Attempt of new electrical stimulation method for maintaining bone mass after sports injury and examination of its applicability
Project/Area Number |
21K11456
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 59020:Sports sciences-related
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Research Institution | Toyo University |
Principal Investigator |
大迫 正文 東洋大学, 健康スポーツ科学部, 教授 (60152104)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中井 真悟 常葉大学, 健康プロデュース学部, 助教 (10825540)
藤川 芳織 昭和大学, 歯学部, 助教 (60805943)
柴田 俊一 北海道医療大学, 歯学部, 客員教授 (80187400)
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Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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Keywords | ベクトルポテンシャル / 通電刺激 / 骨量維持 / 通電条件 / ラット / 加重低減 / 経皮通電 / 鍼通電 / VP通電 / 海綿骨骨密度 / 海綿骨骨梁幅 / ラット大腿骨 / 骨量 / 組織構造 |
Outline of Research at the Start |
受傷したアスリートは競技への早期復帰を目指して、リハビリ初期からトレーニングに励むことが多い。しかし、運動が制限された状態でそれを進めなくはならなく、そこにトレーニングの限界があることから、運動せずに骨量維持を図れる可能性のある通電刺激法に期待が寄せられる。本研究では、最近開発されたベクトル・ポテンシャル装置を用いた通電刺激が、骨量や関節軟骨、オスグッド病が現れる脛骨粗面に及ぼす効果を検証する。
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Outline of Annual Research Achievements |
昨年度実施したベクトルポテンシャル(VP)通電装置を用いた刺激実験によって、それに後肢懸垂に伴う骨量減少に対して抑制効果があることが認められた。その実験では、後肢懸垂群およびVP通電刺激群を設け、そのいずれも3週間、ケージ内で後肢懸垂した。VP通電刺激群はそれに加えて、30分/日、5日/週、3週間、通電刺激を行った。肢懸垂群に比べてVP通電刺激群の骨量は有意(P<0.05)に高い値を示した。その通電条件は交流、60mV、5A(装置への入力電流)、120mA、20kHzであった。今年度には、通電刺激のより有効な条件を求めるために、以下のような種々な条件下での効果を検証した。 まず、通電時間のみを変え、0(通電刺激なし)、15、30、60、90または120分の条件とした。その結果、15分では0分と同様に骨梁の破壊が進むが、60分以上で有意(P<0.05)な骨梁維持効果が見られた。その際、30分の刺激では有意ではなかったが、追試験により30分/日でも、有意な結果が得られた。次に、通電刺激の強さを変えて、その効果を検証した。VP装置では円筒形の装置内に発生する電場の強さを直接的に計測するのが困難なため、装置への入力電流を変化させ、1,3または5Aとして実験を行った。その結果、5Aが通電刺激なしの条件でより有意(P<0.05)に高い骨量が得られた。また、周波数は2、20または200kHzで比較したが、これも高い方が有効であることが認められた。 これらの実験でVP通電刺激は30分/日、5日/週という刺激の時間と頻度が必要であること、また、電流、周波数に関しては大きい方が有効であるという結果が得られた。本装置は周波数が大きい方が、装置が小型で済み、このことことから社会実装を視野に入れたときにコンパクトな形状の装置ができる可能性が示唆された。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和3年度には基礎研究として、VP通電装置の特性を明らかにするために、従来、通電刺激に用いられてきた鍼および経皮通電刺激法との効果を比較、検討した。ここにおいても、後肢懸垂したラットを用いて、大腿骨、脛骨および椎骨の構造変化を観察したが、詳細は以下の通りである。 まず、それぞれの骨の構造に及ぼす加重低減の影響についてみると、いずれの骨においても骨量の顕著な減少が認められた。後肢懸垂実験では、ラットの尾部をケージの天井から吊り下げた状態で飼育するため、脚は床に着かず、後肢(大腿および下腿)に対しては確実に加重低減となる。このことが大腿骨と脛骨の骨量減少をもたらしている。一方、ラットは日常的に四足歩行の姿勢をとるために、後肢懸垂状態では脊柱にかかる加重にそれほど大きな変化はない。しかし、後肢懸垂によって他の骨と同様に、骨量が減少した。これはその姿勢によって、脊柱起立筋や横突棘筋のような脊柱に付着する筋の緊張が低下したためと思われる。 このように後肢懸垂によって引き起こされる大腿骨、脛骨および腰椎の骨量減少に対して、鍼、経皮およびVP刺激装置のいずれも骨量維持効果があることが認められた。なお、経皮通電刺激はこれまでの研究により、通常の鍼通電刺激に使用される低周波治療器を用いると、体表からの刺激が皮下組織内を通る間に減衰し、骨まで到達できないことがすでに認められていた。そのため、直流電流に搬送波を合わせて、皮下の深部まで刺激が到達し得る装置を用いた。しかし、これらの結果は、骨の表面においてはいずれ部位、装置においても同様であったが、骨内部の骨髄および骨内膜に関しては、経皮<鍼<VPの順に有意な骨量維持効果が認められた。VP通電刺激装置は生体に鍼や電極を装着することもなく、単に生体を装置内置くだけで通電が可能となる。このような点にも、VP装置の安全性や有意性があると思われる。
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Strategy for Future Research Activity |
最終年度である令和5年度には、VP通電装置を用いて、その骨量維持効果の機序を解明するとともに、軟骨や関節包等の異なる組織への応用の可能性について検討する。これまでの本研究の結果から、後肢の加重低減によって大腿骨、脛骨および椎骨の皮質骨や海綿骨の骨梁表面に破骨細胞が多く出現し、骨吸収が活性化されることが理解された。一方、同様に加重低減を図ったラットにVP通電刺激を行うと、それらの破骨細胞に顕著な変化を生じることも認められた。本来、破骨細胞は骨の表面に付着し、大型で多核であり、骨表面の吸収窩に密着して、そこに無数の波状縁を延ばす。確かに後肢懸垂群では同様な構造的特徴を示す細胞が多数観察される。しかし、VP通電刺激群ではそのような典型的な破骨細胞は減少し、大型で多核であっても、骨表面から遊離した状態の前破骨細胞様の細胞が多く認められる。このことから、通電刺激は破骨細胞の構造を変化させ、吸収活性を低下する可能性がある。 以上のことから、通電刺激による破骨細胞の構造変化を手がかりに、通電刺激による効果の機序を検討していく。さらに、同様な加重低減とVP通電刺激の方法を用いて、関節軟骨や関節包の変化についても検討する。
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Report
(2 results)
Research Products
(31 results)
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[Journal Article] Study in effects of electrical stimulation of different intervention durations of intervention with electrical stimulation on structural changes of tibial articular cartilage induced by hind-limb suspension in rats2022
Author(s)
ZENG, Xueqian, SUITOU, Hirai, MINAMIZONO, Wataru, YASHIMA,Nao, YANG,Chuwei, OHSAKO, Masafumi
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Journal Title
Bull. Grad. Sch. Toyo Univ.
Volume: 57
Pages: 185-194
Related Report
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[Journal Article] Histological study on structural changes in articular capsule with growth in rats2022
Author(s)
ANG,Chuwei,ZENG, Xueqian, SUITOU, Hirai, MINAMIZONO, Wataru, YASHIMA,Nao, OHSAKO, Masafumi
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Journal Title
Bull. Grad. Sch. Toyo Univ.
Volume: 57
Pages: 221-246
Related Report
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[Journal Article] Effect of transcutaneous electrical stimulation of the different intervention frequency on bone structure of femur in hindlimb-suspended rats2021
Author(s)
Minamizono,W.,Zeng, X.Q., Suitou,H., Yashima,N.,Young, C.W., Ohsako,M.
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Journal Title
Bull. Grad. Sch. Toyo Univ.
Volume: 5656
Pages: 173-184
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[Presentation] Effects of nonattached electrical stimulation on structures of lumbar vertebrate in hindlimb -suspended rats2021
Author(s)
Ohsako,M., Zeng,X.-Q., Suito,H., Minamizono,W., Yashima,N., Yang.C.
Organizer
26th European College of Sport Medicine
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Int'l Joint Research
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[Presentation] Effect of transcutaneous electrical stimulations to different sites after down-hill treadmill running on the tissue structure of tibial tuberosity in rats2021
Author(s)
Suito,H., Zeng, X.-Q., Minamizono,W., Yashima,N., Yang.C. Nakai,S., Fujikawa,K. ., Iwamoto,S., Ohsako,M.
Organizer
26th European College of Sport Medicine
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