骨細胞の力学刺激感知・情報伝達による機能的適応のメカノバイオロジー

骨细胞感知机械刺激和传递信息的功能适应的力学生物学

• 批准号: 22616003
• 负责人: 安達 泰治
• 金额: $ 2.33万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2010
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2010 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22616003/
• 关键词: メカノバイオロジー; 骨細胞; 力学刺激応答; 機能的適応; バイオメカニクス; 骨; ナノバイオ

骨は、力学的環境の変化に対する適応的リモデリングにより、自らの構造や特性を機能的に変化させる。この現象の解明は、骨のバイオメカニクス・メカノバイオロジー研究における重要な課題であるが、鍵となる細胞レベルにおける各種の生化学的応答に対する力学的因子の関与は、十分には理解されていない。さらに、細胞レベルの形成・吸収活動が、如何に組織・構造レベルの形態的適応をもたらすかについては、未知な点が多い。そこで、本研究では、骨の細胞活動や構造変化と力学因子とを関連付けるシステムとして、骨基質内部に存在する骨細胞に着目し、その力学刺激感知・伝達による機能的適応の機構解明を目指した。まず、単離骨細胞の力覚機構を明らかにするため、細胞突起内のアクチン細胞骨格、接着斑の構造に着目し、直接的な力学刺激負荷に対する細胞内カルシウム応答と一酸化窒素産生の挙動を観察した。その結果、局所的な力学刺激に対して、骨細胞が一酸化窒素産生応答を示し、さらに、カルシウム応答に比べて小さな刺激に対しても敏感に一酸化窒素産生応答が生じることが示された。次に、細胞間ネットワークを介した情報伝達、および、破骨細胞・骨芽細胞による骨吸収・形成過程を数理モデルとして表現し、骨リモデリングによる形態適応現象の予測のための計算機シミュレーション手法を構築した。ここでは、骨小腔-骨細管を含む骨基質を多孔質弾性体としてモデル化し、これまで進めてきた理論的検討を基礎として、骨梁の変形-力関係やひずみ・応力・間質液圧力などの基本的なふるまいを理解すると同時に、多孔質弾性体に対する有限要素解析手法の開発により、複雑な形態を有する骨梁内部の間質液の力学的ふるまいを明らかにした。

骨骼通过适应性重塑来响应机械环境的变化，从而在功能上改变其结构和特性。阐明这种现象是骨生物力学和力学生物学研究的一个重要问题，但机械因素在关键细胞水平上参与各种生化反应尚不完全清楚。此外，关于细胞水平的形成和吸收活动如何带来组织/结构水平的形态适应还有许多未知数。因此，在本研究中，我们关注骨基质内存在的骨细胞作为将骨细胞活动和结构变化与机械因素联系起来的系统，旨在阐明通过感知和传递机械刺激的功能适应机制。首先，为了阐明分离骨细胞的力传感机制，我们重点研究了肌动蛋白细胞骨架的结构和细胞突起内的粘着斑，并观察了细胞内钙反应和一氧化氮生成响应直接机械刺激载荷的行为观察到。结果表明，骨细胞对局部机械刺激表现出一氧化氮产生反应，并且一氧化氮产生反应对小刺激的反应比钙反应更敏感。接下来，我们将通过细胞间网络的信息传递以及破骨细胞和成骨细胞的骨吸收/形成过程表达为数学模型，并开发了用于预测骨重塑引起的形态适应现象的计算机模拟方法。在这里，我们将骨基质（包括骨腔和骨小管）建模为多孔弹性体，并基于迄今为止进行的理论研究，我们研究了骨小梁、应变、应力和间质的变形-力关系。同时，通过开发多孔弹性体的有限元分析方法，我们阐明了具有复杂形态的骨小梁内间质液的力学行为。

项目成果

Multiscale Simulation of Trabecular Bone Adaptation by Remodeling toward Understanding Wolff's Law

通过重塑来理解沃尔夫定律的小梁骨适应的多尺度模拟

• 发表时间: 2010
• 作者: Yoshitaka Kameo;Taiji Adachi;Masaki Hojo;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;亀尾佳貴;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi
• 通讯作者: Taiji Adachi

細胞間を伝播するシグナル分子の影響を考慮した骨梁リモデリングシミュレーション

考虑细胞间信号分子传播影响的小梁骨重塑模拟

• 发表时间: 2010
• 作者: Yoshitaka Kameo;Taiji Adachi;Masaki Hojo;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;亀尾佳貴;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;Taiji Adachi;Yoshitaka Kameo;亀尾佳貴;石橋弘輝
• 通讯作者: 石橋弘輝

Modelling Osteocyte Signalling in Bone Tissue Adaptation

骨组织适应中的骨细胞信号传导建模

• 发表时间: 2010
• 作者: Yoshitaka Kameo;Taiji Adachi;Masaki Hojo;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;亀尾佳貴;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;Taiji Adachi
• 通讯作者: Taiji Adachi

Repairing Simulation of Damaged Trabecula Based on Mathematical Model for Bone Remodeling

基于骨重塑数学模型的损伤小梁修复模拟

• 发表时间: 2010
• 作者: Yoshitaka Kameo;Taiji Adachi;Masaki Hojo;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;亀尾佳貴;菅原祥;Taiji Adachi;菅原祥;Yoshitaka Kameo;菅原祥;Taiji Adachi;Taiji Adachi;Yoshitaka Kameo
• 通讯作者: Yoshitaka Kameo

骨のリモデリングによる機能的適応のシステムバイオメカニクス

通过骨重塑实现功能适应的系统生物力学

• 发表时间: 2010
• 作者: Y Takeda;et.al.;酒井謙一;墨谷暢子;安達泰治
• 通讯作者: 安達泰治