骨細胞の基質ミネラル調節に対するFGF23-klothoシグナルの関与

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13J07185
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 本郷 裕美 北海道大学, 大学院歯学研究科, 特別研究員(DC1)
• Keywords: 骨細胞 / 骨細胞性骨溶解 / 基質ミネラル調整

Research Abstract

研究代表者は、骨細胞の基質ミネラル調整に関する機構の解析を目的として、以下の研究を実施した。
(1)骨細胞から発するFGF23-klotho作用は腎臓だけでなく、骨組織にもフィードバックされて、一度形成された骨基質の石灰化ミネラルの維持・流出入を調節する可能性を推察している。そこで高リン・高カルシウム血症を呈するklotho遺伝子欠損マウスの骨組織を解析したところ、骨小腔内に石灰化を誘導するような所見が得られた。このことは骨細胞が血清リン・カルシウム濃度を感知して骨基質ミネラルとして沈着する可能性を示唆している。すなわちFGF23-klotho軸の骨細胞における局在作用が推察された。
(2)骨細胞はFGF23を産生・分泌することだけでなく、副甲状腺ホルモン(PTH)投与により骨細胞周囲の骨基質を溶解(骨細胞性骨溶解)することで骨基質ミネラルを調整する可能性が示唆されている。そこで、野生型マウスおよび破骨細胞が存在しないRANKL^-/-マウスで、腎動静脈を結紮し、血中カルシウム濃度を測定すると、PTH投与1時間後で血中Ca濃度が有意に上昇した。また、規則的な骨細管系を示す皮質骨の骨細胞で、骨小腔周囲に未石灰化基質が認められ、透過型電子顕微鏡にて観察を行うと、骨小腔壁は粗造となり、拡大した骨小腔内部にはコラーゲン線維が分解されたと思われる不定形構造物や、断片的な石灰化物が観察された。また、骨細胞はPTH投与の際に、破骨細胞とは異なるサブユニットからなるプロトンポンプによって周囲の骨基質ミネラルを脱灰していると考えられる。加えて、原子間力顕微鏡によるナノインデンテーションを行うと、PTHを投与すると、骨細胞周囲の骨基質ミネラルが完全に脱灰されていなくとも、弾性率は低下し、物理的に脆弱化していることが明らかになった。また、カルセインを投与すると骨小腔周囲にカルセイン標識が認められることから、骨細胞は破骨細胞の有無に関わらず、基質の溶解だけでなく、再石灰化を行う可能性が示された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究代表者は組織化学的解析、透過型電子顕微鏡および蛍光顕微鏡観察だけでなく、原子間力顕微鏡によるナノインデンテーションなど、様々な手法を用いて研究目的を達成するべく努力をしており、現在のところ良好な結果を得ているため。

Strategy for Future Research Activity

骨細胞が産生・分泌している酸の特定、骨小腔周囲の石灰化を示すためにカルセイン標識だけでなく、安定同位体であるCa44およびCa42を給餌し、同位体顕微鏡を用いて観察し、骨小腔周囲へのCaの沈着を検索する。さらに授乳期の母マウスにおける骨細胞性骨溶解の可能性や、力学的付加によってPTHの作用が増大する可能性が指摘されていることから、順次検索を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Klotho欠損環境における骨細胞と基質石灰化 (2014)
  • Author(s): 佐々木宗輝、本郷裕美、山本知真也、長谷川智香、網塚憲生
  • Journal Title: THE BONE Volume: 28(1) Pages: 7-12
• [Journal Article] Histological examination on osteoblastic activities in the alveolar bone of transgenic mice with induced ablation of osteocytes (2013)
  • Author(s): Li M., Hasegawa T., Hongo H., Tatsumi S., Liu Z., Guo Y., Sasaki M., Tabata C., Yamamoto T., Ikeda K., Amizuka N.
  • Journal Title: Histology and Histopathol Volume: 28(1) Pages: 327-335
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Altered distribution of bone matrix proteins and defective bone mineralization in klotho-deficient mice. (2013)
  • Author(s): Sasaki M., Hasegawa T., Yamada T., Hongo H., Freitas PHL., Suzuki R., Yamamoto T., Tabata C., Toyosawa S., Yamamoto T., Oda K., Li M., Inoue N., Amizuka N.
  • Journal Title: Bone Volume: 57(1) Pages: 206-219
  • DOI: 10.1016/j.bone.2013.08.008.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Histochemical examination of vascular medial calcification of aorta in klotho-deficient mice (2013)
  • Author(s): Hasegawa T., Sasaki M., Yamada T., Ookido I., Yamamoto T., Hongo H., Yamamoto T., Oda K., Yokoyama K., Amizuka N.
  • Journal Title: Journal of Oral Biosciences Volume: 55(1) Pages: 10-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Medial vascular calcification : a new concept challenging the classical paradigm of dystrophic calcification (2013)
  • Author(s): Hasegawa T., Sasaki M., Liu Z., Yamada T., Yamamoto T., Hongo H., Suzuki R., Miyamoto Y., Yamamoto T., Freitas PHL., Li M., Amizuka N.
  • Journal Title: Hokkaido Journal of Dental Science Volume: 34(1) Pages: 2-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Histochemical aspects of the vascular invasion at the erosion zone of the epiphyseal cartilage in MMP-9-deficient mice (2013)
  • Author(s): Kojima T., Hasegawa T., Freitas PHL., Yamamoto T., Sasaki M., Horiuchi K., Hongo H., Yamada T., Sakagami N., Saito N., Yoshizawa M., Kobayashi T., Maeda T., Saito C., Amizuka N.
  • Journal Title: Biomedical Research Volume: 34(3) Pages: 119-128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sclerostin is differently immunolocalized in metaphyseal trabecules and cortical bones of mouse tibiae (2013)
  • Author(s): Hasegawa T., Amizuka N., Yamada T., Liu Z., Miyamoto Y., Yamamoto T., Sasaki M., Hongo H., Suzuki R., Freitas PHL., Yamamoto T., Oda K., Li M.
  • Journal Title: Biomedical Research Volume: 34(3) Pages: 153-159
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Altered distribution of extracellular matrix proteins in the periodontal ligament of periostin-deficient mice.
  • Author(s): Tabata C., Hongo H., Sasaki M., Hasegawa T., Freitas PHL., Yamada T., Yamamoto T., Suzuki R., Oda K., Li M., Yamamoto T., Kudo A., Iida J., Amizuka N.
  • Journal Title: Histology and Histopathology Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Osteocyte-a conductor of bone metabolism
  • Author(s): Amizuka N, Yamamoto T, Hasegawa T, Hongo H, Sasaki M.
  • Journal Title: Journal of Oral Biosciences Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Histochemical examination of cathepsin K, MMP 1 and MMP 2 in compressed periodontal ligament during orthodontic tooth movement in periostin deficient mice.
  • Author(s): Lv S., Lui H., Cui J., Hasegawa T., Hongo H., Feng W., Li J., Sun B., Kudo A., Amizuka N., Li M.
  • Journal Title: Journal of Molecular Histology Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Histological assessment for femora of ovariectomized obesity (db/db) mice carrying mutated leptin receptor
  • Author(s): Tanaka Y., Yamada T., Hasegawa T., Yamamoto T., Sasaki M., Hongo H., Freitas PHL., Li M., Oda K., Totsuka Y., Tei K., Amizuka N.
  • Journal Title: Hokkaido Journal of Dental Science Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Expression of matrix Gla protein and osteocalcin in the developing tibial epiphysis of mice
  • Author(s): 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.
  • Journal Title: Hokkaido Journal of Dental Science Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Alterations of bone matrix surrounding osteocytes and their lacunae induced by administration of PTH. (2014)
  • Author(s): Hongo H., Yamada T., Yaginuma Y., Saito M., Nakano T., Udagawa N., Amizuka N.
  • Organizer: IBMS Herbert Fleisch Workshop
  • Place of Presentation: Novotel Hotel (Belgium)
  • Year and Date: 20140316-28
• [Presentation] Histological localization of 15N-minodronate by isotope microscopy and its biological effects on bone cells. (2014)
  • Author(s): Sasaki M., Hongo H., Kobayashi S., Yurimoto H., Amizuka N.
  • Organizer: IBMS Herbert Fleisch Workshop
  • Place of Presentation: Novotel Hotel (Belgium)
  • Year and Date: 20140316-28
• [Presentation] 副甲状腺ホルモン投与による骨細胞周囲の骨基質改変について (2013)
  • Author(s): 本郷裕美、山田珠希、宇田川信之、網塚憲生
  • Organizer: 第55回歯科基礎医学会学術大会・総会
  • Place of Presentation: 岡山コンベンションセンター(岡山)
  • Year and Date: 20130920-22
• [Presentation] ミノドロン酸の同位体顕微鏡を用いた骨組織分布と破骨細胞に対する影響 (2013)
  • Author(s): 佐々木宗輝、本郷裕美、小林幸雄、圦本尚義、網塚憲生
  • Organizer: 第55回歯科基礎医学会学術大会・総会
  • Place of Presentation: 岡山コンベンションセンター(岡山)
  • Year and Date: 20130920-22
• [Presentation] 副甲状腺ホルモン間歇投与の頻度が骨の細胞動態に及ぼす影響について (2013)
  • Author(s): 山本知真也、佐々木宗輝、本郷裕美、長谷川智香、山田珠希、山本恒之、網塚憲生
  • Organizer: 第55回歯科基礎医学会学術大会・総会
  • Place of Presentation: 岡山コンベンションセンター(岡山)
  • Year and Date: 20130920-22
• [Presentation] セメント質初期形成における上皮鞘細胞と歯小嚢細胞の動態についで (2013)
  • Author(s): 山本恒之、長谷川智香、山本知真也、本郷裕美、山田珠希、織田公光、網塚憲生
  • Organizer: 第55回歯科基礎医学会学術大会・総会
  • Place of Presentation: 岡山コンベンションセンター(岡山)
  • Year and Date: 20130920-22
• [Presentation] Histological localization of 15N-minodronate by isotope microscopy and its biological effects on bone cells. (2013)
  • Author(s): Sasaki M., Hongo H., Kobayashi S., Yurimoto H., Amizuka N.
  • Organizer: ANZBMS 23rd annual scientific meeting
  • Place of Presentation: HILTON ON THE PARK (Australia)
  • Year and Date: 20130908-11
• [Presentation] 副甲状腺ホルモン投与による骨細胞性骨溶解に関する微細構造学的検索 (2013)
  • Author(s): 本郷裕美、山田珠希、山本知真也、中野貴由、宇田川信之、網塚憲生
  • Organizer: 第33回日本骨形伽計測学会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松コングレスセンター(浜松)
  • Year and Date: 20130704-06
• [Presentation] ミノドロン酸の同位体顕微鏡による骨組織分布と破骨細胞に及ぼす影響 (2013)
  • Author(s): 佐々木宗輝、本郷裕美、小林幸雄、圦本尚義、網塚憲生
  • Organizer: 第33回日本骨形態計測学会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松コングレスセンター(浜松)
  • Year and Date: 20130704-06
• [Presentation] 副甲状腺ホルモンの間歇投与頻度が骨の細胞群に及ぼす作用-モデル動物を用いた形態学的検索- (2013)
  • Author(s): 山本知真也、佐々木宗輝、本郷裕美、田中祐介、長谷川智香、山田珠希、山本恒之、網塚憲生
  • Organizer: 第33回日本骨形態計測学会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松コングレスセンター(浜松)
  • Year and Date: 20130704-06
• [Presentation] オスミウム浸軟法による破骨細胞波状縁の立体微細形態について (2013)
  • Author(s): 山本恒之、長谷川智香、本郷裕美、山本知真也、網塚憲生
  • Organizer: 第33回日本骨形態計測学会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松コングレスセンター(浜松)
  • Year and Date: 20130704-06
• [Presentation] 卵巣摘出を行ったレプチン受容体遺伝子変異(db/db)マウスの骨組織における組織化学的検索 (2013)
  • Author(s): 田中祐介、長谷川智香、本郷裕美、佐々木宗輝、山田珠希、柳鋳及、山本恒之、織田公光、戸塚靖則、鄭漢忠、網塚憲生
  • Organizer: 第31回日本骨代謝学会学術集会/国際骨代謝学会・日本骨代謝学会第2回合同国際会議
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター・神戸ポートピアホテル(神戸)
  • Year and Date: 20130528-0601