博士 （ 医学）三上将学 位 論文 題 名
非生理的な張カが凍結解凍処理膝前十字靱帯の再構築現象に与える効果に関する生体力学的研究
学位論文内容の要旨【目的 】
膝 前 十 字靭 帯 （ 以下 ACL)損 傷 の治 療として 、自家 腱移植に よる靭帯 再建術 は今や標 準的な 術式 と な って い る 。し か し 、ACL
再 建術後、 移植腱 の強度は 低下し術 後8カ月の時 点では正 常の 強度 には回 復廿ず、 移植腱の 構造も 術後4年以上 経過して も正常の 微細構 造と異な ると報告 されて いる。．従って今後、移植腱を正常の靱帯により早く、力学的、構造学的により近 くす る方 法を探 究するこ とが重要 な課題 である。 自家腱 移植によ るA
CL再建術後 には、まず移植 腱の内 在性線維 穿細胞が 壊死し 、次いで 外来性 細胞の浸 潤が起 こり、この浸潤細胞が移植腱 の主成 分である 膠原線維 等の細 胞外マト ルック スを再構 築する ことが知られている。
この移 植腱の 再構築過 程は種々 の因子 に影響を 受ける 。本研究 では、 力学的因子として靭帯再 建時 に与 える初 期張カの 影響に注 目した 。実際の ACL
再 建術では 、自家 腱に正常 よりも高い初期 張カを 与えて関 節内に移 植する ことが多 い。し かし、再 建時に 与えられた高い組織内張 カが その 後どの ように変 化するか は不明 である。 このACLの組織 内張カ の経時的 変化の測
定 は今 ま で 困難 と さ れて き た 。ピ ー グ ル 成犬 を 用 い、 理 想 化自 家 腱 移植 モ デ ルで あ る insttu凍結 解 凍 処理 ACLを 使 用 し た本 研 究 の目 的 は 、第 一 に 、ACLの組織 内張カの 測定方 法を 開発 す る こと 、 第 二に 、 そ の方 法 を 用 い凍 結 解 凍処 理 AC
Lに与 えた高 い初期張 力（20N)の経時 的変化 を明らか にするこ と、第 三に、再 建靭帯 への初期 張カを 高くかけた場合と低くかけた 場合の 移植腱の 再構築過 程にお けるカ学 的特性 および構 造学的 効果を明らかにし、その効果 の差異 を比較検 討するこ とであ る。
【方法 】
研究1：AC
Linsitu張カ の測定方 法の開発
下記の 方法を 開発した 。まず 、大腿骨 と脛骨の 位置関 係が変化 しないように、キルシュナー 鋼線 2本 を用 い て 膝関 節 を 固定 し た後に大 腿骨―ACL
一脛 骨複合体 を摘出 し、万能 試験器に 取り 付け た。次 に鋼線を 抜去し、 微小な 張力計を ACL内 に刺入し 、この 時の張力 計からの出 力値 を 記 録し た 。 この 張 力 計か ら の 出 力値 を AC
Lの 張 力値 に 換 算す る た め、 ACL
以外の組 織を 切除 し、大 腿骨およ ぴ脛骨の 一部を 切除して A
CLが 完全に弛 緩でき るように した。万能試験 器のロ ードセル からの出 力値も 張力計か らの出 力値と同 時に記 録しながら、試験器のア クチ ュエ ーター を動かし ACLを完 全に弛 緩させ、 この時 の張カを ゼ口と した。次 いで、アクチュ エータ ーを引張 り方向へ 動かし 張力計か らの出 力値が刺 入時の 値を越えた時点で停止させた 。ロー ドセルお よぴ張力 計から の出力値 より張 力計の校 正曲線 を作成し、張力計の刺入時の ACLの 張カを求 めた。
研 究 2： 凍 結 解 凍 処 理 ACLに 与 え た 高 い 初 期 張 力 (20N)の 経 時 的 変 化‑ 186―

ピーグル成犬16頭を用いた。予備実験として2頭を屠殺し、前述したACL張力測定方法により正常ACLの張カを測定した。本実験として14頭の左膝を切開し、液体窒素プロープを用いてACLを̲tn situで凍結解凍処理した。次に、ACLの脛骨付着部を円筒形の骨片を付けて脛骨から遊離させた。膝屈曲60度でこの骨片を張力計を介して牽引しACLに20Nの初期張カを与えて、その位置で骨片をs crew固定した。ここで2頭を屠殺し、ACLの張カを測定し20Nであることを確認した。残る12頭は、6および12週間後に各6頭を屠殺し、5頭をACLの張カの測定試験に、1頭を組織学試験に供した。
研究3：凍結解凍処理ACLの生体力学的特性に与える非生理的な高および低張カの効果の差に関する検討
ピーグル成犬32頭を用いた。両膝のACLを液体窒素プロープを使いin situで凍結解凍処
理し、脛骨付着部を円筒形の骨片を付けて脛骨から遊離させた後、16頭ずつ低張力（L群）と高張力群（H群）の2群に分けた。L群の左膝では、膝屈曲60度でこの骨片を近位方向へ3mm挙上しACLを弛緩させてscrew固定した。H群の左膝では、骨片を遠位方向へ牽引しACLに20Nの高い張カを与えて固定した。両群とも右膝は骨片を元の位置に整復固定するSh
am手術を行った。術後6および12週で8頭ずつ屠殺し、6頭をカ学的試験に、2頭を組織学的試験に用いた。力学的試験は、万能試験器とVideo dimension analyzerを用いて行い、膝90度屈曲位50Nでの前方動揺性を測定した後、大腿骨ーlLCLー脛骨複合体について破断試験を行って、引張り強度、tangentmod ulus、破断伸びを求めた。検定には、分散分析およびpairedtーtestを用いた。
【結果】
研 究 1： 微 小 な 張 力 計を 用い ACLの張 カを in situで 測定 する 方法 を開 発で きた。
研究2：手術時20Nであった凍結解凍処理ACLの組織内張カは、術後6週で14.2
士2.
5N、12週で4.7土1.3Nと有意に低下した。また、12週の値は6週の値と比ぺ有意に低値を示したが、正常値の1．9土1.ONに対して有意に高値を示した。組織学的には、術後6週では実質浅層に円形や楕円形の核を有する細胞の侵入があったが、深層でほ殆ど細胞の侵入はなかった。12週では実質深層まで楕円形の核を有する多数の細胞の侵入があった。膠原線維の配列は不均一であった。ー部でfoca
l degener
ationを認めた。
研究3：前方動揺性は、6週でL群では有意の増加を、H群では有意の低下を認めた。断面積猿、L群では12週で有意の増加を認めたが、H群では変化がなかった。引張り強度では、L群では対Sham比が6週で81％、12週で67％と有意の低下を認め、H群では、12週になって72％と有意の低下を認めた。tangentmod ulusについても同様の変化を認めた。組織学的試験で倣、両群とも術後6週で実質浅層に細胞の侵入があった。深層ではL群で一部に円形や楕円型の核を有する細胞の侵入があったが、H群では深層までの細胞侵入は殆どなかった。12週では両群とも深層までの細胞の侵入があったが、その核は円形や楕円型を呈した。H群で砿、一部にfocaldeg
enerationを認めた。
【考察】
研究1
では、ACL̲fnsitu張カの測定方法が開発され、研究2での実際の実験に応用された。この結果では、実際のACL再建術において高い初期張カを与えた移植腱の張カは次第に低下し、最終的には徐々に正常の張カに近づくことが推測された。また、組織学的所見において、6から12週にかけて細胞の侵入と成熟、細胞外マトルックスの変化があることより、組織内の張力変化が細胞による代謝を介した膠原線維の再構築によって起こる可能性が示唆された。
研究3
では、非生理的に低い初期張カおよび高い初期張カはともに凍結解凍処理ACLのカ学的特性を有意に低下させたが、その効果の出現時期や構造的効果には差があった。低張力― 187 ‑の方が高張カよりも早期に有意の効果が出現し、低張力下で砿断面積が増加するが高張力下では変化せず、組織学的所見では、6週での実質部深層への細胞侵入の差や、12週でのfocaldege
nerationの有無などの差が認められた。この事実から、低張カおよび高張カが各々の凍結解凍処理ACLのカ学的特性について与える効果の作用機序は同一ではないことが示唆された。

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学位論文審査の要旨
主 査 教 授 安 田 和 則
副 査 教 授 清 水宏
副 査 教 授 三 浪 明 男

学 位 論 文 題 名

非生理的な張カが凍結解凍処理膝前十字靱帯の再構築現象に与える効果に関する生体力学的研究
膝前十字 靱帯(ACL)再建の ために 関節内に 移植さ れた自家 腱には 種々の非 生理的な張カが作用することが知られているが、それらが移植腱の再構築過程に与える効果は十分に解明されていない。申請者はビ ーグル 成犬を総 計50頭用 い、第一 に凍結 解凍処理A
CL（自家移植腱モデル）のinsitu
張力測定 法 を 初め て 開 発し 、 凍 結解 凍 処理 ACLに高 張力(20N)を与え た場合 のinざitu張カの 慢性的変化を明らかにした。また第二に、そのカ学的環境（高張力）が移植腱のカ学的および構造学的特性に
与 え る 効 果 と 、 除 負 荷 （ 低 張 力 ） が 凍 結 解 凍 処 理 ACLに 与 え る 効 果 と の 差 を 比 較 し た 。
第一の研 究では 、ピーグ ル成犬 18頭を用い た。予 備実験で2頭を用い、後述する測定法で正常ACLの張カを 測定し た。本実 験（16頭 ）では、 まず左 ACLを液体窒素プローブにてinsituで凍結解凍処理し、次 に、ACL脛骨付 着部を 円簡形の 骨片を付 け遊離 させ、こ の骨片 を遠位へ牽引しACLに20Nの張カ を 与えて screw
固 定した。 ここで 2頭を 用い、ACLの張 カを測定 し20Nであるこ とを確 認した。
残る14頭は 、6および12週 後に各 7頭を 屠殺し、 5頭 をACLの 張力測 定に、2頭を組織検査に供した。
ACLのin situ
張力 測定法は 、まず 、大腿骨 と脛骨 の位置が 変わら ないよう にキルシュナー鋼線2本で膝関節を固定して大腿骨―ACL一脛骨複合体を摘出し、万能試験器に取り付けた。次に鋼線を抜去し、微小な張 力計を ACL内に 刺入し た。この 時の張力 計から の出力値 をrecorderに記録した。この出力値をACLの張力 値に換算 するた め、ACL以外の軟 部組織を切除し、大腿骨と脛骨の一部を切除した。
万能試験 器のロ ードセル と張力 計からの 出力値を 同時に記録しながら、アクチュェーターを動かしACLを完 全に弛 緩させた 。この時の張カをゼ口とした。次いで、アクチュエーターを引張り方向へ動かし張力計からの出力値が刺入時の値を越えた時点で停止させた。これらの出力値より校正曲線を作り、張力 計刺入 時のACLの張カ を求めた 。この結 果、手術時20NのACLの張カは、術後6週で14.2N、12週では4． 7Nと有意 に低下 した。12週 では6週より有意に低値だったが、正常値の1．9Nに対して有意に高値を示した。従って、再建時の高い初期張カは数力月以上正常よりも高く維持されることが明らかに された 。組織所 見では 、術後6週で実 質部深 層には細 胞の侵 入がほぼ ないが、術後12週では細胞数の増加と成熟、細胞外マトリックスの変化を認めた。これらの変化は、組織内の張力変化が細胞によるコラーゲン線維の再構築によって起こる可能性を示唆した。
第 二 の研究で は、ピ ーグル成 犬32頭を 用いた。 両膝の ACLを液 体窒素 プローブ を使いin situ
で凍結解凍処理し、ACL
脛骨付着部を円筒形の骨片を付けて遊離させた後、16頭ずっ低張力群（L群）と− 189―

高 張力 群（ H群 ）の 2群に分けた。L群の左膝では、この骨片を近位 へ3mm挙上しACLを弛緩させscrew
固 定し た。 H群 の左 膝で は、 骨 片を 遠位 へ牽 引し A
CLに20Nの張 カを 与え てscrew固定した。両 群とも 右膝 は骨 片を 元の 位置 に整 復固 定す るSham
手 術を 行っ た 。術 後6およ び12週で各8頭を屠殺 し、6頭を カ学 的試 験に 、2頭を組織検査に 用いた。力学的試験では、まず膝前方動揺性を測定し、 次に
area micrometerで 断面 積を 測 定し て、 最後 に破断試験を行い、引張り強度、tangentmodulus、破断 伸び を求 めた 。その結果、H群では、凍結解凍処理ACLの接線剛性率および最大ストレスを12週にお いて 有意 に低 下さ せた 。一 方、 L群で はそ の効果はH群よりも有 意に強カであり、力学的特性を6週において有意に低下させた 。組織所見では6週での実質 部深層への細胞侵入の差や、12週でのfoc
aldegenerationの有無などの差 を両群間に認めた。この事実は、低張力下と高張力下での凍結解凍処理ACLの劣化の機序が異なる可能性を示唆した。
口頭発表の後、清水教授か ら実験モデルの特徴とその限界などについて、三浪教授からは実験結果の臨床的意義などについて質 問があった。また主査（安田）は今後の研究発展の方向性などについて質問した。これらに対して申請者は自己の研究結果と文献的知識に基づいて概ね妥当な回答を行った。
本研究は、これまで不可能 であったA
CL内部張カの測定 法を初めて開発した点、また凍結解凍処理
ACLに 対す る非 生理 的な高張カと低張カが凍結解凍処理ACLのカ学的特性に与える効果の差を初 めて明らかにした点において、自 家移植腱・靭帯組織の再構築現象の機序解明に重要な情報を与えるものであった。
審査員一同は、これらの成 果を高く評価し、申請者が博士（医学）の学位を受けるのに充分な資格を有するものと判定した。

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