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超音波による骨粗鬆症・脆弱性骨折の治癒機序解明と臨床応用

超声阐明骨质疏松和脆性骨折的愈合机制及临床应用

基本信息

批准号：
21J13006
负责人：
井上翔太
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J13006/
关键词：
脆弱性骨折内軟骨性骨化超音波骨細胞骨芽細胞 Piezo1 機械的刺激

项目摘要

超音波による脆弱性骨折の新規治療法の社会実装を目指し、その基盤となる治癒機序を解明することを目的に、超音波照射が脆弱性骨折の治癒過程に与える影響を検討した。これまでの研究から、骨折治癒促進法として臨床応用されている低出力超音波パルス（Low Intensity Pulsed Ultrasound：LIPUS）よりも高強度の超音波刺激が、より効率的に骨形成を促進できる可能性を見出した。本研究では、骨折後の内軟骨性骨化に超音波照射が与える影響を明らかにするために、マウス脆弱性骨折モデルに対し、毎日20分間、異なる強度の超音波を照射し、骨折治癒過程を評価した。その結果、LIPUS照射に相当する0.04W/cm2は骨折治癒過程に明らかな影響を与えなかった一方で、0.2W/cm2の超音波照射により、仮骨中の骨塩量が増加しており、LIPUSよりも高強度の超音波が仮骨の石灰化を促進できることが明らかとなった。さらに、0.2W/cm2の超音波照射群では、骨折早期の軟骨量および、骨芽細胞数の増加が認められ、高強度の超音波が軟骨形成と骨芽細胞分化を刺激することで、内軟骨性骨化を促進できることが示唆された。次に、骨細胞と骨芽細胞の三次元共培養系を用いて、超音波照射が骨形成に与える影響を評価した。in vivoの結果と一致して、LIPUSよりも高強度の超音波照射により、骨芽細胞の骨形成関連遺伝子の増加が認められた。また、骨芽細胞のみの三次元培養では、超音波照射後の骨形成関連遺伝子発現が減少しており、超音波による骨形成促進には骨細胞が関与していることが示唆された。最後に、機械感受性イオンチャネルPiezo1の阻害実験を実施した。Piezo1の阻害下では、超音波照射後の内軟骨性骨化の促進および、骨芽細胞の活性化が認められず、超音波照射による骨形成促進にはPiezo1が関与していることが示唆された。

The new method of treatment of fragile fracture by ultrasound is discussed. This research has revealed the possibility of promoting bone formation with low Intensity pulsed ultrasound (LIPUS) and high intensity ultrasound stimulation. The purpose of this study was to evaluate the effect of ultrasound on endochondral ossification after fracture, and to evaluate the healing process of fracture by ultrasound irradiation at different intensities for 20 minutes per day. The results showed that LIPUS irradiation was equivalent to 0.04W/cm2 in the healing process of fracture, 0.2W/cm2 in ultrasound irradiation, and the amount of bone in bone increased. LIPUS high-intensity ultrasound promoted the calcification of bone. In addition, the ultrasonic irradiation group of 0.2 W/cm2 can increase the cartilage quantity and bone bud cell number in the early stage of fracture, stimulate cartilage formation and bone bud cell differentiation with high intensity ultrasonic wave, and promote endochondral ossification. 3-D co-culture system of bone cells and bone bud cells was used to evaluate the effects of ultrasound irradiation on bone formation. The results in vivo were consistent with those in LIPUS, and increased recognition of bone formation related genes in bone bud cells. In addition, the three-dimensional culture of bone bud cells showed that the development of bone formation-related genes decreased after ultrasonic irradiation, and the promotion of bone formation by ultrasonic irradiation was related to the development of bone cells. Finally, the mechanical sensitivity of Piezo1 is realized. Under the influence of Piezo1, the promotion of endochondral ossification after ultrasonic irradiation, the activation of bone bud cells, and the promotion of bone formation under ultrasonic irradiation are related.