2016 Fiscal Year Research-status Report
骨細胞ネットワークの分泌蛋白ソーティングとミニモデリング誘導メカニズム
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16K15771
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
網塚 憲生 北海道大学, 歯学研究科, 教授 (30242431)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 骨細胞 / リモデリング / ミニモデリング / スクレロスチン / 骨細管 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度の研究計画は、骨細胞・骨細管系ネットワークにおける分泌蛋白のソーティングについてである。その内容は、ミニモデリングで骨形成された領域における骨細胞ネットワークの規則性、スクレロスチンの局在、メカニカルストレスの分布におけるシミュレーションとなっている。ミニモデリングを誘導することが知られているエルデカルシトール（活性型ビタミンＤ３アナログ）をラットに投与し、骨細胞ネットワークを観察すると、成熟骨よりも規則性にかけた骨細胞の分布が認められた。スクレロスチンの局在については、ミニモデリングで形成された骨基質内の骨細胞および細管領域にはスクレロスチン陽性反応は認められなかった。一方、皮質骨などの成熟骨における骨細胞・骨細管にはスクレオスチンの陽性反応が観察された。免疫電顕で観察すると、骨細胞由来の別の因子であるDMP-1は骨小腔や骨細管の壁に局在するのに対して、スクレロスチンは細胞突起と細管内部の両方に局在しており、特に、骨芽細胞に向かう細管においてスクレロスチン強陽性反応が認められた。このことから骨細胞によるスクレロスチンの分泌方向が定まっている可能性が示唆された。現在、連続切片を作成し、ミニモデリング領域を3次元構築することで、メカニカルストレスの分布について有限要素法で解析する予定である。さらに、研究計画の一部として掲げたFIB-SEMによる骨芽細胞および骨細胞の3次元微細構造解析については、骨細胞から伸びる細胞突起を立体構築して観察すると、骨細胞体から太く短い細胞突起が水平に伸びており、そこから細長い細胞突起が水平に分岐していること、さらに、その細長い細胞突起がある程度の伸びた箇所で垂直に折れ曲がり、骨芽細胞へと続いていることを明らかにしている。
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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
ミニモデリングで骨形成が誘導された部位にはスクレロスチンの陽性反応が認められなかったこと、また、同部位において前骨芽細胞の細胞層は薄く、また、細胞増殖も活発でないことを確認していることから、ミニモデリングは、骨細胞からのスクレロスチン産生の抑制によって誘導される可能性が強く示唆された。この結果は、本研究のテーマであるミニモデリング誘導メカニズムの一端を解明するものと考えられる。一方、マウス・ラットなどのメカニカルストレスの分布については有限要素解析を用いて行う予定であるが、小動物のmicroCT像などから、直接、自動的に、メカニカルストレスのシミュレーションを行うソフトウェアがないため、連続切片を用いた立体構築像の作成に時間を有した。しかし、現在、ミニモデリング部位を同定しうる立体構築ができており、今後、有限要素解析を行う予定である。さらに、FIB-SEMの解析成果の一部は既に論文に掲載することができたため、全体的に判断して、おおむね順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、ミニモデリングで骨形成された部位とメカニカルストレスの分布について有限要素解析を施行する予定である。この点が明確になれば、従来、ミニモデリングがメカニカルストレスによって誘導されるのか否かについて明らかにすることができる。また、メカニカルストレスを感知する細胞については、骨細胞ネットワークが最有力視されており、今回の解析に重要な情報を提供できると考えられる。また、平成28年度では、活性型ビタミンＤアナログだけでなく、以前、我々が明らかにしたPTH低頻度間歇投与で誘導されるミニモデリング、さらに、osteoprotegerinやスクレオスチンの分布についても解析したい。
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| Causes of Carryover |
研究成果でも記したように、ミニモデリングで誘導された骨形成部位とメカニカルストレスの集中部位を明らかにするためにはシミュレーション解析となり、現在、有力な方法は有限要素解析である。ヒトなどにおいてはmicroCTで採取された画像をそのまま有限要素解析に使用できるが、マウス・ラットなどの小動物ではそのようなソフトウェアがないため、連続切片を作成し立体構築を得るのに時間を有した。その後のサンプル作成や解析などを平成29年度に行うため、未使用額が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
エルデカルシトールでミニモデリングを誘導したサンプルの連続切片を基に構築した立体構造が得られており、今後、それを基にメカニカルストレスの分布とミニモデリング誘導部位の有限要素解析を行う。これについては、未使用額をその経費に充てることとしたい。そのほかとして、活性型ビタミンＤアナログだけでなく、PTH投与におけるミニモデリング誘導、さらに、osteoprotegerinやスクレオスチンの分布についても解析することでミニモデリング誘導に関する骨細胞由来因子の役割について明らかにしてゆきたい。
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[Journal Article] Biological application of focus ion beam-scanning electron microscopy (FIB-SEM) to the imaging of cartilaginous fibrils and osteoblastic cytoplasmic processes.2017
Author(s)
Hasegawa T., Endo T., Tsuchiya E., Kudo A., Zhao S., Moritani Y., Abe M.,Yamamoto T., Hongo H., Tsuboi K., Yoshida T., Nagai T., Khadiza N., Yokoyama A., Freitas de PHL., Li M., Amizuka N.
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Journal Title
Journal of Oral Biosciences
Volume: 59巻
Pages: 55-62
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Immunolocalization of osteocyte-derived molecules during bone fracture healing of mouse ribs.2016
Author(s)
Liu Z., Yamamoto T., Hasegawa T., Hongo H., Tsuboi K., Tsuchiya E., Haraguchi M., Abe M., Freitas PHL., Kudo A., Oda K., Li M., Amizuka N.
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Journal Title
Biomedical Research
Volume: 37巻2号
Pages: 141-151
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Frequency of teriparatide administration affects the histological pattern of bone formation in mice.2016
Author(s)
Yamamoto T., Hasegawa T., Sasaki M., Hongo H., Tsuboi K., Shimizu T., Ohta M., Haraguchi M., Takahata T., Oda K., Freitas PHL., Takakura A., Takao-Kawabata R., Isogai Y., Amizuka N.
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Journal Title
Journal of Endocrinology
Volume: 157巻7号
Pages: 2604-2620
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Histochemical examination of high-dose 1, 25(OH)2D3 effects on bone remodeling in young growing rats.2016
Author(s)
Sun J., Sun B., Wang W., Han X., Liu H., Du J., Feng W., Liu B., Amizuka N., Li M.
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Journal Title
The Journal of Molecular Histology
Volume: 47巻4号
Pages: 389-399
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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