骨組織・細胞のメカニカルストレスに対する適応応答と構造形成

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力学的な刺激(メカニカルストレス)の変化に対する骨のリモデリングによる機能的な適応応答とその結果として形成・維持される骨構造との関連を力学的な観点から明らかにすることを目的として,下記のシミュレーションによる検討および培養骨芽細胞を用いた実験的検討を行った.1.骨のリモデリングによる力学的適応モデルの構築とシミュレーション(1)骨のリモデリングを担う細胞レベルの力学的な刺激とリモデリングによる骨の微視的な構造変化とを直接関連付けた骨梁表面リモデリングのシミュレーション手法を提案し,その基本的な特性を明らかにした.ここでは,X線μCTなどのデジタルイメージを元に作られる骨の三次元構造を直接コンピュータ内に構築し,大規模計算手法を用いてより現実に即したシミュレーションを行うための新たな手法を提案した.(2)提案した骨梁表面リモデリングシミュレーションを整形外科領域で用いられるインプラント周囲のリモデリング現象に適用し,インプラントの装着により変化する海綿骨の力学状態に応じたリモデリングによる骨構造の変化を明らかにした.さらに,この手法をインプラントの形状設計に逆に適用する手法について検討を行い,インプラント表面における応力の一様化を一つの規範として,その形状設計が可能であることを示した.2.培養骨芽細胞を用いた骨の力学的適応過程に関する実験的検討(1)骨組織に対する力学的刺激が,細胞レベルでの力学的リモデリングに及ぼす影響を実験的に検討するため,培養骨芽細胞を用いた実験系を確立した.この実験系を用いて,単一の細胞に対してマイクロピペットを用いて直接的な刺激を与え,細胞内のカルシウム応答の伝播特性や,刺激の方向性との関連を明らかにした.(2)骨芽細胞内の骨格に対して直接的な刺激を与えるための実験系について,さらに検討を加えた.まず,ファイブロネクチンでコーティングを施したマイクロピペットを細胞膜に押し当てることで,直接,細胞骨格であるアクチンフィラメント構造の形成を促すことが可能であることを示した.また,原子間力顕微鏡のチップ表面にも同コーティングを施すことで,直接的に細胞に対して与えられる負荷の大きさを計測した.このことより,骨芽細胞の骨格に対して直接的に力学的刺激を与え,その応答を観察することが可能となった.