2021 Fiscal Year Annual Research Report
Multiscale Biomechanics of Bone Microdamage Sensing and Repair Mechanisms
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20H00659
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
安達 泰治 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 教授 (40243323)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 骨 / マイクロ損傷 / バイオメカニクス / 多階層力学 / 数理工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
骨粗鬆症等の高齢者に多くみられる骨疾患は、骨折リスクの増加や生活の質の低下を招く可能性が高く、適切な予防や治療法の確立が望まれている。しかしながら、骨の正常な代謝から細胞活動バランスの破綻に至る過程を理解し、さらに、その予防や治療において、運動等の力学的な作用と治療薬等の生化学的な作用の連関を理解することは容易ではない。本研究では、運動等により骨に蓄積されるマイクロ損傷に着目し、分子・細胞レベルの骨のマイクロ損傷の感知と細胞間シグナル伝達から、組織レベルの損傷修復・リモデリングに至る現象を多階層力学の観点から理解することを目指した。
メカノセンサー細胞と考えられている骨細胞のマイクロ損傷感知のメカニズム、および、破骨細胞・骨芽細胞による骨リモデリング・修復について、in vitro実験とin silico実験を融合した研究を展開する。数理モデルを用いたin silico実験では、骨細胞突起レベルの力学現象を明らかにし、これにより、骨細胞突起のメカノセンシング機構を探った。一方、in vitro実験においては、単離骨細胞に対する過度な力学刺激がもたらす一酸化窒素産生やアポトーシス誘導について探った。これらのin silico/in vitro実験の融合的アプローチにより、複雑な多階層性を有する骨システムにおける力学・生化学カップリング現象の解明を目指した。
これらの研究は、骨代謝の破綻により引き起こされる骨疾患に対して、運動・リハビリテーションなどの力学的な因子と、治療薬等の生化学的な因子との連関を明らかにし、骨疾患予防や治療戦略を立案するための有用な知見を与えるものと期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、骨細胞メカノセンシング機構における細胞突起の力・変形状態を解析し、細胞突起周囲の流れとテザリングエレメントによる力学刺激増幅機構の解明に取り組んだ。また、単離骨細胞を用いた実験により、骨のマイクロ損傷時に生じると考えられる骨細胞突起に対する過度な力学刺激が引き起こす一酸化窒素産生等との関連を探った。
１）細胞突起のメカノセンシング機構の力学的解明（in silico実験）：
通常の運動時に骨に生じる0.1-0.2%程度のひずみに対して、骨細胞がメカノセンシングする際には、細胞膜に数%以上の大きなひずみ生じると考えられている。そこで、骨細管壁と細胞膜との間を物理的に結合するテザリングエレメントに着目し、その係留効果による細胞膜上の局所的なひずみの増幅機構の解明を目指した。高解像度画像に基づいて作製した骨基質内における骨細胞突起のイメージベースモデルを用いて、骨細管内における流体流れと細胞突起の膜変形を連成させた力学解析を行い、細胞突起の細胞膜の変形を解析した。これにより、流れに対して生じる細胞突起変形の局所化と力学刺激の増幅機構との関連性を示した。
２）単離骨細胞に対する力学刺激とアポトーシスとの関連（in vitro実験）：
開発した磁気ピンセットを用いて、マウス単離骨細胞の細胞膜上に接着した磁気ビーズに対して定量的な力学刺激を与え、アポトーシスに至る過程における骨細胞の形態変化を観察した。特に、力学刺激に対する一酸化窒素産生とアポトーシスとの間に存在する時間階層的なカスケードにおいて、細胞骨格や細胞膜などの微細構造レベルの形態が変化する様子を明らかにした。従来観察されてきた力学刺激に対する骨細胞の短い時間スケールにおいて生じるカルシウム応答に対し、力学刺激感知から一酸化窒素産生を経て細胞形態変化に至る数10分間の遅い応答を明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
骨のマイクロ損傷感知と骨リモデリング・修復機構の解明を目指し、さらにin vitro実験とin silico実験の融合研究を進め、骨粗鬆症の治療薬投与と運動・リハビリによる新しい医療への応用方法を探索する。
１）マイクロ損傷に駆動されるリモデリングの数理モデル化（in silico 実験）：
通常の運動時に生じる荷重に対して、骨の内部にマイクロ損傷が蓄積される状態変化を損傷力学の手法を用いて数理モデル化する。ここでは、損傷変数の時間発展による損傷蓄積を表現し、マイクロ損傷により誘導される骨細胞アポトーシスを数理モデル化する。また、破骨細胞分化誘導の時間・空間発展式モデルを新たに提案する。これにより、マイクロ損傷によって誘導された破骨細胞が、リモデリング回転のトリガーとなり、骨の修復が開始する現象を表現する数理モデルを新たに提案する。特に、マイクロ損傷の蓄積に伴う骨の弾性係数の低下や構造の破壊など、構造・材料力学的観点から低次元モデルを用いて考察する。
２）三次元ゲル培養中の分化骨細胞ネットワーク構築（in vitro 実験）：
マウス頭蓋冠や大腿骨・脛骨を用いて、実際の骨細胞ネットワークの微細構造を観察する。ここでは、超薄切片を用いた観察など、骨細胞の細胞体・細胞突起周囲の微細構造を明らかにする。また、コラーゲンゲル内部に三次元の骨細胞ネットワークを構築するin vitro手法を用いて、骨芽細胞から骨細胞へと分化しながら細胞間ネットワークを形成する様子を観察する。特に、離散的に分化する過程において形成されることが予想される細胞突起の形態に着目する。さらに、力学刺激に対する骨細胞のカルシウム応答が、ネットワーク間で伝播される様子を観察するin vitro実験系を確立する。
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