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2014 年度 実施状況報告書

骨細胞ネットワークを介したPTH新規作用 -ミニモデリングと骨基質溶解・石灰化-

研究課題

研究課題/領域番号 26670797
研究機関北海道大学

研究代表者

網塚 憲生  北海道大学, 歯学研究科(研究院), 教授 (30242431)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
キーワード骨細胞 / 骨芽細胞 / 前骨芽細胞 / PTH / ミニモデリング / 骨細胞性骨溶解 / 電子顕微鏡
研究実績の概要

平成26年度の研究概要は、(1)PTHが骨細胞ネットワークを介してミニモデリングを制御するメカニズムの解明、(2)PTHが骨細胞周囲の骨基質を溶解・再石灰化するメカニズムの解明の2点である。(1)に関しては、野生型マウスに20μg/kg/day,80μg/kg/day, 80μg/kg/doseのPTH(1-34)を、2日に1回、1日に1回、1日に2回、1日に4回の2週間投与した実験を行っている。各種の組織化学、および、透過型電子顕微鏡にて解析したところ、ミニモデリングは、PTH投与頻度が低い群で誘導されること、細胞学的メカニズムとして、前骨芽細胞の増殖ではなく、休止期骨芽細胞が活性型骨細胞へと変化し、基質合成を誘導することを明らかにした。また、(2)に関しては、マウスの腎動静脈を結縛した後にPTH投与すると、その直後1時間以内に、血中カルシウム濃度が上昇することを確認している。骨細胞は、細胞性ネットワークを形成しており、作られたばかりの海綿骨よりも成熟骨である皮質骨において規則的な配列を示し、また、より機能的な細胞ネットワークを形成していると考えられている。その結果、皮質骨におけるいくつかの骨細胞において、骨小腔の拡大、骨細胞周囲の基質の流出を組織化学・電子顕微鏡観察にて確認することができた。このメカニズムとして、腎臓型プロトンポンプが関与している可能性を獲得しつつある。また、PTH投与による骨細胞周囲の基質の性状変化について、原子間力顕微鏡を用いて解析すると、形態学的に目に見えなくとも、PTH投与後の骨細胞周囲の基質の弾性係数が低下していることも明らかにしている。さらに、この現象については、破骨細胞による関与を除外する必要があるため、破骨細胞が存在しないRANKL-/-マウスでも同様の実験を行ったところ、野生型マウスと同じ結果を得ることができた。

現在までの達成度 (区分)
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

平成26年度の研究概要として、(1)PTHが骨細胞ネットワークを介してミニモデリングを制御するメカニズムの解明、(2)PTHが骨細胞周囲の骨基質を溶解・再石灰化するメカニズムの解明の2点を掲げた。(1)に関しては、マウスを用いた動物実験であるが、実験系が複雑ではないため、PTH投与によるミニモデリングの誘導を確認・再現することができている。さらに、PTH(1-34)を、2日に1回(48時間ごと)、1日に1回(24時間ごと)、1日に2回(12時間ごと)、1日に4回(6時間ごと)と、細かくタイムスケジュールを取って解析した結果、PTHの間歇投与の投与時間が異なると、前骨芽細胞の細胞増殖に大きく影響することを明らかにした。ミニモデリングを誘導する細胞学的機序として、前骨芽細胞が増殖しすぎると破骨細胞形成に作用するが、骨芽細胞への分化スピートにあった細胞増殖を行うことで、ミニモデリングに適した状況を作り上げていると考察している。また、ミニモデリングにおける骨細胞の関与としてスクレロスチン産生が減少していることを組織化学的に明らかにしているが、その細胞間コミュニケーションとしてどのようなシグナルが関与しているかは今後の検討となると考えられる。一方、PTHの長期間投与(間歇投与)に関しては、(1)にも掲げた骨形成を誘導するが、PTH投与直後における骨細胞・骨小腔の変化に関しては、(2)で掲げたPTHが骨細胞周囲の骨基質を溶解・再石灰化するメカニズムの解明が必要と考えた。このテーマに関する解析結果として、皮質骨の一部の骨細胞ではその周囲の骨基質ミネラルが流出すること、また、電顕レベルで骨細胞がプロトンポンプを有するようになること、さらには、その周囲の骨基質が脱灰されたような構造を呈すること、さらに、破骨細胞の関与も排除できることから、予想以上に、解析が進んだものと考えている。

今後の研究の推進方策

上記の研究課題は、概ね予定通りに進めることができたが、得られた所見をさらに発展的に考察したときに、新たなる課題点もでてきている。(1)に関しては、PTHは前骨芽細胞の細胞増殖に作用し、低頻度投与PTHにより破骨細胞形成を促進させないことで、骨リモデリングではなく、ミニモデリングを誘導させることが理解できた。しかし、骨組織の骨梁全てで起きているのではないため、ミニモデリングが生じる部位はどのように制御されるのかが興味深い。そのため、マウス・ラットでの骨に対する有限要素解析が可能か試行することで、メカニカルストレスが付与されている局所部位にミニモデリングが誘導されるか否かを明らかにする必要があると思われる。また、骨細胞ネットワークにおいて、スクレロスチン産生の低下が大きなカギを握ると思われるが、それ以外の因子が関与していないか、検討する必要があると考えている。さらに、ミニモデリングは活性型ビタミンD3によっても誘導されることが知られているため、PTH投与と活性型ビタミンD3投与におけるミニモデリングの異同についても解析する必要を感じている。また、(2)における課題点は、骨細胞性骨溶解の現象は、PTHに限った反応だけでなく、血中のカルシウムの速やかな供給を行うためのシステムと考えており、追加実験として授乳期マウス(低カルシウム餌群および正常カルシウム餌群)における同様の現象を別途、検索し始めている。

次年度使用額が生じた理由

平成27年3月に納品され、平成27年4月の支払いとなった消耗品があったため。

次年度使用額の使用計画

未使用額は、平成27年3月に納品された消耗品の平成27年4月支払いに充てる。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 2件) 図書 (3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Treatment with eldecalcitol positively affects mineralization, microdamage, and collagen crosslinks in primate bone.2015

    • 著者名/発表者名
      Saito M., Grynpas MD., Burr DB., Allen MR., Smith SY., Doyle N., Amizuka N., Hasegawa T., Kida Y., Marumo K., Saito H.
    • 雑誌名

      Bone.

      巻: 73 ページ: 8-15

    • DOI

      10.1016/j.bone.2014.11.025.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Expression of matrix Gla protein and osteocalcin in the developing tibial epiphysis of mice.2015

    • 著者名/発表者名
      Liu H., Guo J., Wei S., Lv S., Feng W., Cui J., Hasegawa T., Hongo H., Yang Y., Li X., Oda K., Amizuka N., Li M.
    • 雑誌名

      Histol Histopathol.

      巻: 30 ページ: 77-85

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Altered distribution of extracellular matrix proteins in the periodontal ligament of periostin-deficient mice.2014

    • 著者名/発表者名
      Tabata C., Hongo H., Sasaki M., Hasegawa T., de Freitas PH., Yamada T., Yamamoto T., Suzuki R., Yamamoto T., Oda K., Li M., Kudo A., Iida J., Amizuka N.
    • 雑誌名

      Histol Histopathol.

      巻: 29 ページ: 731-742

    • 査読あり
  • [学会発表] 副甲状腺ホルモン投与後、または、カルシウム欠乏食で飼育されたマウスの授乳期における骨小腔周囲の骨基質の組織学的検索.2015

    • 著者名/発表者名
      本郷裕美、佐々木宗輝、齋藤雅美、宇田川信之、網塚憲生
    • 学会等名
      第120回日本解剖学会総会・全国学術集会第92回日本生理学会大会合同大会
    • 発表場所
      神戸国際会議場・展示場(兵庫県・神戸市)
    • 年月日
      2015-03-21 – 2015-03-23
  • [学会発表] Eldecalcitol, a new-generation vitamin D3 analog, increases trabecular bone via “minimodeling” in ovariectomized cynomolgus monkeys.2014

    • 著者名/発表者名
      Hasegawa T., Saito M., Doyle N., Chouinard L., Smith SY., Yamamoto T., Oda K., Saito H., Amizuka N.
    • 学会等名
      The American Society for Bone and Mineral Research (ASBMR) 2014 Annual Meeting
    • 発表場所
      ヒューストン(アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2014-09-12 – 2014-09-15
  • [学会発表] Effects of the Combination of Eldecalcitol, an Analog of Active Vitamin D3, and Parathyroid Hormone in Ovariectomized Rat Bones.2014

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto T., Hasegawa T., Sakai S., Takeda S., Oda K., Li M., Endo K., Amizuka N.
    • 学会等名
      The American Society for Bone and Mineral Research (ASBMR) 2014 Annual Meeting
    • 発表場所
      ヒューストン(アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2014-09-12 – 2014-09-15
  • [学会発表] 骨細胞・ 骨細管系における形態学的アプローチ.2014

    • 著者名/発表者名
      網塚憲生、本郷裕美、坪井香奈子、山本知真也、長谷川智香
    • 学会等名
      第32回日本骨代謝学会学術集会
    • 発表場所
      大阪国際会議場(大阪府・大阪市)
    • 年月日
      2014-07-24 – 2014-07-26
    • 招待講演
  • [学会発表] 副甲状腺ホルモン製剤に対する骨の細胞群の反応 -組織学的知見-.2014

    • 著者名/発表者名
      網塚憲生
    • 学会等名
      第32回日本骨代謝学会学術集会
    • 発表場所
      大阪国際会議場(大阪府・大阪市)
    • 年月日
      2014-07-24 – 2014-07-26
    • 招待講演
  • [学会発表] 骨粗鬆症モデルラットを用いた副甲状腺ホルモン(PTH)とエルデカルシトール併用投与の効果.2014

    • 著者名/発表者名
      山本知真也、田中祐介、長谷川智香、坂井貞興、武田 聡、本郷裕美、佐々木宗輝、遠藤弘一、網塚憲生
    • 学会等名
      第34回日本骨形態計測学会
    • 発表場所
      さっぽろ芸文館(北海道・札幌市)
    • 年月日
      2014-06-12 – 2014-06-14
  • [図書] 羊土社2015

    • 著者名/発表者名
      網塚憲生、長谷川智香
    • 総ページ数
      未定
    • 出版者
      イラストで徹底理解する 骨疾患キーワード辞典
  • [図書] 女性のライフサイクルと骨2015

    • 著者名/発表者名
      網塚憲生、長谷川智香、原口真衣、山本知真也、本郷裕美
    • 総ページ数
      未定
    • 出版者
      医薬ジャーナル社
  • [図書] 「ビタミンDと疾患 改訂版 -基礎の理解と臨床への応用-」2014

    • 著者名/発表者名
      網塚憲生、長谷川智香、山本知真也、佐々木宗輝、本郷裕美
    • 総ページ数
      248
    • 出版者
      医薬ジャーナル社
  • [備考] 北海道大学大学院歯学研究科口腔健康科学講座硬組織発生生物学教室

    • URL

      http://www.den.hokudai.ac.jp/anatomy2/hokudai_d/index.html

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公開日: 2016-05-27  

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