, Antal-Szalmas P, Kaplar M.: Bone metabolism and the 10-year probability of hip fracture and a major osteoporotic fracture using the country-specific FRAX algorithm in men over 50 years of age with t, Clin Rheumatol, 2013
Szekanecz Z, Meskó B, Poliska S, Váncsa A, Szamosi S, Végh E, Simkovics E, Laki J, Kurkó J, Besenyei T, Mikecz K, Glant TT, Nagy L.: Pharmacogenetics and pharmacogenomics in rheumatology., Immunol Res, 2013
Szekanecz Z, Szabó Z, Zeher M, Soós L, Dankó K, Horváth I, Lakos G.: Superior performance of the CCP3.1 test compared to CCP2 and MCV in the rheumatoid factor negative RA population., Immunol Res, 2013
Szekanecz Z, Maros Gy, Bartha A, Sándor Zs, Andrássy L.: LIPS and bones: a csont ásványianyag-összetétel vizsgálata LASER-alapú geológiai módszerekkel., Conference proceedings of the Osteology Congress, Balatonfüred, 2012
Prof. Szekanecz Zoltán: Nem csak a 20 éveseké a világ - Quantitatív CT-től a geológiáig, Advanced course in metabolic bone diseases, Budapest, 2012
Szánthó E, Bhattoa HP, Csobán M, Antal-Szalmás P, Ujfalusi A, Kappelmayer J, Hevessy Z.: Serum thymidine kinase activity: analytical performance, age-related reference ranges and validation in chronic lymphocytic leukemia., PLoS One, 2014
Nagy B, Bhattoa HP, Steiber Z, Csobán M, Szilasi M, Méhes G, Müller M, Lázár J, Kappelmayer J, Antal-Szalmás P.: Serum human epididymis protein 4 (HE4) as a tumor marker in men with lung cancer., Clin Chem Lab Med, 2014
Molnar Z, Wamwaki J, Petho Z, Kalina E, Foldesi R, Balogh A, Antal-Szalmas P, Bhattoa HP.: Szklerosztinszint-meghatározás egészséges férfiakban., Lege Artis Medicinae. Kalcium Interdiszciplináris Fórum (LAM KID), 2014
Andrássy L, Maros G, Kovács IJ, Horváth Á, Gulyás K, Bertalan É, Besnyi A, Füri J, Fancsik T, Szekanecz Z, Bhattoa HP.: Lézer-alapú geológiai technikák felhasználhatósága a csontkutatásban: kalcium oxid eloszlás vizsgálatok állati csont vékonycsiszolatokon, Orvosi Hetilap (accepted for publication: 12 Sept 2014), 2014
Kovács I, Besnyi A, Bertalan É, Kónya P, Füri J, Bhattoa HP, Szekanecz Z, Udvardi B, Horváth Z, Budai F, Fancsik T, Andrássy L, Maros G: A csont ásványtana és (geo)kémiája, Conference Proceedings - 9th Winter Mineral Sciences School, Tihány, 2014
Andrássy L, Maros G, Kovács IJ, Horváth Á, Gulyás K, Bertalan É, Besnyi A, Füri J, Fancsik T, Szekanecz Z, Bhattoa HP.: Lézer-alapú geológiai technikák felhasználhatósága a csontkutatásban: kalcium oxid eloszlás vizsgálatok állati csont vékonycsiszolatokon, Orvosi Hetilap, 2014
Petho Z, Kulcsar-Jakab E, Kalina E, Balogh A, Pusztai A, Gulyas K, Horvath A, Szekanecz Z, Bhattoa HP.: Vitamin D status in men with psoriatic arthritis: a case-control study., Osteoporosis Int, 2015
Kulcsar-Jakab E, Petho Z, Pap Z, Kalina E, Foldesi R, Balogh A, Antal-Szalmas P, Bhattoa HP.: Cystatin C as a potential predictor of osteoprotegerin levels in healthy men. A cross-sectional, observational study., BMC Musculoskeletal Disorders, 2015
Petho Z, Kulcsar-Jakab E, Onyeka U, Molnar Z, Kalina E, Balogh A, Paragh G, Antal-Szalmas P, Kaplar M, Bhattoa HP.: Az ország specifikus FRAX-algoritmus által meghatározott 10 éves csípő- és major osteoporoticus törések valószínűségének vizsgálata 2-es típusú diabeteses férfiak csoportjában., Lege Artis Medicinae. Kalcium Interdiszciplináris Fórum (LAM KID), 2014
Kovács I, Udvardi B, Falus G, Földvári M, Fancsik T, Kónya P, Bodor E, Mihály J, Németh C, Czirják G, Ősi A, Vargáné Barna Z, Bhattoa HP, Szekanecz Z, Turza S.: Az ATR FTIR spektrometria gyakorlati alkalmazása néhány - elsősorban földtani - esettanulmány bemutatásával., Földtani Közlöny, 2015
Andrássy L, Maros G, Kovács IJ, Kónya P, Füri J, Besnyi A, Bertalan E, Falus G, Udvardi B, Fancsik T, Pethő Z, Gomez I, Horváth A, Gulyás K, Karosi T, Szekanecz Z, Bhattoa HP.: Laser induced plasma spectrometry (LIPS) in determining bone mineral content. The LIPS and BONES study, Conference proceedings of the 3rd International Congress on Controversies in Rheumatology & Autoimmunity (CORA 2015) in Sorrento, Italy, 2015




 

Events of the project

  
2013-06-24 10:55:58
Résztvevők változása



Back »