培養軟骨細胞を用いた再生組織形成に対する機械的振動の影響

摘要

生体は，周囲から受ける力学的刺激に対して適応的に応答することが知られている．例えば，適度な運動が筋量や骨密度を上昇させることが一般的に知られている．この現象は，生体を構成する基本単位である細胞が力学的刺激を何らかの方法で感受し，環境に適応するために生化学的な応答を示しているために起きると考えられている．力学的刺激に対する細胞の応答に注目した先行研究の例として，骨基質の産生を担う骨芽細胞に12.5 Hz，0.5 G の鉛直方向正弦波の機械的振動を与えながら培養した結果，細胞増殖が促進され，細胞どうしが重なり合う重層化が起き，細胞数が有意に増加することが報告された．また，50 Hz，0.5 G の振動条件では，骨芽細胞の骨基質の産生量が増加したことが報告された．細胞が力学的刺激を感受するメカニズムにはいまだ不明な点が多いが，機械的振動によって骨芽細胞に生じた現象を軟骨細胞に応用することで，膝関節軟骨の再生医療に応用できる可能性がある．膝関節軟骨は，老化による摩耗や激しい運動などによって損傷が生じると，ほとんど自然治癒しないといわれている．関節の治療法の一つに人工関節への置換が挙げられるが，人工関節では激しい運動が制限され，そのうえ数十年の寿命があるため，若者の長期使用には不向きであるといわれている．そこで，近年の膝関節の治療においては，関節軟骨の再生医療が注目を浴びている．軟骨の再生医療の概要は，患者の軟骨組織を少量取り出し，それを体外で培養し人工的に軟骨組織化したものを患者の軟骨損傷部に適用するといったものである．軟骨は生体内で厚みを持った層構造をとっており，機能として関節部のクッション性や潤滑性を実現している．また軟骨細胞は，自身が産生した軟骨特有の基質であるⅡ 型コラーゲンやプロテオグリカンなどの組織に包まれて存在している（図1）．この構造や機能を細胞培養によって生体外で再現するために，現段階では軟骨再生の場としてコラーゲンゲルなどの足場材料を用いたり，軟骨細胞と軟骨細胞から産生される軟骨基質からなる細胞シートを複数重ね合わせたりする方法をとる（図2）．しかし，足場材料の用意や細胞シートどうしの接着には，手間・コストや時間がかかるため，再生医療の簡単化および普及には，これらの削減が望まれる．そこで，最も基本的な細胞培養の方法である平面培養において，培養時に機械的振動を与えることにより，軟骨細胞の増殖や軟骨成分の産生が有意に促進されれば，足場材料の作製や細胞シートを重ねることをせず，体外での3次元的な軟骨組織の再生をより短期間・低コストで行えることが期待される．具体的には，機械的振動によって軟骨細胞が重層化することで細胞数が増えたうえで，さらに基質産生が促進されれば，これらの相乗効果によって単層培養でも厚みのある組織を作製できることが期待される．本研究では，足場材料を用いない平面培養時において軟骨細胞の増殖および基質産生に対する機械的振動の影響を検討することを目的とし，細胞数の測定，軟骨細胞シート作製および軟骨基質の染色による軟骨基質産生状態の観察を行った．