神経・血管の視点から解き明かす筋骨格系の恒常性維持機構と筋骨格系疾患の新たな病態

• 研究課題/領域番号: 23K24455
• 補助金の研究課題番号: 22H03196 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分56020:整形外科学関連
• 研究機関: 東京医科歯科大学
• 研究代表者: 佐藤 信吾 東京医科歯科大学, 東京医科歯科大学病院, 講師 (40462220)
• 研究分担者: 越智 広樹 国立障害者リハビリテーションセンター(研究所), 研究所 運動機能系障害研究部, 研究員 (30582283)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2024年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2023年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: 組織透明化技術 / 三次元イメージング / 神経・血管系 / 宇宙実験 / メカニカルストレス

研究開始時の研究の概要

骨の細胞と神経・血管系はお互いにネットワークを形成し、外界の環境の変化やストレスを感受していると考えられている。近年、研究代表者らは、骨組織・筋組織内の神経・血管の詳細な走行が観察可能な独自の筋骨格系透明化技術を開発し、筋骨格系組織の恒常性維持には神経・血管系が重要である可能性を見出している。
そこで本研究は、筋骨格系透明化技術・三次元イメージング・宇宙実験といった最先端技術を駆使し、筋骨格系組織の恒常性維持における神経・血管系の生理的・病態生理的意義を明らかにする。また、透明化技術を様々な骨疾患の病態解析に応用し、新規治療法の開発にも繋げる。

研究実績の概要

1)筋骨格系透明化技術を用いた三次元イメージングと神経系による骨恒常性維持機構の解明
骨透明化技術を用いてSox10-Venusマウスの長管骨の三次元イメージングを実施したところ、神経は特定の一点から長管骨内へと侵入し、骨内に侵入後、近位・遠位へと投射することを見出した。また、マウス長管骨内に侵入する神経を外科的に切離する除神経モデルを独自に確立し、神経が切離された骨組織の解析を行ったところ、骨内の神経形成の著しい低下と、骨形成の低下に起因する骨量の減少が認められた。骨内神経の大半はカルシトニン遺伝子関連ペプチド（CGRP）を発現する感覚神経であることから、除神経を行ったマウスにCGRPの持続皮下投与を行ったところ、CGRPの投与により除神経による骨量減少は有意に抑制された。さらに、CGRPがマウス骨芽細胞の活性や分化に与える影響を検討したところ、CGRPの添加により骨芽細胞の活性は亢進し、骨形成が促進されることも見出した。これらの結果から、骨内に侵入する感覚神経がCGRPの分泌を介して骨芽細胞の活性を調節し、骨量ならびに骨恒常性の維持に重要な役割を果たしている可能性が示唆された。なお、本研究成果をまとめた論文はScientific Reports誌に掲載された（佐藤ら、Sci Rep. 2023）。

2)神経・血管系に着目したメカニカルストレス・重力による筋骨格系恒常性維持機構の解明
メカニカルストレス減少/増加モデルマウスの透明化三次元構造解析：宇宙航空研究開発機構（JAXA）と共同で、宇宙微小重力環境で飼育されたマウスおよび人工過重力環境飼育装置で飼育されたマウスの筋骨格系組織の透明化三次元構造解析等を実施し、メカニカルストレスの減少/増加が筋骨格系組織の神経・血管系に与える影響を検討した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画通り概ね順調に研究は進行している。

今後の研究の推進方策

1)神経・血管系に着目したメカニカルストレス・重力による筋骨格系恒常性維持機構の解明
a)メカニカルストレス減少モデルマウスの透明化三次元構造解析：2022年度に引き続き、2023年度も宇宙微小重力環境で飼育されたマウスの筋骨格系組織の透明化三次元構造解析等を進め、メカニカルストレスの減少が筋骨格系組織の神経・血管系に与える影響を明らかにする。 b)メカニカルストレス増加モデルマウスの透明化三次元構造解析：2022年度に引き続き、2023年度も人工過重力環境飼育装置で飼育されたマウスの筋骨格系組織の透明化三次元構造解析等を進め、メカニカルストレスの増加が筋骨格系組織の神経・血管系に与える影響を明らかにする。

2)筋骨格系透明化技術の骨代謝異常疾患の病態解析への応用
a)閉経後骨粗鬆症：卵巣摘出術を施行したマウスの筋骨格系組織の透明化三次元構造解析等を実施し、閉経後骨粗鬆症の進行が筋骨格系組織内の神経・血管系のネットワークに与える影響を明らかにする。 b)骨折治癒：マウス長管骨の骨折モデルを確立し、骨折部の透明化三次元構造解析等を実施することで、骨折の治癒過程における神経・血管の伸長や分布の変化について明らかにする。 c)がんの骨転移：マウスの尾動脈より高転移能がん細胞株を移植して大腿骨および脛骨への骨転移を誘導し、形成された骨転移病変の透明化三次元構造解析等を実施することで、骨転移の形成過程における神経・血管の分布の変化やがん細胞との相互作用を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] L-type amino acid transporter 1 in hypothalamic neurons in mice maintains energy and bone homeostasis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Park G, Fukasawa K, Horie T, Masuo Y, Inaba Y, Tatsuno T, Yamada T, Tokumura K, Iwahashi S, Iezaki T, Kaneda K, Kato Y, Ishigaki Y, Mieda M, Tanaka T, Ogawa K, Ochi H, Sato S, Shi YB, Inoue H, Lee H, Hinoi E.
  • 雑誌名: JCI Insight 巻: 8 号: 7
  • DOI: 10.1172/jci.insight.154925
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three-dimensional visualization of neural networks inside bone by Osteo-DISCO protocol and alteration of bone remodeling by surgical nerve ablation (2023)
  • 著者名/発表者名: Utagawa Kurando、Shin Takaei、Yamada Hironori、Ochi Hiroki、Sunamura Satoko、Unno Aiko、Akazawa Chihiro、Ema Masatsugu、Takeda Shu、Okawa Atsushi、Sato Shingo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 4674-4674
  • DOI: 10.1038/s41598-023-30492-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Erk5 in Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Regulates Bone Homeostasis by Preventing Osteogenesis in Adulthood (2022)
  • 著者名/発表者名: Horie Tetsuhiro、Fukasawa Kazuya、Yamada Takanori、Mizuno Seiya、Iezaki Takashi、Tokumura Kazuya、Iwahashi Sayuki、Sakai Shiho、Suzuki Akane、Kubo Takuya、Osumi Ryoma、Tomizawa Akane、Ochi Hiroki、Sato Shingo、Kaneda Katsuyuki、Takahashi Satoru、Hinoi Eiichi
  • 雑誌名: Stem Cells 巻: - 号: 4 ページ: 011-011
  • DOI: 10.1093/stmcls/sxac011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Foxf2 represses bone formation via Wnt2b/β-catenin signaling (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Tomoyuki、Takahashi Akira、Kobayashi Yutaka、Saito Masanori、Xiaolong Sun、Jingquan Chen、Ito Yoshiaki、Kato Tsuyoshi、Ochi Hiroki、Sato Shingo、Yoshii Toshitaka、Okawa Atsushi、Carlsson Peter、Inose Hiroyuki
  • 雑誌名: Experimental & Molecular Medicine 巻: 54 号: 6 ページ: 753-764
  • DOI: 10.1038/s12276-022-00779-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The role of CDK8 in mesenchymal stem cells in controlling osteoclastogenesis and bone homeostasis (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamada Takanori、Fukasawa Kazuya、Horie Tetsuhiro、Kadota Takuya、Lyu Jiajun、Tokumura Kazuya、Ochiai Shinsuke、Iwahashi Sayuki、Suzuki Akane、Park Gyujin、Ueda Rie、Yamamoto Megumi、Kitao Tatsuya、Shirahase Hiroaki、Ochi Hiroki、Sato Shingo、Iezaki Takashi、Hinoi Eiichi
  • 雑誌名: Stem Cell Reports 巻: 17 号: 7 ページ: 1576-1588
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2022.06.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transcriptional coregulator Ess2 controls survival of post-thymic CD4+ T cells through the Myc and IL-7 signaling pathways (2022)
  • 著者名/発表者名: Takada Ichiro、Hidano Shinya、Takahashi Sayuri、Yanaka Kaori、Ogawa Hidesato、Tsuchiya Megumi、Yokoyama Atsushi、Sato Shingo、Ochi Hiroki、Nakagawa Tohru、Kobayashi Takashi、Nakagawa Shinichi、Makishima Makoto
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 298 号: 9 ページ: 102342-102342
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102342
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of the Factor That Leads Human Mesenchymal Stem Cell Lines into Decellularized Bone (2022)
  • 著者名/発表者名: Koyanagi Anri、Onishi Iichiroh、Muraoka Karin、Sato Ikue、Sato Shingo、Kimura Tsuyoshi、Kishida Akio、Yamamoto Kouhei、Kitagawa Masanobu、Kurata Morito
  • 雑誌名: Bioengineering 巻: 9 号: 10 ページ: 490-490
  • DOI: 10.3390/bioengineering9100490
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 骨転移診療における骨修飾薬投与と非定型大腿骨骨折 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤信吾, 加来拓実, 王耀東, 小柳広高, 船内雄生, 平井高志, 湯浅将人, 松倉遊, 吉井俊貴, 大川淳
  • 学会等名: 第95回日本整形外科学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 骨転移に対する骨修飾薬投与は毎月必要か 骨代謝マーカーの動向から見えてきた新たな知見 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤信吾, 船内雄生, 平井高志, 松倉遊, 本橋正隆, 辻野昭平, 大川淳
  • 学会等名: 第55回日本整形外科学会骨・軟部腫瘍学術集会
• [備考] 新しい骨組織透明化技術の開発による骨内神経の３次元構造の可視化
  • URL: https://www.tmd.ac.jp/press-release/20230322-1/