Определение морфометрических характеристик костного мозга и кости с целью создания дозиметрической модели высокого разрешения

   Остеогенные и гемопоэтические стволовые клетки могут подвергаться облучению при радиотерапии раковых заболеваний с использованием радиофармпрепаратов, в случае адсорбции радионуклидов в кости. Оценка доз на нормальные радиочувствительные клетки важна для оценки соотношения польза/ущерб. Поэтому создание дозиметрической модели кости и костного мозга с учетом микрораспределения радионуклидов, и клеток-мишеней является важной задачей.

   Цель исследования – провести аналитический обзор современного уровня знаний о гистоморфометрических характеристиках трабекулярной кости и прилегающих участков костного мозга с целью создания анатомо-морфологического базиса для построения микродозиметрической модели для расчетов доз на гемопоэтические стволовые клетки и остеобласты.

   Материалы и методы: Проводился поиск опубликованных данных по структуре и минерализации костной ткани в составе трабекулярной кости, клеточному составу костного мозга, морфологии и расположению клеток в его объеме относительно поверхности кости.

   Результаты исследования и обсуждение: В настоящее время морфофизиологические особенности минерализации кости и размеры соответствующих структур хорошо изучены. Поверхность трабекул покрыта слоем неминерализованного костного матрикса толщиной 1-5 мкм, который способен быстро адсорбировать радионуклиды. К этому слою прилегает слой остеобластов толщиной 1 мкм. Данные о распределении стволовых клеток в объеме костного мозга весьма ограничены. Известно, что большая часть стволовых расположена в пределах 200 мкм от поверхности трабекул. Размер клеток составляет 6-7 мкм.

   Заключение: На основе существующих знаний о структуре кости и распределении в костном мозге остеогенных и гемопоэтических стволовых клеток планируется построить модель, состоящую из слоёв, включающих слой-источник и слои-мишени, описывающие остеогенные клетки и гемопоэтические стволовые клетки на различном удалении от кости.

1. Watchman C.J., Bourke V.A., Lyon J.R. et al. Spatial distribution of blood vessels and CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells within the marrow cavities of human cancellous bone // Journal of Nuclear Medicine. 2007. Vol. 48, No 4. P. 645-654. DOI: 10.2967/jnumed.106.035337.

2. Bourke V.A., Watchman C.J., Reith J.D. et al. Spatial gradients of blood vessels and hematopoietic stem and progenitor cells within the marrow cavities of the human skeleton // Blood. 2009. Vol. 114, No 19. P. 4077-4080. DOI: 10.1182/blood-2008-12-192922.

3. Zankl M., Eakins J., Ros J-MG. et al. The ICRP recommended methods of red bone marrow dosimetry // Radiation measurements. 2021. Vol. 146. P. 106611. DOI: 10.1016/j.radmeas.2021.

4. ICRP. Adult Reference Computational Phantoms. ICRP Publication 110 // Annals of the ICRP. 2009. Vol. 39, No 2.

5. Belley M.D., Ashcraft K.A., Lee C.T. et al. Microdosimetric and Biological Effects of Photon Irradiation at Different Energies in Bone Marrow // Radiation Research. 2015. Vol. 184, No 4. P. 378-391. DOI: 10.1667/RR14095.1.

6. Tabatadze G., Miller B.W., Tolmachev S.Y. Mapping 241Am Spatial Distribution Within Anatomical Bone Structures Using Digital Autoradiography // Health Physics. 2019. Vol. 117, No 2. P. 179-186. DOI: 10.1097/HP.0000000000000947.

7. Hemmingsson J., Svensson J., van der Meulen N.P. et al. Active bone marrow S-values for the low-energy electron emitter terbium-161 compared to S-values for lutetium-177 and yttrium-90 // EJNMMI Physics. 2022. Vol. 9, No 1. P. 65. DOI: 10.1186/s40658-022-00495-7.

8. Shah A.P., Bolch W.E., Rajon D.A. et al. A paired-image radiation transport model for skeletal dosimetry // Journal of Nuclear Medicine. 2005. No 46. P. 344–353.

9. Xu X.G., Chao T.C., Bozkurt A. VIP-Man: an image-based whole-body adult male model constructed from color photographs of the Visible Human Project for multi-particle Monte Carlo calculations // Health Physics. 2000. Vol. 78, No 5. P. 476-486. DOI: 10.1097/00004032-200005000-00003.

10. Alghamdi A.A.A. The Implementation and Application of a Saudi Voxel-Based Anthropomorphic Phantom in OpenMC for Radiological Imaging and Dosimetry // Diagnostics (Basel). 2025. Vol. 15, No 14. P. 1764. DOI: 10.3390/diagnostics15141764.

11. Degteva M.O., Tolstykh E.I., Shishkina E.A. et al. Stochastic parametric skeletal dosimetry model for humans: General approach and application to active marrow exposure from bone-seeking beta-particle emitters // PLoS One. 2021.Vol. 16, No 10. P. e0257605. DOI: 10.1371/journal.pone.0257605.

12. Shagina N.B., Tolstykh E.I., Degteva M.O. et al. Age and gender specific biokinetic model for strontium in humans // Journal of Radiological Protection. 2015. Vol. 35, No 1. P. 87-127.

13. Greenawalt J.W., Rossi C.S., Lehninger A.L. Effect of active accumulation of calcium and phosphate ions on the structure of rat liver mitochondria // Journal of Cell Biology. 1964. Vol. 23, No 1. P. 21–38.

14. Boonrungsiman S., Gentleman E., Carzaniga R. et al. The role of intracellular calcium phosphate in osteoblast-mediated bone apatite formation // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012. Vol. 109, No 35. P. 1470-1475.

15. Pei D.D., Sun J.L., Zhu C.H. et al. Contribution of mitophagy to cell-mediated mineralization: revisiting a 50-year-old conundrum // Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany). 2018. Vol. 5, No 10. P. 1800873.

16. Riggs B.L., Marshall J.H., Jowsey J. et al. Quantitative 45Ca autoradiography of humanbone // The Journal of laboratory and clinical medicine. 1971. No 78. P. 585–598.

17. Любашевский Н.М. Метаболизм радиоизотопов в скелете позвоночных. М.: Наука, 1980. 255 с.

18. Lyovkina Y.V., Miller S.C., Romanov S.A. et al. Quantitative plutonium microdistribution in bone tissue of vertebra from a Mayak worker // Health Physics. Vol. 99, No 4. P. 464-470. DOI: 10.1097/HP.0b013e3181cb840f.

19. Miller S.C., de Saint-Georges L., Bowman B.M. et al. Bone lining cells: structure and function // Scanning Microscopy. 1989. Vol. 3, No 3. P. 953-960.

20. Jee W.S.S. The skeletal tissues, in Cell and Tissue Biology. A Textbook of Histology, ed. Weiss L. Urban and Schwarzenberg: Baltimore, 1988, chap. 7.

21. Shupp A.B., Kolb A.D., Mukhopadhyay D. et al. Cancer Metastases to Bone: Concepts, Mechanisms, and Interactions with Bone Osteoblasts // Cancers. 2018. Vol. 10, No 6. P. 182. DOI: 10.3390/cancers10060182.

22. Down J., Van Os R., Ploemacher R. Radiation sensitivity and repair of long-term repopulating bone marrow stem cells // Experimental Hematology. 1991. Vol. 19. P. 474.

23. Bianco P., Gehron Robey P. Marrow stromal stem cells // The Journal of clinical investigation. 2000. Vol. 105, No 12. P. 1663-1668. DOI: 10.1172/JCI10413.

24. Parmar K., Mauch P., Vergilio J.A. et al. Distribution of hematopoietic stem cells in the bone marrow according to regional hypoxia // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007. Vol. 104, No 13. P. 5431-5436. DOI: 10.1073/pnas.0701152104.

25. Berardi A.C., Wang A., Levine J.D. et al. Functional isolation and characterization of human hematopoietic stem cells // Science. 1995. Vol. 267, No 5194. P. 104-108. DOI: 10.1126/science.7528940.

26. Wei Q., Frenette P.S. Niches for Hematopoietic Stem Cells and Their Progeny // Immunity. 2018. Vol. 48, No 4. P. 632-648. DOI: 10.1016/j.immuni.2018.03.024.

27. Kwon M., Kim B.S., Yoon S. et al. Hematopoietic Stem Cells and Their Niche in Bone Marrow // International Journal of Molecular Science. 2024. Vol. 25, No 13. P. 6837. DOI: 10.3390/ijms25136837.

28. Lévesque J.P., Helwani F.M., Winkler I.G. The endosteal 'osteoblastic' niche and its role in hematopoietic stem cell homing and mobilization // Leukemia. 2010. Vol. 24, No 12. P. 1979-1992. DOI: 10.1038/leu.2010.214.

29. Ramasamy S.K., Kusumbe A.P., Schiller M. et al. Blood flow controls bone vascular function and osteogenesis // Nature Communications. 2016. Vol. 7, No 1. P. 1–13.

30. He N., Zhang L., Cui J. et al. Bone marrow vascular niche: home for hematopoietic stem cells // Bone Marrow Research. 2014. Vol. 2014. P. 128. DOI: 10.1155/2014/128436.

31. Georgescu A., Oved J.H., Galarraga J.H. et al. Self-organization of the hematopoietic vascular niche and emergent innate immunity on a chip // Cell Stem Cell. 2024. Vol. 31, No 12. P. 1847-1864.e6. DOI: 10.1016/j.stem.2024.11.003.

32. Hobbs R.F., Song H., Watchman C.J. et al. A bone marrow toxicity model for ²²³Ra alpha-emitter radiopharmaceutical therapy // Physics in Medicine and Biology. 2012. Vol. 57, No 10. P. 3207-3022. DOI: 10.1088/0031-9155/57/10/3207.

33. Tranel J., Feng F.Y., St. James S. et al. Effect of microdistribution of alpha and beta-emitters in targeted radionuclide therapies on delivered absorbed dose in a GATE model of bone marrow // Physics in Medicine and Biology. 2021. Vol. 66, No 3. P. 035016.

34. Kobayashi N. Monte Carlo Dose Estimation of Absorbed Dose to the Hematopoietic Stem Cell Layer of the Bone Marrow Assuming Nonuniform Distribution Around the Vascular Endothelium of the Bone Marrow: Simulation and Analysis Study // JMIRx Med. 2025. Vol. 6. P. e68029. DOI: 10.2196/68029.

35. Oftadeh R., Perez-Viloria M., Villa-Camacho J.C. et al. Biomechanics and mechanobiology of trabecular bone // Journal of Biomechanical Engineering. 2015. Vol. 137, No 1. P. 0108021–01080215. DOI: 10.1115/1.4029176.

36. Liu X.S., Sajda P., Saha P.K. et al. Complete volumetric decomposition of individual trabecular plates and rods and its morphological correlations with anisotropic elastic moduli in human trabecular bone // Journal Bone Mineral Research. 2008. Vol. 23, No 2. P. 223-235. DOI: 10.1359/jbmr.071009.

37. van Ruijven L.J., Giesen E.B., Mulder L. et al. The effect of bone loss on rod-like and plate-like trabeculae in the cancellous bone of the mandibular condyle // Bone. 2005. Vol. 36, No 6. P. 1078-1085. DOI: 10.1016/j.bone.2005.02.018.

38. Tolstykh E.I., Sharagin P.A., Shishkina E.A. et al. Stochastic parametric skeletal dosimetry model for humans: Anatomical-morphological basis and parameter evaluation // PLoS One. 2025. Vol. 20, No 7. P. e0327156. DOI: 10.1371/journal.pone.0327156.