骨形成因子の機能発現における細胞間マトリックスの役割

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05454495
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 久保木 芳徳 北海道大学, 歯学部, 教授 (00014001)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 滝田 裕子 北海道大学, 歯学部, 教務職員 (30125330) ; 藤沢 隆一 北海道大学, 歯学部, 助手 (40190029) ; 水野 守道 北海道大学, 歯学部, 助手 (10125354)
• Keywords: BMP / 細胞外マトリックス(ECM) / 担体 / 多孔性アパタイト / 線維性ガラス膜 / 血管阻止構造 / 血管確保構造 / 骨形成

Research Abstract

骨形成蛋白質(以下BMP)は、骨以外の皮下あるいは筋肉に適切な担体と共に埋植すると異所性に軟骨及び骨の形成を誘導する分化因子である。しかし何が適切な担体であるかについては、BMPを抽出後の骨の不溶性マトリックス(以下IBM)が有効である事実以外は、殆ど不明であった。我々は、IBM以外にBMPの担体になりうる物質を、(1)線維状、(2)顆粒状、(3)ブロック状に分けて系統的に追求し、その必要条件を検討した。現在までに少なくても7種類の担体を開発、検討した結果、BMP担体は単なる薬剤徐放系ではなくその上で間葉細胞が分化、増殖するための細胞支持体であり、外来性の細胞外マトリックスに他ならないことを明らかにした。7種類の担体を、部分精製BMP(S300 BMPカクテル)と複合してラット皮下に埋植した場合、充実顆粒状のヒドロキシアパタイト(HAP)以外は、それぞれ特徴ある軟骨・骨誘導能を示した。そのうち最も特徴ある担体は線維状ガラス膜(FGM)と多孔性顆粒状HAP(PPHAP)であった。
FGMの膜内では、専ら軟骨のみが誘導され、骨形成は膜の表面のみに限られていた。その理由は、保留径1μmのガラス線維膜では未分化間葉細胞は進入出来るが、毛細血管は進入できないため(血管阻止構造)、低酸素、低栄養の環境の膜内に軟骨が形成されると解釈された。
これと対照的に、PPHAPにおいては軟骨は全く出来ず、気孔の内外に専ら骨のみが誘導された。その理由は、PPHAPの個々の顆粒内の貫通性気孔がお互いに連絡しあって連続性空洞(血管確保構造)を形成し、その結果、旺盛な血管進入が骨形成を導くものと解釈された。以上の端的な2例は、マトリックスの立体幾何学的性質が細胞分化を支配する最初の明確な証明であり、人工マトリックスとサイトカインを用いる組織誘導の分野の一里塚となったと考えられる。

Research Products

• [Publications] Kuboki,Y.: "Two distinctive BMP-carriers induce zonalchondrogenesis and membranous ossification,respectively." Connect.Tissue Res.(in press).
• [Publications] Hashimoto,Y.: "Effect of BMP on the differentiation of bone marrow stromal cells into osteoblasts in a collagen-gel culture." Jpn.J.Oral Biol.(in press).
• [Publications] Zhou,H.Y.: "Stimulation by bone sialoprotein of calcification in osteoblast-like MC3T3-E1 cells" Calcif tissue Int. (in press).
• [Publications] Takita,H.: "Conformational changes of bovine bone osteonectin induced by interaction with calcium." Calcif Tissue Int. (in press).
• [Publications] Kuboki,Y.: "Characteristic changes of reducible collagen cross-links to the hard tissue pattern in turkey tendon upon calcifi." J.Hard Tissue Biol.3. 21-28 (1994)
• [Publications] Fujisawa,R.: "In vitro and in vivo association of dentin phosphophoryn with α1CB6 peptide of type 1 collagen." Connect.Tissue Res.31. 1-10 (1994)
• [Publications] Iida,S.: "Bone formation in osteoporotic rats,reduced effect of bone morphogenetic protein(BMP)ascribed to the suppressed osteoblast differentiation." Jpn.J.Oral Biol.36. 249-262 (1994)
• [Publications] Hasegawa,T.: "The effect of the extracellular matrix on differentiation of bone marrow stromal cells to osteoblasts." Jpn.J.Oral Biol.36. 383-394 (1994)
• [Publications] Missana,L.: "Comparative histological studies of bone and cartilage formations induced by various BMP-carrier composites." Jpn.J.Oral Biol.36. 9-19 (1994)
• [Publications] Taira,T.: "A new method for in vitro calcification using acrylamide gel and bovine serum." Connect.Tissue Res.in press.
• [Publications] Iijima,M.: "In vitro crystal growth of octacalcium phosphate on type I collagen fiber." J.Crystal Growth. 137. 553-560 (1994)
• [Publications] Iijima,M.: "Oriented growth of octacalcium phosphate crystals on type I collagen fibrils under physiological conditions." J.Crystal Growth. 140. 91-99 (1994)
• [Publications] 伊藤 豊: "歯周治療へのBone morphogenetic protein(BMP)の応用に関する研究-リコンビナントBMP配合コラーゲン膜による骨形成の観察-" 日歯周誌. 36. 56-66 (1994)
• [Publications] 松本 敦至: "Bone morphogenetic protein配合のコラーゲン線維膜による骨誘導に関する病理組織学的研究" 日歯周誌. 36. 149-161 (1994)
• [Publications] 斉藤 彰: "Bone morphogenetic protein(BMP)による水平性骨欠損部の再生療法の研究" 日歯周誌. 36. 810-822 (1994)
• [Publications] Shigenobu,K.: "Localization of bone morphogenetic protein-induced bone and cartilage formation on a new carrier." Ann.Chir.Gynaecol.82. 85-90 (1993)
• [Publications] Kuboki,Y.: "Amino-terminal location of pyridinoline in dentin collagen." Connect.Tissue Res.29. 87-98 (1993)
• [Publications] Fujisawa,R: "Differences in composition of cell-attachment sialoproteins between dentin and bone." J.Dent.Res.72. 1222-1226 (1993)
• [Publications] Sasano,Y: "BMPs induce direct bone formation in ectopic sites independent of the endochondral ossification in vivo." The Anatomical Record. 236. 373-380 (1993)
• [Publications] Wada,Y.: "A simple method to survey proteins which affect in vitro mineralization." Jpn.J.Oral Biol.35. 439-442 (1993)
• [Publications] 久保木芳徳: "コラーゲン線維の生化学" 医学のあゆみ. 165. 363-366 (1993)
• [Publications] 久保木芳徳: "骨再建の原理" 歯科ジャーナル. 38. 397-407 (1993)