2020 Fiscal Year Annual Research Report
Multiscale Biomechanics of Bone Microdamage Sensing and Repair Mechanisms
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20H00659
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
安達 泰治 京都大学, ウイルス・再生医科学研究所, 教授 (40243323)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 骨 / マイクロ損傷 / バイオメカニクス / 多階層力学 / 数理工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高齢者に多くみられる骨粗鬆症等の骨疾患は、骨折リスクを高め生活の質の低下をもたらすため、適切な予防・治療が望まれる。しかしながら、骨のリモデリングを担う各種細胞活動の破綻や治療薬の効果などの生化学的因子による作用と運動やリハビリテーションなどの力学的因子による作用との関係は複雑である。そのため、これら両者の効果を骨リモデリング・代謝システムとして理解することが重要となる。そこで本研究では、細胞が骨のマイクロ損傷を感知し、さまざまなシグナル分子の伝達を経て、組織レベルの修復・リモデリングへと至る過程を力学的なアプローチにより理解することを目指した。これらを通じて、骨のマイクロ損傷感知と骨リモデリング・修復機構を明らかにし、in vitro実験とin silico実験の融合的な研究を展開することにより、骨粗鬆症の治療薬投与と運動・リハビリテーションによる新しい医療への応用方法を探索する。
その中でも今年度は、骨細胞メカノセンシング機構における細胞突起の力・変形感知とその応答としてのNO産生を検討するためのin silico/in vitro実験系の構築を進めた。まず、骨細胞のメカノセンシングにおいて重要な部位と考えられている細胞突起に着目し、その高解像度イメージを用いた三次元イメージベースモデルを作製した。また、これを用いた数値シミュレーション手法の基礎的な検討を行った。次に、力学刺激に対する骨細胞の応答を観察するため、単離骨細胞に対して、局所的な力学刺激を定量的に与えることが可能な実験系を構築した。また、過度な力学刺激に対する応答として観察されるカルシウム応答やNO産生応答、形態変化やアポトーシスへの誘導過程を評価するための実験・観察系の条件検討を進めた。
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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
本年度は、骨細胞メカノセンシング機構における細胞突起の力・変形感知とその応答についてin silico/in vitro実験を行うための基礎的手法の構築を完了することができた。
１）骨細胞メカノセンシング機構における細胞突起・分子レベルの力学刺激：骨に作用する力が、骨細管内の流れを介して細胞突起レベルの力に変換され、分子レベルの力感知へとつながる細胞突起のメカノセンシング機構をin silico実験により探るためのモデルを作製した。まず、骨細胞のメカノセンシングにおいて重要な部位と考えられている骨細管－細胞突起に着目し、超高圧電子顕微鏡画像を用いた高解像イメージを用いて、力学解析のための三次元イメージベースモデルを作製した。また、このモデルを用いて、骨細管内における流体流れと細胞突起の膜変形を連成させる力学解析手法を構築し、ひずみの増幅機構に関与する骨細管の幾何学パラメータを抽出した。
２）力学刺激に対する骨細胞の一酸化窒素（NO）産生とアポトーシスの観察：骨のマイクロ損傷による過度な力学刺激が、単離骨細胞のNO産生とアポトーシスを引き起こす過程を観察するin vitro実験系の構築を進めた。まず、マウスから単離した骨細胞に対して、細胞膜上の磁気ビーズに磁気ピンセットを用いて定量的な力を与える実験系の構築を進めた。磁気ビーズに作用する力を校正するための高粘度液中での検討を進め、その校正曲線を得た。また、焦点接着斑をターゲットとしたビーズ表面の修飾や、NO産生挙動の蛍光観察のための試薬、さらに、NOドナー試薬や細胞のアポトーシス観察のための蛍光試薬の検討を進め、実験・観察系の基礎を確立した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、骨のマイクロ損傷感知と骨リモデリング・修復機構を明らかにし、これに基づき、in vitro実験とin silico実験の融合アプローチにより、骨粗鬆症の治療薬投与と運動・リハビリによる新しい医療への応用方法を探索する。今後は、骨細胞メカノセンシング機構における細胞突起の力・変形状態を解析し、特に、細胞突起周囲の流れ解析とテザリングエレメントによる力学刺激増幅機構の解明に取り組む。
１）細胞突起のメカノセンシング機構の力学的解明（in silico実験）： 昨年度作製した骨基質内骨細胞突起のイメージベースモデルを用いて、骨細管内における流体流れと細胞突起の膜変形を連成させた力学解析を進める。ここでは、格子ボルツマン法による流体解析と有限要素法による変形解析を連成させることにより、細胞突起に作用するせん断応力やそれにともなう細胞膜の変形を定量的に明らかにしていく。また、テザリングエレメントによる細胞突起変形の局所化と力学刺激の増幅機構の関連を探る。さらに、加齢や疾患によって生じるテザリングエレメントの変化がメカノセンシング特性に及ぼす影響を明らかにする。
２）単離骨細胞に対する力学刺激とアポトーシスとの関連（in vitro実験）： 昨年度までに開発した磁気ピンセットを用いて、マウス単離骨細胞の細胞膜上に接着した磁気ビーズに対して定量的な力学刺激を与え、アポトーシスに至る過程における骨細胞の微細形態変化や力学特性変化を探る。特に、これまでに観察されてきた過度な力学刺激に対する一酸化窒素産生とアポトーシスとの間に存在する時間階層的なカスケードにおいて、細胞の形態が変化する様子をin vitro観察する。
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