2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of the bone mass maintenance method by the electricity stimulation in the sports external injury rehabilitation period and elucidation of the mechanism
| Project/Area Number |
18K10899
|
|---|
| Research Institution | Toyo University |
|---|
Principal Investigator |
大迫 正文 東洋大学, ライフデザイン学部, 教授 (60152104)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柴田 俊一 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (80187400)
中井 真悟 常葉大学, 健康プロデュース学部, 助教 (10825540)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | ラット後肢懸垂 / 鍼通電刺 / 経皮通電刺激 / 骨組織 / 組織学的解析 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、後肢懸垂したラットにおける骨の形成および吸収過程に及ぼす鍼通電と経皮通電刺激の効果を比較するとともに、それらの作用機序を明らかにすることを目的とした。材料として7週齢のウィスター系雄性ラット96匹を用い、それらを後肢懸垂群HS、後肢懸垂・鍼通電刺激群HSEA、後肢懸垂・経皮通電群HSTEおよび対照群COの4群に分類し、CO以外の3群は、2週間尾部懸垂を行った。HSEAは大腿前面に鍼を刺入し、通電（条件: 交流、幅250μsec、50Hz、0.24mArms）した。HSTEは大腿前面にパッドを貼り、経皮的に通電した（条件: 直流、60V、50Hz、200msec、80kHzの搬送波）。いずれの通電刺激も10分／回、1回／日、6日／週、2週間とし、実験期間終了後、各群から大腿骨を摘出し、光学および走査電子顕微鏡にて観察した。
破骨細胞はHSの皮質骨表面には多く観察されるが、HSTEやHSEA、COでは少なかった。HS では、破骨細胞に特異的な構造（波状縁、明帯ならびに多くのミトコンドリアや空胞）をもつ多核の細胞が、皮質骨表面に付着している状態が多く観察された。一方、HSTEと、特にHSEAでは、そのような典型的な構造が減少した破骨細胞が、皮質骨表面から離れ、骨膜や骨髄腔内に認められた。二次海綿骨の骨梁を骨形態計測学的手法によって計測すると、COおよびHSEAの骨密度はHSより有意(p<0.05)に高い値を示した。しかし、HSTEの骨梁の幅および骨量はHSに近い状況にあった。
これらのことから、加重低減に伴う骨量減少に対して、皮質骨に関しては鍼および経皮通電刺激のいずれも同様な骨吸収抑制効果をもたらすが、海綿骨に対しては鍼通電刺激においてのみ顕著な効果が得られることが理解された。また、通電刺激は破骨細胞の脱分化を引き起こす可能性が示唆された。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでに、報告者は加重低減を図ったラット大腿の骨膜まで、鍼灸針を刺入して通電することにより、破骨細胞の著しい減少を認め、この方法に骨量減少の抑制効果があることをすでに報告してきた。しかし、鍼の使用には資格が必要であるため、その資格のない多くの競技者やトレーナーは、傷害後のリハビリ期間中に、骨量を維持するためにこの方法を用いることができない。そのため、鍼灸針を用いずに、体表にパッド（電極）を貼って通電刺激する方法の開発が急務と考えられる。しかし、それによる刺激は筋にまで到達できるが、皮下の深部に位置する骨までは困難であった。最近、報告者と秘密保持契約を結んでいる企業がそれを可能にする装置を開発した。このような背景のもとで、本研究は後肢懸垂中のラットにおける骨の形成および吸収過程に及ぼす鍼および経皮通電刺激の効果を検討した。
当研究は通電刺激を将来的に一般化することを視野に入れ、鍼通電と経皮通電刺激の効果を比較、検討し、その結果、皮質骨と海綿骨の双方における効果の違いを明確にした。以前には、皮質骨に対する効果を検証していたため、本研究においても当初は皮質骨への効果を比較することが第一の目的であった。しかし、実験を進める過程において、搬送波を用いた直流電流の刺激が皮下の深部まで到達するが、その刺激は石灰化した組織である骨を貫いて、骨内部の海綿骨にまで到達し得るか否かという疑問が生じた。そのため、皮質骨に加え、海綿骨への効果も検討し、鍼通電は骨内部の海綿骨にまで刺激が達することができるが、経皮通電刺激の場合には皮質骨表面までにしか到達しないことが示唆された。さらに、通電刺激による骨吸収抑制の機序に関しては、その刺激によって破骨細胞の脱分化が誘導されることまでも明らかとなった。以上のように、本研究は平成30年度の目的を概ね果たせた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、経皮通電刺激に比べ、鍼通電刺激の方が皮質骨のみならず海綿骨に対しても、骨量維持を図る効果が認められた。そのため、経皮通電刺激をより効果的なものにして、この方法論の一般化を推し進めるためには、以下のような検討が必要と考えられる。
まず、当初の予定通り、平成31年度には皮下の浅い部位と深い部位に位置する骨に対する効果の比較検討を行う。骨粗鬆症患者では腰椎の圧迫骨折による円背がしばしばみられる。腰椎は背部の筋に被われるが、殿部や大腿に比べれば皮下の浅い部位に存在する。そこで、ラットを用いる本研究では、深部に位置する骨として大腿前面を、また、浅部に位置する骨として脛骨前縁、すなわち下腿前面を用いる。後肢懸垂したラットのそれらの部位に経皮通電を行い、その効果を比較する。そのほか、より効果的な経皮通電刺激の条件を得るために、この後、諸々の条件が整えば、通電刺激の電圧や搬送波の周波数を変えた実験にも取り組みたいと考えている。
通電刺激による骨吸収抑制の機序の解明に関しては、今年度、次のような結果が得られている。破骨細胞は、骨髄中や血中の単球の細胞が融合して多核となり、さらに波状縁や明帯のような典型的な構造的特徴を獲得し、骨吸収を行えるように分化する。本研究では、後肢懸垂されたラット大腿骨で破骨細胞が多く出現するが、通電刺激によってそのような破骨細胞に特異的な典型的な構造が消失した多核の細胞が出現する。また、それらは骨表面から離れた位置に認められ、これらのことから、通電刺激は破骨細胞の脱分化を引き起こす可能性が示唆された。そこで、今後はどのようなサイトカインがその脱分化を誘導するかについても検討する。最終的には、将来的な人への応用を視野にいれた研究として、介入頻度の違いが通電刺激に及ぼす効果の検討を考えており、この研究をもって当科学研究費の研究をまとめとしたい。
|
| Causes of Carryover |
昨年度の研究費は、旅費や人件費はほぼ計画通り執行したが、設備備品費、消耗品、その他の使途に変更があった。特に、設備備品費が残ったのは平成３０年度にダイヤモンドナイフを購入しなかったためであり、また、消耗品費が残ったのは高額な抗体試薬の購入が少なかったためである。今年度はそれらの実験に代えて、走査電子顕微鏡を用いた分析や、他の光学顕微鏡標本を用いた分析に力を注いだため、透過電子顕微鏡や抗体を用いる免疫染色に割く時間がなく、計画通りの予算執行ができなかった。
平成31年度には、当初の計画通り、皮下の深部まで刺激が到達できる新型の刺激装置を用い、経皮 通電刺激の効果が、筋の厚い部位（大腿前面）と薄い部位（下腿前面）で違いがあるか否かの検討を行う。ここでは、80匹のラットを後肢懸垂群HS、後肢懸垂・大腿経皮通電群、後肢懸垂・下腿経皮通電群HSTEおよび対照群COに分類し、HSおよびHSTEは、7週齢から2週間、ケージ内にて後肢を懸垂し、 COは同期間正常飼育する。さらに、HSTEには大腿前面と下腿前面から経皮通電刺激を行い、その刺激は10分／回、1回／日、5日／週とする。実験期間終了後、大腿骨を摘出して、組織学的に分析する。このような当初の計画に加え、平成31年度には昨年度実施できなかった透過電子顕微鏡による解析および免疫組織学的な分析も併せて実施する。
|
