Mechanical evaluation for articular cartilage based on molecular and crystal scaled structural analysis by Raman imaging

基于拉曼成像分子和晶体尺度结构分析的关节软骨的力学评估

基本信息

批准号：
21K03744
负责人：
東藤正浩
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03744/
关键词：
生物・生体工学生体分子医療・福祉関節軟骨ラマン分光

项目摘要

関節軟骨の疾患である変形性関節症（Osteoarthritis: OA）は，日々の生活や外傷などによる過剰な力学的負荷が原因で発症する．高齢化が進む中で，この病態を十分に把握し，適切な診断を行うことが求められている．ラマン分光法は，光と分子振動の相互効果を利用した手法である．水分の影響を受けにくく，有機・無機両成分の成分解析を非侵襲的に解析できるという特徴をもつ．ラマンスペクトルには，測定対象の分子の種類，振動のモードがピークとして表れる．また，応力により分子間結合の強さが変化することで振動数が変化することから, ラマンシフトも変化する.本研究では，ラマンイメージングによる分子・結晶スケール構造解析に基づく関節軟骨力学機能評価法を目的とした．軟骨基質内のコラーゲン，プロテオグリカン，ミネラル結晶レベルのラマン分光構造解析手法を確立するため，各成分の力学挙動観察を可能とする圧縮負荷時ラマンイメージングによる関節軟骨分子スケール力学解析手法の開発を行った．まず，関節軟骨表面から圧縮負荷をかけ、その表面からラマンシフトを観察することを目的とし，軟骨の圧縮方向からラマンスペクトルを観察可能な装置を新たに作製した．試験片は作動実験用のメラニンスポンジおよび本試験用のブタ膝関節軟骨とした．また変性軟骨を再現するためにトリプシン溶液で変性させて試料を作製した．また計測結果の解析時間の低減のため，ラマンスペクトルからピーク情報を自動的に抽出するプログラムを作成し，大幅な解析時間短縮を実現した．本手法により，軟骨の成分の情報のみならず，その構造状態も分析することが可能あること，また健常および変性軟骨のラマンスペクトルの差を観察することが可能となり，軟骨変性の診断の可能性を確認することができた．

骨关节炎（OA）是一种关节软骨疾病，是由于日常生活或创伤造成的过度机械负荷而引起的。随着人口持续老龄化，有必要充分了解这种病理学并做出适当的诊断。拉曼光谱是一种利用光和分子振动相互作用的方法。其特点是受水分影响较小，并且可以对有机和无机成分进行非侵入性分析。在拉曼光谱中，待测分子的类型和振动模式显示为峰值。另外，由于应力引起的分子间键的强度变化，振动频率也发生变化，因此拉曼位移也发生变化。为了建立对软骨基质内的胶原蛋白、蛋白多糖和矿物质晶体进行拉曼光谱结构分析的方法，我们开发了一种利用压缩载荷下拉曼成像对关节软骨进行分子尺度力学分析的方法，该方法能够观察关节软骨的力学行为的各个组成部分．．首先，我们创建了一种可以从软骨压缩方向观察拉曼光谱的新装置，目的是向关节软骨表面施加压缩载荷并观察该表面的拉曼位移。测试件为用于驱动实验的黑色素海绵和用于主要测试的猪膝关节软骨。此外，为了再现退化软骨，通过用胰蛋白酶溶液使软骨变性来制备样品。此外，为了减少分析测量结果所需的时间，我们创建了一个自动从拉曼光谱中提取峰值信息的程序，从而显着减少了分析时间。通过这种方法，不仅可以分析软骨成分的信息，还可以分析其结构状态，还可以观察健康软骨和退化软骨之间拉曼光谱的差异，这可能会提高诊断软骨退化的可能性。能够证实这一点。