黄色靭帯肥厚の分子メカニズム解明による腰部脊柱管狭窄症の新規治療法の開発

• Project/Area Number: 21K09255
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 56020:Orthopedics-related
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: 鈴木 亨暢 大阪市立大学, 大学院医学研究科, 講師 (00445016)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺井 秀富 大阪市立大学, 大学院医学研究科, 准教授 (20382046)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 終末糖化産物 / 腰部脊柱管狭窄症 / 黄色靭帯 / 終末糖化産物(AGEs） / 力学的ストレス

Outline of Research at the Start

腰部脊柱管狭窄症は高齢者の歩行障害を引き起こす主要疾患である。黄色靭帯の肥厚は狭窄の主原因であるが、肥厚の分子機構は十分解明されておらず、治療のターゲットとすべき分子は未だ不明である。
本研究ではまず糖尿病ウサギ黄色靭帯肥厚モデルを用いて力学的ストレスと代謝応答の相互作用を検証し、その分子機構を解明する。次にヒト肥厚黄色靭帯での発現検証とヒト黄色靭帯細胞を用いた機能解析により候補分子を決定する。さらに候補分子を抑制する薬物療法の治療効果を上記ウサギモデルにて検証する。本研究によって黄色靭帯肥厚の分子メカニズムが判明し薬物治療モデルが確立されれば、新しい薬物治療法開発につながると考えられる。

Outline of Annual Research Achievements

腰部脊柱管狭窄症は高齢者の歩行障害を引き起こす代表的疾患である。黄色靭帯の肥厚は狭窄の主原因であり、力学負荷が黄色靭帯肥厚に関与すると考えられているが、その分子メカニズムは未だ十分解明されていない。近年、加齢性慢性疾患の原因となる因子として終末糖化産物（Advanced Glycation Endproducts; AGEs）が注目されており、糖尿病患者で有病率の高い腰部脊柱管狭窄症においてもAGEsが黄色靭帯の肥厚に関与している可能性がある。
本研究の目的は糖尿病ウサギ力学負荷モデル及び培養細胞を用いてAGEs及び力学負荷が黄色靭帯肥厚に与える影響とそのメカニズムを解明することである。
まずは膵島β細胞を破壊するAlloxanを用いて糖尿病モデルウサギの作製を試みた。しかしAlloxan単回高容量投与では投与後短期間での死亡例が多く認められた。また複数回投与ではしばらく糖尿病状態が続くものの膵島β細胞の再生により高血糖状態が長く続かないことが判明した。最終的に単回高容量投与後にブドウ糖を経口投与することにより糖尿病モデルウサギの確立に成功した。次に糖尿病ウサギモデルを用いて金属プレートを使用した力学負荷モデルを作成したところほぼ全例でインプラント周囲の感染を認め、飼育継続は不能であった。過去にはラットを用いたインプラントを使わない黄色靭帯肥厚モデルの報告もあることから、今後動物種をラットに変更して糖尿病状態の黄色靭帯肥厚動物モデルの確立を目指す予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

糖尿病モデル作成に投与する薬剤として膵島β細胞を破壊するAlloxan及びStreptozocinが報告されている。特に糖尿病ウサギモデルの作成ではAlloxanを用いた報告が多いため、今回我々はAlloxanを用いた糖尿病ウサギモデルの作成を試みた。しかし糖尿病モデルの作製に予想以上に時間を要した。Alloxan単回高容量投与では投与後短期間での死亡例が多く認められ、複数回投与ではしばらく糖尿病状態が続くものの膵島β細胞の再生により高血糖状態が長く続かないことが判明した。最終的に単回高容量投与後にブドウ糖を経口投与することにより糖尿病モデルウサギの確立に成功した。次に糖尿病ウサギモデルを用いて金属プレートを使用した力学負荷モデルを作成したところほぼ全例でインプラント周囲の感染を認め、飼育継続は不可能であった。従って当初の計画にあった金属インプラントを用いた椎間固定による黄色靭帯肥厚モデルは糖尿病動物モデルには当てはめることが出来ないことが判明し、金属インプラントを使用しない動物モデルの確立が必要となった。

Strategy for Future Research Activity

糖尿病モデルにインプラントを使用すると感染する可能性が高いことが判明したため、まずは力学負荷をかけずに高血糖状態そのものが黄色靭帯組織に与える影響をElastica Van Gieson染色、Toluidine Blue染色、AGEs免疫染色などにより組織学的に検討する。
さらにインプラントを使用せずにメカニカルストレスを誘発するモデル作製が必要となるが、過去にはラットを用いたインプラントを使わない黄色靭帯肥厚モデルの報告がある。またStreptozotocin投与によるラット糖尿病モデルの報告もあることから、今後、動物種をラットに変更して糖尿病モデルならびに力学負荷モデルの確立を目指す。糖尿病モデルとしてはStreptozocinを腹腔投与（投与量：60mg/kg　濃度：10mg/ml）することにより作製する。また力学負荷モデルとしては①L5棘突起切除 ＋ L4/5, L5/6 棘上・棘間靭帯切除モデル、②椎間関節部分切除モデルなどを作製し、黄色靭帯肥厚モデルとして妥当かどうかを検証する。