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助成番号 150127
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

骨の圧電性に基づく力学応答ダイナミクスと骨代謝調節機構の解明

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Study of the mechanism of bone metabolism against mechanical stress based on bonepiezoelectricity

研究氏
代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓）ナカムラ名）ミホ

研究期間 Ｂ

２０１５

漢字 ＣＢ

中村美穂

報告年度 ＹR

２０１６ 年

Miho

研究機関名

東京医科歯科大学

ﾛｰﾏ字 ＣＺ Nakamura

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名～ ２０１６ 年

東京医科歯科大学・准教授

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
従来、宇宙空間滞在や長期臥床により骨密度が低下する現象が報告されてきたが、その機構は明らかにされていない。我々の研究グル－プは、「重力と骨密度の関連性」に着目し、骨の力学応答ダイナミクスと骨代謝調節機構の解明に取り組んだ。骨は力学的負荷を受けると、その力学的エネルギ－を電気的エネルギ－に変換する圧電性を示し、そのピエゾ電気を骨内ミネラル分に貯蔵する性質を有する。このピエゾ電気貯蔵量と骨代謝の関連性について研究を行った。本研究は、医学・工学・生物学専門家らの異分野国際共同研究(日本、フィンランド)である。フィンランド
ボ－ンバンクより、年齢・性別以外の個人情報を削除しナンバリングされた骨試料の提供を受けた。骨試料を用いて材料学的解析、病理組織形態学的解析、破骨細胞(骨基質破壊細胞)評価を行った。材料学的解析より骨質、ピエゾ電気量は年齢・性別には依存せず、解剖学的部位依存的に変化することが見出された。病理組織形態学的解析より、骨単位パラメ－タ－で表される骨代謝活性には一部変化がみられた。ヒト骨髄および末梢血由来モノサイトを前駆細胞として用いた破骨細胞評価(in vitro)より、骨質、ピエゾ電気量は破骨細胞分化・吸収機能に影響を及ぼした。
以上の結果より、力学的負荷はピエゾ電気として骨組織内に貯蔵され、破骨細胞活性等の骨代謝活性に影響を及ぼすことが見出された。電気的エネルギ－は、市販の bone graft やバイオマテリアルにも付与することが可能である。
これらの研究成果より、基礎医学研究への貢献、新規高機能材料デザインへの応用展開が期待される。

キーワード ＦＡ

力学的負荷

骨代謝ピエゾ電気（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -バイオマテリアル

発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Surface Free Energy Predominates in Cell Adhesion to Hydroxyapatite through Wettability

著者名 ＧＡ

Nakamura M, et al

雑誌名 ＧＣ

Mater Sci Eng C

ページ ＧＦ283～292

発行年 ＧＥ

2

雑誌

16巻号 ＧＤ

62

論文標題ＧＢ

Hydroxyapatite with High Carbonate Substitutions Promotes Osteoclast Resorption throu gh
Osteocyte-like Cells

著者名 ＧＡ

Nakamura M, et al

雑誌名 ＧＣACS Biomater Sci Eng

ページ ＧＦ259～267

発行年 ＧＥ

2

雑誌

0016

論文標題ＧＢ

Osteoclasts and Remodeling Based Bone Formation

著者名 ＧＡ

Kylmäoja E, et al

雑誌名 ＧＣ

Curr Stem Cell Res Ther

ページ ＧＦ626～633

発行年 ＧＥ

2

巻号 ＧＤ

2(2)

巻号 ＧＤ

11(8)

雑誌

016

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
Reduction of mechanical loading, such as prolonged bed rest and long term exposure to microgravity, has shownthat bone resorption markers increased, leading to cortical and cancellous bone loss. However, the mechanism is notcompletely clear yet. We focused on the mechanism of bone metabolism against mechanical stress. Bone haspiezoelectricity which is energy transduction from mechanical into electrical energy. The piezoelectricity is generated incollagen fibrils and stored in bone apatite minerals. We studied the effects of the piezoelectricity on bone metabolism.
Our research is international and multidisciplinary collaboration with different scientific fields such as medicine,engineering and cell biology. The bone samples were provided from Finnish bone bank without any personal information
except for age, gender. We performed material, histomorphometric and cell biological evaluations. Material analysis ofbone samples revealed that the amount of piezoelectricity and bone quality depends on the anatomical locations not on
age and gender. The histomorphometric analysis showed that there are some differences in bone turnover. The amountof piezoelectricity had effects on osteoclast differentiation and resorption in vitro. These results suggest that thepiezoelectricity stored in bone tissue has effects on bone metabolism through osteoclast activity. The electrical energy
can be stored also in commercial bone grafts and biomaterials. We believe that the results of this study could provide
valuable insight into the design of preventive and therapeutic strategies in the future.

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