細胞および骨基質の配向化機序に基づく骨機能化誘導松垣

あいら中1)野貴由
2)

再建プロセスでは，失われた骨の量的充填とともに，構造的.

は じめにな回復が鍵を握り，NIH(米国国立衛生研究所National Institutes of Health)により骨密度以外の骨強度を支配する因

生体内では核酸やタンパク質，細胞が有機的に連携し相互子として提唱された「骨質」の概念を考慮する必要がある(3)．

作用し合うことで機能的な組織・臓器を構築し，個体レベル筆者らは，材料工学的立場から骨研究に取り組むことで，コでの健全な生命活動を可能としている．疾患や損傷によりいラーゲン線維/アパタイト結晶からなる骨組織が示す特有のったんその機能が破綻すると，組織の修復には，生体機能を3 次元配向化構造が，必要な方位に特異的な力学機能の発揮回復させるための医療デバイスが大きな力を発揮する(1)．人を可能とする重要な骨質因子のひとつであることを見出して工材料である医療デバイスが生体本来の機能発現を導くためいる(図左)(4)(6) ．これは，コラーゲンおよびアパタイトには，細胞やそれをとりまく環境に応じて生体組織・臓器がが，ともに高度な力学的異方性を示す構造材料であることに形づくられる仕組みを理解した上で，その機序を人為的にコ由来する．コラーゲン線維は，3 重らせん構造をもつコラーントロールし，積極的に発動させる材料の創製が求められゲン分子が自己組織化したナノスケールの線維状構造体である．とりわけ，硬組織である骨は有機・無機成分および多数り，線維方向に沿った強い力学特性を示す．正常骨では，この細胞要素が，複雑に絡み合いながら作り上げられた生体組ういった配向化コラーゲン線維上での結晶のエピタキシャル織であり，荷重支持といった力学的機能のみならず，生体内成長に基づき，アパタイト結晶 c 軸はコラーゲン線維に沿っでのカルシウムやリン代謝を担う動的な臓器としても機能すた優先配向性を示す．アパタイトは六方晶系の結晶構造に由る(2)．筆者らは，こういった骨の高度な機能が，その配向化来する力学的異方性を発現することから，骨はそのコラーゲ微細構造に基づいて発揮されることを見出し，骨機能化をもン線維/アパタイト結晶配向性構造に基づいた力学特性を発たらす生物学的機序の理解，およびその仕組みを誘起するた揮する．

めの材料創製を目指し，次世代の生体材料研究に取り組んで興味深いことに，骨はその種類や解剖学的部位に応じて異いる．本稿では，骨機能化のための配向性形成について，現なる配向性を示す．図 1 右には，尺骨，頭蓋骨，下顎骨，在明らかになりつつあるその細胞・分子機序，およびそれに腰椎骨の皮質骨部における代表的な 3 方向でのアパタイト基づく骨医療デバイスの創製に関する筆者らの最新の知見に結晶 c 軸配向度を示す(4)．尺骨や腰椎骨では重力方向に基づついて紹介する．

いた一軸的荷重負荷に応じて，骨長軸・頭尾軸に沿った優先配向性を示す．一方，下顎骨は咀嚼荷重に応じた配向性分布.

骨の配向化微細構造に基づく機能発現を示し，応力分布と骨配向性の密接な関係性を示唆している．しかしながら，こういった骨配向性の自発的な再構築は骨に代表される生体硬組織は，生物が無機化合物を形成す困難であり，その再生は骨密度に大幅に遅れて回復する(7)．

るバイオミネラリゼーションのプロセスに基づき，精緻な階そのため骨微細構造の再生を人為的に誘導する医療デバイス

層構造を有する有機/無機複合化材料として構成される．骨創製が必要不可欠であり，材料工学を基軸としつつ，細胞生大阪大学大学院工学研究科1)助教 2)教授(〒5650871 吹田市山田丘 21)
Bone Functionalization Based on the Cellular Mechanisms Controlling the Ordered Arrangement of Cells and Bone Matrix Microstructure;
Aira Matsugaki and Takayoshi Nakano(Graduate School of Engineering, Osaka University, Suita)
Keywords: biomedical device, collagen/apatite, surface topography, bone cells, cell signaling, intercellular communication, metallic implant
2020年 7 月 9 日受理[doi:10.2320/materia.59.594]

特集図1(左)骨は主にコラーゲン線維/アパタイト結晶からなる配向化微細構造を有する．
(右)骨のアパタイト配向性は，解剖学的部位や種類に応じて異なる配向化方向・配向度を示し，骨に負荷される応力分布と密接に関係する．(文献(4)より改変引用．）(オンラインカラー)

物学的観点との融合に基づいた生体組織制御の方法論と，そ細胞構成要素のサイズに応じてマルチスケールで統制されてれに基づく材料創製が求められる．とりわけ，材料を起点といる．すなわちナノメートルスケールの分子(核酸やタンパした細胞接着の異方性制御に基づき，材料の特性を生物シグク質)からマイクロメートルスケールの細胞内小器官(アクチナルへと転換し，生体骨の機能化を誘導する新しい金属生体ン骨格や接着斑)を個別に考慮した細胞制御の方法論確立が材料開発の指針が見出されてきた．

必要である(図)．たとえばリソグラフィーによるナノオーダーの表面微細加工は，細胞サイズよりもはるかに極微細な.

医療デバイス材料表面への細胞接着制御に基づく
骨配向化誘導起伏であるものの，細胞表面の接着分子へとダイレクトに働きかけることで，細胞伸展方向を制御する．さらには，インテグリン(細胞接着を司る司令塔的タンパク質)の集合化を制

細胞接着は人工材料と生体との相互作用の起点となり，そ御し，コラーゲン分子の特異的アミノ酸配列を認識することの後の組織再生を支配する最重要因子のひとつである(8)．再で，コラーゲン基質配向化を制御する．さらに細胞サイズへ

生骨組織の機能発現には，材料表面から骨の細胞へと働きかと表面形状を拡張すると，エレクトロスピニング法による直け，その接着挙動の能動的制御が求められる．骨アパタイト

径10 mm 程度のファイバー形成や金属単結晶の塑性変形に基の秩序だった結晶学的配向性を作り出すには，個々の細胞配づく数十 mm 程度の表面起伏は，細胞膜構造や細胞骨格形成列パターンの制御が必要不可欠である(9)(10) ．骨芽細胞はコに対して 3 次元的に作用し分子シグナルを発動することでラーゲン産生とその後の石灰化プロセスを担い，その配列化細胞の一方向配列化，ひいては骨基質の配向化を達成可能で度は基板材料の異方性の度合と相関し，さらに，骨配向性のある(17) ．近年では， 3 次元形状の任意制御による医療デバ

強さは，骨芽細胞配列化度と相関する(11) ．すなわち，基板イスのカスタム化に欠かせない技術となった金属積層造形法の異方性を材料工学的手法に基づき制御することで，任意のによるサブミリオーダーの表面起伏制御により，マクロには骨配向性を得ることが可能となる．材料表面への異方性の導体液の流入を可能としデバイス表面への細胞成分の誘導を促

入は，金属単結晶の塑性変形(12)(13) や超高速レーザ加工技し，さらには細胞体サイズに合致した表面形状に基づく細胞術(14)，応力場(15)の制御によって可能であり，細胞制御に基配列化を誘導可能であることが示された(18) ．こういった配づく骨基質配向化方向や配向度の自在な制御を実現してい列化骨芽細胞による骨配向化は，表面形状やそのスケールにる．いずれの場合も，材料の異方性表面形状，たとえば一方応じて遺伝子レベルから緻密な統制のもとに発現することが向性溝構造が，骨芽細胞の優先配列化をもたらし，アパタイ判明してきた．

トが配向化した再生骨を短期間で形成可能であることが期待される．実際，異方性材料を足場とすることで， iPS 細胞(人工多能性幹細胞induced pluripotent stem cells)を用い.

材料を起点とした細胞配列化制御が骨基質配向化をもたらす仕組みて，幹細胞から直接配向化骨の創製をも可能である(16) ．こ
うした材料による骨配向化誘導は，材料―生体界面においてま て り あ 第59巻 第11号(2020)
Materia Japan

材料工学的方法論に基づいた細胞の一方向配列化制御は，



図2

ナノメートルスケールの分子(核酸やタンパク質)からマイクロメートルスケール(接着斑や細胞体)まで，細胞構成要素のスケールに応じた細胞配列化のための材料学的方法論．

図3(左)チタン合金表面へのナノ配向溝導入(上段SPM 像)による骨芽細胞(中段)・骨基質配向化誘導(下段)．
(右)Tspan11 による接着斑成熟化を介した骨配向化機構．正常な骨芽細胞は，ナノ配向溝に対して配列化する一方で，細胞方向に垂直に骨基質を形成する．Tspan11 欠損状態においては，溝方向への接着斑成熟化が妨げられ，直交性の骨基質形成に破綻をもたらす．(文献(19)より改変引用．）

インテグリンを介した細胞と基質との接着機構や細胞内小胞胞配列に直交する方向へコラーゲン/アパタイト配向化基質輸送プロセス(細胞内にてコラーゲン分子を合成し，小胞形を形成することが見出された(14) ．マイクロアレイ法による成により細胞外へと分泌，線維形成する過程)に基づき，緻網羅的遺伝子発現解析の結果，こういった特異垂直配向化に密にその配向性が形成される可能性が示唆された．一方，ナは， Tspan11 ( Tetraspanin11 )遺伝子が制御する接着斑成熟

ノメートルスケールの一方向溝形状は，細胞接着の特異性を化のナノ構造依存性が関与することを発見した(19) (図)．

生み出し，従来の科学的常識を覆して細胞方向に垂直に骨基

こうした知見は，人工関節等の医療デバイス表面への微細構質を形成する．筆者らはこういった特異垂直化現象を見出す

造付与により，インプラント周囲に形成する新生骨組織の微とともに，平行/垂直配向化が遺伝子のはたらきによりコン細構造を自在に制御できる可能性を示している．さらには，

トロールされることを発見し，骨配向化の分子機序理解は飛これまでまったく未知であった配向化機序の解明は，最終的躍的な進展をみせている．には骨疾患治療の新たな方法論や，材料から積極的に細胞シ超短パルスレーザによる高速溝加工 LIPSS(レーザ誘起周期表面構造)を用いることで，Ti6Al4V 合金表面にナノメグナルを誘導，骨配向化の発現を自発的に促すような材料創出につながる可能性を秘めている．

ートルスケールの配向溝形状(幅およそ 500 nm ，高さ 250

一方でデバイス周囲への骨形成が達成されると，骨の健全nm)を付与すると，骨芽細胞は配向溝に沿って配列化する．

化には最大主応力ベクトルをホストボーンへ連続的に伝達す

驚くべきことに，ナノ配向溝上で配列化した骨芽細胞は，細ることが不可欠となる．材料表面への配向溝構造の設計によ

特集り，溝内への配向化骨誘導を可能とするインプラントとして，電子ビーム積層造形法により骨配向化誘導を期待できる
人工股関節(2018年薬事承認)(20)，および切削での表面加工により骨配向化の誘導が期待できる歯科インプラント(2017年薬事承認・上市化)(21)を提案しており，いずれの場合も，骨中のオステオサイトによる応力感受を起点とした細胞間相互作用に基づき配向化骨形成を誘導することが期待される．
骨に負荷された応力は，骨内部に張り巡らされた，体液の流路である骨細管ネットワーク内の流体流動をオステオサイト突起表面で感受，骨芽細胞や破骨細胞へと生化学シグナルを伝達することで骨の微細組織形成を調整している(22)(23)．こうした骨健全化のための細胞間相互作用は，正常な細胞機能が連携して骨異方性構築をもたらす生物システムを意味しており，一方で細胞の異常化は重篤な骨劣化をもたらし，その多くが骨の異方性微細構造破綻に起因することが近年明らかになりつつある(24)．

.

図4

がん転移による骨の脆弱化は，従来の治療指標である骨密度ではなく，コラーゲン基質(上段)/アパタイト結晶(下段)配向性の低下によりもたらされる．(文献(25)より改変引用．）

図5

がん細胞との細胞間結合が骨芽細胞配列低下を招き，ひいてはがん転移による骨配向化破綻による機能不全を招く．(文献(29)より改変引用．）

細胞間相互作用制御に基づく配向化誘導

がんは正常細胞の遺伝子変異により異常化した細胞集団がもたらす疾患であり，その多様性と他臓器への転移能の高さを最大の特徴とする．骨はその主要な転移標的臓器であり，造骨性がん転移骨では骨形成過剰による高骨密度を示すにもかかわらず非常にもろく，易骨折性の難治病態を示す．こういったがん転移は現在の骨医学において最も大きな課題の一つであり，転移骨における骨機能破綻の機序は依然として不明であり，課題解決の糸口さえ得られていない．一方で既存のがん医療は骨密度のみに対応しており，がん転移による骨機能異常の本質理解には至っていない．こうした中，筆者らは，結晶学的アプローチを駆使することで，ベクトル量としての結晶配向性の低下が，がん転移による骨折リスク上昇の重要因子であることを発見した(25)(27) ．造骨性転移を示す
前立腺がん骨転移マウスモデルにおいて，骨長軸に沿ったコラーゲン線維走行/アパタイト結晶 c 軸配向性の顕著な乱れとともに，それに起因した力学機能の低下が見出された(図)．すなわち，がん転移による骨の脆弱化が，従来の治療指標である骨密度ではなく，骨配向性の低下によりもたらされることを意味している．このとき，正常骨では骨表面に一層に配列した骨芽細胞の規則的な作用により秩序だった骨形成が行われた一方，造骨型転移骨では，骨内膜・外膜の両側で分化亢進し積層化した骨芽細胞による無方向性の骨形成が生じており，骨芽細胞配列化不全が転移骨の配向性低下をもたきかけることで，骨形成や骨溶解に関わる細胞増殖・分化をらした可能性が示された(25)．

調整した．一方でがん細胞との直接接触が骨芽細胞配列化低がん細胞はいかにして骨芽細胞配列破綻をもたらしたの下を招き(28)，その主要因は細胞間のギャップジャンクショ

か筆者らは， in vitro 異方性がん転移モデルを構築し，そンを介した分子レベルの相互作用による細胞骨格制御に基づのダイナミクス解明にアプローチしている．筆者らの確立しく(29) (図)．こうした発見は，材料工学的観点からのがんた異方性共培養システムをがん転移モデルへと拡張し，がん研究の必要性を顕在化し，がん転移骨における骨配向化異常細胞存在下での骨芽細胞配列化への影響に系統的に取り組むのメカニズムの解明に基づき，骨配向性を基軸にしたがん転ことで，がん骨転移の新たな機序を見出している．がん細胞移の抑制，創薬や骨がん転移に対応したカスタム金属人工関は可溶性タンパク質の産生を介して間接的に骨芽細胞へと働節材料の開発にダイレクトにつながることが期待される．

ま て り あ 第59巻 第11号(2020)
Materia Japan.

骨配向化アダプティブマテリアルが切り拓く次世代骨医療.

おわりに

骨代替材料は，いまや単に骨を置換する役割を担うのでは
本稿では，分子や細胞レベルで骨配向性が形づくられる生なく，材料を起点として生物が持つ特性を引き出し，生体機物学的仕組みの理解に基づいた骨医療デバイス開発の現状に能化を誘導する，生体組織の再建に必要不可欠な機能性材料ついて，筆者らの最新の知見を交えて紹介した．次世代の骨として次世代骨医療を切り拓く大きな役割と期待を担う．合医療デバイスには，人工材料でありながら，生体内の仕組み金・形状設計～人工材料/生体表界面制御～細胞・分子応答に取り込まれ，骨機能化発現の生物学的機序を誘導する特性まで，材料科学と生物学の連続的な融合により構築されるが求められる．さらに近年では，生きた細胞やタンパク質を「バイオマテリアル科学」を基盤として，バイオアダプティ適材適所に 3 次元配置することで生体組織や臓器模倣構造ブマテリアルの創出が先端医療革新実現の鍵を握ることは間体を作製するバイオプリンティング技術の研究も進められ，

違 い な い(32) ． 一 例 と し て ， 超 多 成 分 系 元 素 か ら な る

金属医療デバイスと複合的に用いることで，再生医療分野へ

BioHEA(生体用ハイエントロピー合金)の開発は，材料科学の効果的な応用が期待されている．バイオプリンティング技に基づく合金設計と細胞―材料界面反応の人為的制御の融合

術は細胞・タンパク質の配置制御により，応力応答可能な配により，元素選択的に細胞接着の分子シグナルを発動するこ向化ミニ骨臓器の創製を可能とする(30)とともに，応力を起とで，細胞制御をも可能とする(33)(35) ．生体機能を生み出点として骨配向化を司る生物シグナルの同定にもつながす細胞・分子や遺伝子のはたらきを人為的に促すような，バる(31)．こういった金属材料や細胞のプリンティング技術をイオアダプティブマテリアルの創製は，溶解性や力学的特駆使した細胞制御は骨機能化誘導のための医療デバイス創出

性，結晶学的組織といった金属材料ならではの特長を活かしにつながるのみならず，生体内で異方性が形成される仕組みつつ，融合的アプローチから次世代医療への展開が大いに期解明にもつながることが期待され，創薬や医療デバイス開発待される．に向けたその応用的展開が見込まれる．骨配向化のための生物学的機序は他臓器との関連を含めて多岐にわたるものの，本稿で紹介した研究の一部は，日本学術振興会科学研究費

近年筆者らにより見出された複数の配向化制御因子は，その補助金基盤研究(S)「骨異方性誘導のための「異方性の材料徐放システムの確立や細胞・遺伝子医療との組み合わせによ科学」の構築」(研究代表者中野貴由)(平成30(2018)年度

り，骨配向化アダプティブマテリアルの実現に向けた幅広い～令和 4(2022)年度)の支援により実施された．ここに謝意展開が期待される(図)．

を示します．

文

図6




骨配向化は材料を起点とした異方性細胞接着機構および細胞間での情報伝達により，複数の配向化因子の関与のもとで達成される．配向化に基づく骨の機能化誘導のためには，こういった
生物学的仕組みの理解に基づいた骨医療デバイ
ス開発が求められる．(オンラインカラー)

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特集

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(16) R. Ozasa, A. Matsugaki, Y. Isobe, T. Saku, HS Yun and T.
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jp/downfiles/md/PDF/230934/230934_22800BZX00037000_
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ま て り あ 第59巻 第11号(2020)
Materia Japan(30) A. Matsugaki, T. Matsuzaka, A. Murakami, P. Wang and T.
Nakano: Int. J. Bioprint., 6(2020), 293.
(31) A. Matsugaki, D. Yamazaki and T. Nakano: Mater. Sci. Eng.
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( 32 ) 日本学術会議 第 24 期学術の大型研究計画に関するマスター
プラン(マスタープラン 2020 )，計画番号 134 ，バイオマテリ
アル国際先導研究拠点の構築(33) M. Todai, T. Nagase, T. Hori, A. Matsugaki, A. Sekita and T.
Nakano: Scr. Mater., 129(2017), 6568.
(34) T. Hori, T. Nagase, M. Todai, A. Matsugaki and T. Nakano:Scr. Mater., 172(2019), 8387.
(35) T. Nagase, Y. Iijima, A. Matsugaki, K. Ameyama and T.
Nakano: Mater. Sci. Eng. C, 107(2020), 110322.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
松垣あいら
2013年 9 月 大阪大学大学院工学研究科博士後期課程修了
2013年10月大阪大学大学院工学研究科 特任助教
2020年 7 月現職
専門分野生体材料学・細胞生物学◎細胞・遺伝子の観点から骨配向化機序解明を目指し，生物学的仕組みに根差した骨機能化誘導のための生体材料開発に精力的に取り組んでいる．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

松垣あいら

中野貴由