| Research Abstract |
本研究では,リモデリングによる骨の機能的適応現象のメカニズム解明に向け,骨細胞による力学刺激感知,および,細胞間の生化学的シグナル伝達という微視的な細胞活動から,巨視的な骨構造変化を再現可能な数理モデルの構築を目指している.骨細胞による力学刺激感知過程には,骨小腔-骨細管系内の間質液の流れが重要な役割を担っているとの仮説を受け,本年度は,骨細管壁の微細構造が,内部に存在する間質液の流れと,それにともなう骨細胞突起の変形に及ぼす影響に着目し,計算機シミュレーションを援用した力学的検討を行った.以下に,本年度中の主な研究実施内容と,得られた成果をまとめる.
1.骨細管イメージベースモデルを用いた間質液流れシミュレーション
超高圧電子顕微鏡により取得した骨細管・骨細胞突起の電子断層画像をもとに,骨細管壁と細胞突起に挟まれた細胞周囲間隙領域を三次元再構築した.このようにして作成した骨細管イメージベースモデルを用い,格子ボルツマン法により骨細管内の間質液の力学的挙動を解析した.その結果,定常状態において,骨細管内の間質液の流れは層流であり,その流速は,骨細管壁ならびに細胞突起の凹凸に起因して,流路内の位置に大きく依存することが示された.
2.骨細管内の間質液流れによる骨細胞突起変形シミュレーション
細胞膜を微小な三角形要素の集合体で表現した骨細胞突起の数理モデルを構築したさらに,格子ボルツマン法による流体解析と細胞突起モデルとを組み合わせ,間質液と細胞突起との流体-構造連成解析を行った.その結果,細胞膜の局所的な力学特性が,細胞突起全体の変形挙動に影響を及ぼすことが示唆された.また,骨細管壁の凹凸の存在により,内部を流れる間質液の流速分布が複雑になるため,骨細胞突起は,骨細管の長軸方向のみならず,それに垂直な方向にも変形することが確認された.
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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
交付申請書に記載の通り,超高圧電子顕微鏡観察に基づく詳細な三次元骨細管モデルの構築に加え,間質液の流れに起因する骨細胞突起の局所的な変形を調べるための基本的な解析手法の提案が実現できたことから,本研究はおおむね順調に進展しているものと判断される.
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| Strategy for Future Research Activity |
骨細管内にはプロテオグリカンをはじめとする多数の高分子が存在しており,これが間質液の流れに対する抵抗として作用し,骨細胞突起の変形に重要や影響を及ぼすことが明らかにされてきた.そこで,従来の研究計画を遂行する前に,本年度に提案した間質液と細胞突起との流体-構造連成解析手法に対して,新たに高分子鎖の影響を考慮することにより,力学刺激感知過程における骨細胞の局所的な変形を解析する.その後,得られた知見をもとに,骨細胞から産生されるシグナル分子の細胞間伝達過程,および,その結果として生じるリモデリングによる骨梁形態変化を計算機シミュレーションにより解析し,微視的な細胞活動と巨視的な骨構造変化との関連について検討を行う.
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