Innovative bone regeneration therapy to promote cell proliferation and differentiation by high-frequency current

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K11978
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 菅谷 勉 北海道大学, 歯学研究院, 教授 (10211301)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 本郷 裕美 北海道大学, 歯学研究院, 学術研究員 (00778970) ; 佐藤 賢人 北海道大学, 大学病院, 医員 (80784917) [Withdrawn]
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 高周波電流 / 骨形成 / 骨芽細胞 / 骨髄幹細胞 / 血管周皮細胞

Outline of Annual Research Achievements

まず頭蓋骨の骨膜を切除してチタンスクリューを埋入し、520 kHzの高周波電流を、Duty比70％で5秒間通電した。通電は０、４、７、11日目に行った。対照群は通電を行わなかった。３週後にマイクロCT及び組織観察を行った結果、実験群では骨形成が多量に観察され、とくに頭蓋内に突出したチタンスクリュー周囲への骨形成が対照群より多かったことから、高周波電流により脳硬膜最外層周囲の骨芽細胞の活性化に有効であることが明らかとなった。さらに骨髄腔の骨形成は対照群より促進されていたことから、骨髄幹細胞の骨芽細胞への分化を促進する効果も認められた。
次に、ラット頭蓋骨に外径5㎜のトレフィンバーで骨欠損を作製し、高周波電流を同様に通電したところ、新生骨は母床骨断端部から生じるものと、骨欠損中央部から生じるものとが見られた。骨欠損中央部から生じる新生骨は、母床骨周囲から生じるものより多量であり、骨再生に大きな効果を発揮していた。母床骨と離れた骨欠損中央部の結合組織内では、術後 4～7日で多数の毛細血管様の構造が認められ、11日以後ではその数が減少し、実験群では術後11～14日でALP陽性細胞が多数出現、一部は軟骨芽細胞様であった。これらの結果から、高周波電流刺激は治癒の初期における肉芽組織の血管周皮細胞を増殖させたり骨芽細胞に分化させたりする効果が高いと考えられた。すなわち、骨芽細胞の活性化より骨髄由来細胞の骨芽細胞分化に高い効果があり、血管周皮細胞の骨芽細胞分化には、さらに高い効果があると考えられた。
次に、ラット臼歯を露髄させて歯髄に高周波電流を通電した結果、マイクロCTで歯髄腔の不透過性更新が認められた。さらに組織観察では、骨様象牙質が多量にみられたことから、高周波電流は未分化細胞を周囲の環境に合わせて石灰化能を向上させるのではなく、骨芽細胞への強力な分化誘導を起こすと考えられた。