2015 Fiscal Year Research-status Report
コラーゲン分子の非接触ナノ力学特性解析による骨質劣化の定量評価
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26350493
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
佐々木 直樹 北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 名誉教授 (40142202)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 骨強度 / 骨質 / コラーゲンマトリックス / 部分加水分解 / 最終糖化産物 / Debye-Waller 因子 / 緩和弾性率 / 動的弾性率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、骨粗鬆症診断基準として提案された「骨質」という概念を再定義し、骨強度を調べるうえで具体的に何を定量すればいいのかを明らかにすることを目的とする。特に、従来、骨生体力学的に重要視されてこなかったコラーゲン・マトリクスに着目した研究を行う。27年度は、研究計画調書及び26年度の実績報告書で提案した「今後の研究方策」に従い、骨質変性試料の緩和及び動的弾性率測定及び試料のDebye-Waller(DW)因子による変性度合いの定量実験を行った。骨質変性試料としては、部分加水分解試料と糖化処理試料を用いた。糖化処理試料では、骨内で最終糖化産物であるペントシジンがつくられ、骨コラーゲンに脆性を付することが予想されている。緩和弾性率測定結果は応力緩和の実験式に基づいて解析した。通常の骨では短時間領域と長時間領域にそれぞれ緩和が観測されるが、加水分解試料では、試料の極わずかな変化に対して、これらの間の領域に広い緩和時間分布を持つ一つの緩和が観測された。糖化試料では通常の骨と同様二つの緩和が観測されたが、糖化が進むにしたがって長時間領域の緩和時間がコントロール試料の緩和時間の数倍に増加することが見出された。そのほかの初期弾性率、短時間領域の緩和時間、各緩和の緩和時間分布には有意な変化は観測されなかった。またボイスコイルを用いて動的粘弾性測定装置を製作し、標準試料のガラス転移測定を行った。脱灰した骨質変性試料のDW因子測定では、試料ホルダー・温度制御装置の再構成を行ったため、処理時間毎の試料の弾性率決定を行ったが、変性による構造変化との対応には至っていない。最終年度内にコラーゲン分子の切断量や糖化で導入された非酵素的架橋量とDW因子の相関を取り、DW 因子を加水分解および糖化処理の指標とすることを目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
(1)糖化骨試料の動的粘弾性測定と、(2)DW因子を用いた糖化処理のモニターという点で予定より遅れている。(1)については、ボイスコイルを用いた動的粘弾性測定装置の製作に多くの時間を費やしてしまったことに依る。特に試料温度制御に当初通常のヒーターを使用したが、昇温・降温速度の制御などが不十分だった。急遽ペルチェ素子を使用し、プログラマブルな温度制御を作成した。この遅れにより、標準試料であるポリメチルメタクリレートおよびポリスチレンの測定にとどまった。(2)については、これまで用いていた試料ホルダーの断熱特性の向上が必要だった。DW因子の測定はX線回折に基づくため、ビームの入射・回折のための窓が必要である。更に、測定温度が室温を挟み摂氏0度から40度の範囲で行われるため制御が難しかった。窓材としてマイラ・シートを用い乾燥空気を流すことで結露を防止した。これらの再構成により、測定されたDW因子と実際の分子レベルの変化との対応までは到達できなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
28年度が最終年度に当たるため、実験過程で発生した問題を解決しながら、これまで積み残した課題を達成していかなければならない。
1.糖化試料の最終糖化産物(AGEs)の定量とDW因子の対応:骨における代表的なAGEsであるペントシジンはコラーゲン分子間に強固な架橋を形成し、コラーゲン線維を脆くすることが予想されている。当初処理試料の膨潤比を算出することでモニターできると考えていたが、実際に測定するとコントロールとの間に有意な差は見られなかった。処理の度合いとして、高速液体クロマトグラフィーやFTIRを用いペントシジンの定量を行うことにする。こうして求めたペントシジン量とDW因子の検量線を作成する。部分加水分解試料は膨潤比を測定することで分解量の定量ができたが、加水分解試料でも分解量とDW因子を対比し、検量線を作成する。これにより、DW因子が骨質変性の指標となりうる。
2.骨質変性試料の動的粘弾性測定:27年度に行う予定であった動的粘弾性測定を行い、緩和弾性率測定の結果と比較する。特に緩和弾性率測定ではできなかった、弾性率の温度依存性や周波数依存性を調べ、分子レベルで骨質がどのように変化するかを推定する。
以上から、骨質変性の生体力学的効果を議論し、骨質変化が骨強度にどのような影響を及ぼすか更にその分子論的起原を調べる。
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| Causes of Carryover |
年度を跨いで実験を継続しているため、消耗品等の発注が間に合わなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度消耗品費等として使用する
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