Multiscale Biomechanics of Bone Microdamage Sensing and Repair Mechanisms

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高齢者に多く見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を低下させることから、適切な予防・治療法の確立が望まれる。しかしながら、力の作用により生じる骨損傷の蓄積と各細胞による損傷感知・修復過程とのバランス破綻など、すなわち、運動などの力学的因子と治療薬作用などの生物・生化学的因子との連関を理解することは容易ではない。そこで本研究では、分子・細胞レベルの骨マイクロ損傷感知とシグナル伝達から組織レベルの修復・リモデリングに至る現象を多階層力学の観点から理解することを目指した。ここでは、骨細胞のマイクロ損傷感知とリモデリングによる修復について、実験・数理バイオメカニクスの融合的研究を進め、複雑な骨システムにおける力学・生化学カップリング現象の理解を深めた。また、骨折予防・治療における適切な運動・リハビリと治療薬投与の連成効果を予測するための新たな手法について検討した。まず、マイクロ損傷に駆動される骨リモデリングの数理モデルとして、日常的な荷重下におけるマイクロ損傷の蓄積を損傷力学に基づいて表現する発展式を示し、マイクロ損傷により誘導される骨細胞アポトーシスを表現した。この数理モデルを圧縮荷重下における二本の単軸部材に適用し、基本的な特性を検討した。次に、骨組織の連続した超薄切片を用いたSEM観察により、組織中の骨細胞の細胞体・細胞突起周囲の微細構造、および、細胞核内部の構造を観察した。さらに、in vitro実験系構築を目指して、コラーゲンゲル内における骨細胞ネットワーク構築の様子を観察し、その観察条件の検討を進めた。その結果、深さ方向の細胞突起の詳細な構造観察のための新たな実験系構築の構想を得るに至った。