骨組織の力学的反応性を調節するプレコンディショニング磁場刺激の役割

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H02181
• Research Institution: Niigata University of Health and Welfare
• Principal Investigator: 田巻 弘之 新潟医療福祉大学, 医療技術学部, 教授 (40253926)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 與谷 謙吾 鹿屋体育大学, スポーツ生命科学系, 講師 (10581142) ; 山本 智章 新潟医療福祉大学, その他部局等, その他 (30445902) ; 桐本 光 広島大学, 医歯薬保健学研究科, 教授 (40406260) ; 石道 峰典 大阪工業大学, 工学部, 講師 (80737536) ; 大西 秀明 新潟医療福祉大学, 医療技術学部, 教授 (90339953)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 骨組織 / メカニカルストレス / 磁場

Outline of Annual Research Achievements

筋収縮力は骨に機械的刺激を与える重要な因子のひとつであり低強度刺激で骨量低下を軽減する効果について検討した。電気刺激誘発性筋収縮により不動性骨量低下を軽減する効果が示された。また効果発現は一部機械的刺激を感知する経路が関与している可能性があり、条件により効果が減弱する傾向も示された。また静磁場やパルス磁場刺激により骨形成が促進されることが示唆されるが、これらは刺激条件によって効果が異なる可能性がある。筋収縮力による機械的刺激のコンディショニング刺激としての磁場刺激の効果について検証するため、磁場刺激による骨内磁場強度について刺激条件等の検討を行った。静磁場刺激において、9種類のネオジウム磁石を用いて磁石の形状および磁束密度の差異、場所や距離の差異による磁場強度の変化の特徴を調べた。本研究で用いた円形形状の磁石ではその直下で約50mTから560mTの磁場強度を示し、その距離が大きくなるにつれて磁場強度が低下した。距離4-5mmを変曲点として低下勾配が変化した。高磁束密度の磁石を用いて刺激した条件ではr=0.9957の高い相関関係を示し、磁場強度が距離依存的に減衰することが示された。パルス磁場刺激においては、10種類の刺激強度と骨内磁場強度とに高い正相関が示され、刺激装置の強度依存的に骨内磁場強度が変化した。また刺激距離の増大に伴い磁場強度が指数関数的減衰を示し、距離が30mm付近でその変曲点が示された。反復磁場刺激により骨形成タンパク質の増大が示され、骨芽細胞の骨形成機能が促進される可能性が示唆された。骨内磁場強度が50±10mTの範囲を惹起できる設定刺激条件については、静磁場刺激（9種類）で4-15mmの範囲、パルス磁場刺激（10％-30％強度）で10-90mmの範囲となり、静磁場刺激とパルス磁場刺激条件の骨内磁場強度についての対応関係について設定が可能となった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

磁場刺激が骨の機械的刺激に対する反応性に及ぼす影響について検討するために、パルス磁場刺激および静磁場刺激の骨組織での磁場強度を各種条件で検証した。磁場刺激は骨組織においても骨芽細胞等を刺激してその活性を促進することが示唆されているが、その条件により効果が異なることも示唆されており、条件設定は重要である。骨内磁場強度において刺激の種類、強度、距離等の条件の違いによる変化について検討できた。静磁場刺激においては用いるネオジウム磁石の形状や磁束密度、刺激距離の違い等について117条件で検討したが、2-560mT以下の強度で設定可能であることが理解された。C型形状磁石では内側直下よりも距離3-4mmのポイントにおいて最高磁場強度を示し、さらに距離が遠くなるにつれて低下した。また、これに対応するパルス磁場刺激の刺激条件も検討することができ、刺激強度、場所、刺激距離に関する対応条件も設定することが可能となった。また骨形成を促進する可能性のある刺激条件を検索することができた。これらの成果は今後の研究を効率的に実施する上で重要な知見となった。

Strategy for Future Research Activity

電気刺激誘発性筋収縮力による骨組織への機械的刺激が不動性骨萎縮を軽減する効果に関して、機械的刺激前に処方するコンディショニング磁場刺激の効果を種々の観点から検証していく。明らかとなった磁場刺激の条件と骨内磁場強度の関係性を基に効率的に処方条件の設定を行う予定である。今後は組織細胞レベルの効果検証のために、骨組織の微細構造解析や組織形態計測、顕微鏡観察、画像解析等を実施する予定である。構造的には、3次元骨梁構造解析を行い骨量、骨密度、骨梁幅、骨梁間距離、骨梁連結密度、骨梁数等につて、また皮質骨については皮質骨幅、断面積、total porosity等を評価する。機能的には、骨破断強度、最大強度、破断点ストローク、スティフネス、elastic modulus等を3点曲げ試験により評価する。磁場刺激が骨形成を促進する可能性やメカニカルストレスを感受する骨細胞の石灰化促進の可能性について検討するため、骨細胞の観察や骨細胞が産生する石灰化関連タンパク質について免疫染色を行い、効果が現れる項目を検索する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Effects of streptomycin administration on increases in skeletal muscle fiber permeability and size following eccentric muscle contractions. (2018)
  • Author(s): Hayao K, Tamaki H, Nakagawa K, Tamakoshi K, Takahashi H, Yotani K, Ogita F, Yamamoto N, Onishi H,
  • Journal Title: Anat Rec Volume: 301 Pages: 1096-1102,
  • DOI: 10.1002/ar.23770
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Streptomycin attenuates the effects of electrical stimulation-induced muscle contraction on reducing trabecular bone loss in the early stages of disuse in old rats. (2017)
  • Author(s): Tamaki H, Yotani K, Ogita F, Hayao K, Tamakoshi K, TakahashiH, Tsubaki A, Kirimoto H, Onishi H, Kasuga N, Yamamoto N,
  • Organizer: 2017 Annual Meeting of American Society for Bone and Mineral Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of repeated bouts on sarcolemmal permeability and muscle force production after eccentric contractions in rat skeletal muscle. (2017)
  • Author(s): Hayao K, Tamaki H, Nakagawa K,Yotani K, Ogita F, Yamamoto N, Kasuga N, Onishi H,
  • Organizer: 2nd Annual Congress of European College of Sport Science
  • Int'l Joint Research