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

骨组织和细胞对机械应力的适应性反应和结构形成

基本信息

批准号：
11780621
负责人：
安達泰治
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

项目摘要

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.

为了阐明骨骼重塑对机械刺激变化的功能自适应反应（机械应力），以及由于机械角度而形成和维持的骨结构之间的关系，使用培养的成骨细胞进行了以下模拟，并进行了实验研究。1。通过骨骼重塑对机械自适应模型的构建和模拟（1）我们提出了一种模拟方法，用于小梁骨表面重塑，该方法直接将负责骨重塑的细胞水平的机械刺激与由于重塑而导致的骨骼的显微镜结构变化。揭示了该方法的基本特征。在这里，我们提出了一种新方法，用于构建基于数字图像（例如X射线μCT）直接在计算机中创建的骨骼的三维结构，并根据大规模计算方法进行更真实的模拟。（2）所提出的小梁表面重塑模拟被应用于骨科手术中使用的植入物周围的重塑现象，以及根据植入物附着的固定性变化而根据的骨骼动态状态而导致的骨骼结构变化。此外，该方法用于设计植入物的形状。我们研究了应用方法，并表明可以在植入物表面上使用均匀的应力来设计骨头形状，作为标准。 2。使用培养的成骨细胞（1）对骨骼机械适应过程的实验研究（1），从实验检查机械刺激对骨组织对细胞水平机械重塑的影响，使用培养的成骨细胞建立了实验系统。使用此实验系统，我们使用微型移动物将直接刺激应用于单个细胞，以阐明细胞内钙反应的传播特征以及与刺激方向的关系。（2）已经对实验系统进行了进一步的研究，以向成骨细胞内的骨骼提供直接刺激。首先，通过将覆盖纤连蛋白涂有纤连蛋白涂覆的微孔压在细胞膜上，可以直接促进肌动蛋白丝结构的形成，即细胞骨架。此外，通过将相同的涂层涂在原子力显微镜的芯片表面上，测量了直接施加到细胞上的载荷的大小。这使得可以直接向成骨细胞的骨骼提供机械刺激并观察反应。