| Project/Area Number |
21K12631
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
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| Research Institution | Teikyo University |
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Principal Investigator |
伊藤 聰一郎 帝京大学, 付置研究所, 客員教授 (10242190)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横堀 壽光 帝京大学, 公私立大学の部局等, 教授 (00124636)
尾関 郷 帝京大学, 公私立大学の部局等, 講師 (10781528)
山下 仁大 東京医科歯科大学, 歯学部, 非常勤講師 (70174670)
大見 敏仁 湘南工科大学, 工学部, 准教授 (90586489)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 応力誘起物質拡散解析 / 骨形成機構 / 静水圧応力 / 非侵襲血管疾患診断装置TRY-1 / 血管壁構造変化の評価 / 動脈硬化 / 骨粗鬆症 / 仮骨延長 / 粘弾性特性 / 応力緩和 / Quasi-static試験 / 負荷変位速度 / 負荷荷重 / 牽引速度 / 血管壁の構造変化 / 血行動態 / 骨形成機能 / 応力誘起物質拡散解析システム / 有限要素応力解析プログラム / 骨化過程シミュレーション / 圧電気(Piezoelectricity) / 流動電位 / 有限要素法 / 応力誘起物質拡散方程式 |
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| Outline of Research at the Start |
骨の圧電効果を制御することにより生体内の骨欠損部位へ骨リモデリングを誘導するためには、生体内の骨化過程を物理・化学現象ととらえて数式化し、加える力学的負荷を規定することにより、骨を形成するコラーゲン表面で生じるハイドロキシアパタイト(HA)の沈着、すなわち骨形成部位と骨量を予測すればよい。
研究者らは仮骨延長モデルで有限要素法により仮骨部の応力解析を行い、多軸応力勾配を求めて応力誘起拡散解析プログラムに組み込み、引っ張り応力が仮骨形成に及ぼす影響を解明した。この応力誘起物質拡散解析システムを長管状骨剪断モデルと圧縮モデルに適用できるように改訂し、骨化過程をシミュレーションすることを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで、骨形成に関わるCaイオンの拡散・凝集挙動について静水圧応力を駆動力とする拡散方程式で解析したが、これは骨が優先的に形成されるコラーゲンまでのマクロ現象に関わるものであった。本年度はコラーゲン内へCaイオンが輸送される過程を解析し、コラーゲンの間隔が大きくなるほど流体剪断応力が高くなり、Caイオンが深くまで拡散することが示された。これまでの研究成果より、1. Caイオン等の骨形成イオンは、骨形成が優先的に生じる部位まで巨視的輸送過程も、その部位での骨化に寄与するコラーゲンへのCaイオンの侵入過程も、静水圧応力の寄与が大きいこと、2. 骨形成を促進するためには、変動負荷ではなく、静的負荷が必要であること、が示唆された。
このような骨再生の研究を進めるうち、骨再生と血管形成が強い関係を持つことに関心を持ち、研究分担者横堀らが開発した非侵襲血管疾患診断装置TRY-1を用いて血行動態と骨形成機能が相互に及ぼす影響を解明できるのではないか、という新たなアイデアを想起した。
この研究の予備実験として、国際医療福祉大学・市川病院において、原発性骨粗鬆症の女性患者15名を対象に、以下のデーターを収集した； CT/有限要素法による予測骨強度と頸動脈エコー測定値（I*値）、およびDXA法による骨密度、骨代謝マーカー、バイオマーカー、ADL（Barthel Index）。これらの関連性を確認するため、Pearsonの積率相関係数を求めた後、従属変数を頸動脈エコー測定値とし、従属変数として関連するパラメーターに年齢、体格を加えて、重回帰分析を行った。この結果、I*値と予測骨強度に有意な相関が認められ、重回帰分析でもI*値と予測骨強度値に相関が認められた。これは予測骨強度値と動脈硬化の病態が関連することを示唆する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究は以下の二つの課題からなるが、後述のごとく研究目的をより精緻に達成するため想定以上に時間を要していることが遅延の原因である。
課題1.
共同研究者の横堀と大見らは長管状骨仮骨延長モデルの研究に基づき、応力誘起物質拡散数値解析プログラムを作成した。このプロがラムを用いて荷重下で生ずるイオンの移動を数値解析して、骨形成部位と骨量を予測する解析プログラムに改良を加えるため時間を要している。本年度は、骨形成機構について、マクロスケールからミクロスケールまで解析することができ、静水圧応力が重要なパラメーターであることを明らかにできたので、本年度の研究目標は達成されたと考える。
課題2.
共同研究者の横堀は非侵襲血管疾患診断装置TRY-1を開発した。これは動脈硬化進行度や動脈瘤形成など血管壁の構造変化を評価できる。本研究ではこの装置を用いて骨粗鬆症患者の血管壁構造変化を評価するとともに、骨密度や骨代謝マーカーを同時に測定して、循環器系疾患と骨形成機能低下の相関関係を解析することを目指している。国際医療福祉大学・市川病院と連携して、原発性骨粗鬆症患者を対象にデーターを収集するための手続きに時間を要してしまった。今後、骨粗鬆症と動脈硬化との関連性が明らかになれば、医学的見地から見て、より多角的な診断が可能になることが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
二つの課題について以下のように研究を進める。
課題1. 長管状骨仮骨延長モデルの研究において、独自に作成した応力誘起物質拡散数値解析プログラムを用いて、荷重下で生ずるイオンの移動を数値解析する。
１．コラーゲン表面にCaイオンが輸送され、コラーゲン内部へCaイオンが到達する過程についての理論を構築するため、追加実験を行ないデーターを解析する。
２．この結果に基づき、応力誘起物質拡散解析システムを改訂する。このプログラムを用い、3次元応力解析を行なって、3次元的理論の妥当性を検証する。
課題2.研究分担者横堀らが開発したTRY（医療器製造承認番号21600BZx00440000, 2004~2009年3月、保険適用：区分A2（特定包括））は大径動脈の動脈硬化進行度や動脈瘤形成など血管壁の構造変化を評価するとともに、拍動の乱れを詳 細に計測できる。一方、国際医療福祉大学・市川病院の別所らは骨のCT画像を有限要素法で構造解析し、骨強度を予測するcomputed tomography based finite element method (CT/FEM)を考案した。国際医療福祉大学・市川病院において、原発性骨粗鬆症患者を対象にTRYを用いて血管壁構造と血流の変化を評価し、CT/FEMにより骨強度の変化を予測する。さらに二重エネルギーX線吸収測定法(dual-energy X-ray absorptiometry: DXA)法による骨密度や骨代謝マーカー等の計測を行なう。得られたデーターの相関関係を多変量解析することにより、骨粗鬆症の治療により血行動態が改善されることを示し、骨粗鬆症の治療が動脈硬化性病変の進行を抑制することを実証する。そして、血行動態と骨形成機能が相互に影響を及ぼすことを証明することを目指す。
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