2021 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of mechanosensor function acquisition process of osteocytes using 3D-volumetric image data
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19H03859
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
上岡 寛 岡山大学, 医歯薬学域, 教授 (80253219)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
植田 紘貴 岡山大学, 医歯薬学域, 助教 (10583445)
早野 暁 岡山大学, 大学病院, 講師 (20633712)
亀尾 佳貴 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 助教 (60611431)
原 徹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, ステーション長 (70238161)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | メカノセンサー / 骨細管 / 生体ボリュームイメージ解析 / FIB-SEM / 流体-構造連成解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、骨細管内の構造解析から得られた流体-構造連成解析を進めて流体応力が骨細胞の表面にどのように変形を与えているかを、共同研究者である亀尾佳貴先生を中心としたグループが国際誌Biomechanics and Modeling in Mechanobiologyに発表した。本研究では、骨細管壁と骨細胞突起を結ぶテザリングエレメントが骨細管内を流れる体液の移動で引っ張られ、細胞突起に付着する膜部位で10％を超える細胞膜変形を生じることが確認できた。この変形はメカニカルストレスにより細胞内カルシウム上昇などを生じるには十分な細胞膜変形量であることから、これら細胞突起周辺の微細構造が骨細胞の細胞突起をメカノセンサーとして重要な役割を果たしていることが示唆された。また、新たにFIB-SEM(Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy)で取得した高解像度連続断層写真を用いて、これまでより広域の細胞突起の3次元形態解析を行った。得られた断層画像から細胞突起、骨細管壁を自動抽出するために機械学習を初めて応用することができた。結果、DSC(dice similarity coefficient)は、83%となり、人が手動で抽出する同等の程度まで精度を上げることができた。これにより抽出した3次元画像から形態計測を行い骨細管の微細構造を数値化することにも成功した。以上の結果をJournal of Bone and Mineral Metabolismに報告した。また、これまでの研究の成果を第80回日本矯正歯科学会学術大会で行われた日本学術会議歯学委員会臨床系歯学分科会主催の公開シンポジウム「進化・発生・メカニカルストレスから探る顎顔面形成・維持機構最先端」でシンポジストとして発表した。
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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
当初の目的であった骨細胞突起がメカノセンサーとしてどのような機序で働いているかの解明を行うことができた。また、さらに骨細胞突起のネットワークの広がりがどのようにメカノセンサーとして役割を果たしているかを解明するために必要な広域高精細ボリュームイメージ解析を機械学習により行えることが確認できた。骨の成熟に伴う骨基質の硬度の変化については、本年度もコロナ禍により米国オハイオ大学との共同研究が行えなかったために次年度の課題となった。スウェーデンとの国際共同研究は、骨内機械的刺激装置のいくつかのプロトタイプを送ってもらい渡欧しての研究の準備を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の目的であった骨細胞突起がメカノセンサーとしてどのような機序で働いているかの解明を行うことができた。また、さらに骨細胞突起のネットワークの広がりがどのようにメカノセンサーとして役割を果たしているかを解明するために必要な広域高精細ボリュームイメージ解析を機械学習により行えることが確認できた。骨の成熟に伴う骨基質の硬度の変化については、本年度もコロナ禍により米国オハイオ大学との共同研究が行えなかったために次年度の課題となった。スウェーデンとの国際共同研究は、骨内機械的刺激装置のいくつかのプロトタイプを送ってもらい渡欧しての研究の準備を行っている。
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