大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年03月04日

平成２８年３月４日
ラトックシステムエンジニアリング株式会社
国立大学法人 北海道大学
国立大学法人 東北大学
慶應義塾大学医学部

【研究の背景】
　骨細胞は長さ約20µm の卵形をした細胞で、骨内で骨細管と呼ばれる数十本もの微細なトンネルをあらゆる方向に延ばし、互いにシグナルを伝達しています。骨細管は毛細血管、骨髄、骨表面ともつながり、骨折やひび割れなどの異常が起きると、骨細胞が破骨細胞という骨を食べる細胞を動かして、異常が生じた部位を削ります。続いて、骨を修復する役目を担う骨芽細胞が活動してその部位を元に戻していきます。
　一方で、破骨細胞は、血液中のカルシウム濃度が低下した際に、濃度を一定に保つため、骨表面を溶かし、血液中にカルシウムを供給する役割も担っていると言われていました。
　しかし、破骨細胞が存在しないマウスを人工的に作成しても、そのマウスは生存し得ることが分かっており、破骨細胞の働き以外にカルシウム濃度維持を担う仕組みの存在が示唆されていました。

【研究内容と成果】
マウスの脛骨（けいこつ。すねの骨）を直径0.3mm の棒状に加工し、X線顕微鏡観察に有効な大型放射光施設SPring-8（兵庫県佐用町）において、百生教授らが開発した高感度三次元X線顕微鏡で観察を実施しました。この顕微鏡は、微細なすだれ格子を２枚用いるタルボ干渉計と呼ばれる仕組みが使われており、Ｘ線の屈折を検出して画像を作ることができ、骨組織の微妙な密度変化を三次元的に可視化することができます。
　この画像解析の結果、骨細胞から延びる骨細管の周りで、骨細管の直径（0.1～0.4µm）に比べて10～30 倍の大きな範囲で骨のカルシウムが減少する様子を捉えました。骨細管に平行な断面を見ると、骨細管に沿ってカルシウム濃度が低下していました（図２矢印）。骨細管に直交する断面ではほとんどの骨細管（図３赤点）の周りで、骨細管に近いほどカルシウムが多く減少していることを確認しました（図３矢印）。
　骨細胞は、毛細血管、骨表面と無数の骨細管を経由してつながっており、骨細管周囲で溶解されたカルシウムは毛細血管へ流れ出します。一方、血液中のカルシウムは骨細管をつたって、骨内に広がると考えられます。低カルシウムエリアができた後、骨内に広がったカルシウムは時間をかけて骨に蓄えられ、カルシウム濃度の回復が行われるものと考えられます（図１）。
　骨細管に沿って骨カルシウムが溶かされる現象は、条件の異なる複数のマウス骨試料を撮影した結果、次の特徴を持っていました。
① 週齢に関係なく起きていました。
② 破骨細胞が存在しないマウスでも起きていました。すなわち、破骨細胞の助けなしに骨細胞が、骨細管周りのカルシウムを溶かしました。
③ 授乳期のマウスの試料でも、多くカルシウム溶解を示した結果が得られました。
④ 血中カルシウム濃度が低下した時に出るホルモン（PTH）をマウスに人工的に与えると、PTH を与えないマウスより骨細管の周りのカルシウム濃度が低下しました。

　以上より、骨細胞と骨細管のネットワークによるカルシウム溶解、蓄積作用は、骨形状の破壊を伴わないと考えられます。

今後の展開
　多くの骨減少症治療薬は破骨細胞の骨破壊作用を抑える働きをしています。しかし、骨が生まれ変わる作用が抑制されると古い骨が残ってしまうため、骨をもろくしてしまうという副作用がありました。今回の成果によって、破骨細胞による骨破壊を伴う作用と、骨細胞による骨破壊を伴わない作用の両者をコントロールすることで、副作用を伴わない治療方法の開発が期待できます。

【参考図】