本研究のポイント
- イモリは、四肢や心臓をも再生させる强い再生能力を持つことで注目されてきた。今回は、私たちの日常で起きる腱の怪我をイモリで再现し、治癒の过程をマウスと较べることで、その再生能力を调べる、という研究を世界で初めて実施した。
- イモリの腱はマウスの腱と同等の强度と弾性率を有する一方で、マウス腱と比べてシンプルな构造をしており、このことが腱再生の键であることが分かった。
- プロアスリートから一般人まで幅広い年代に起きる腱、それに类似の构造をもつ靭帯の怪我を早期に治疗、回復させるヒントになることが期待される。
研究概要
国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院工学研究科の佐藤 史哉 博士前期課程学生(研究当時)、前田 英次郎 准教授、松本 健郎 教授らの研究グループは、広島大学両生類研究センターの林 利憲 教授、北海道千歳リハビリテーション大学の鈴木 大輔 教授、酪農学園大学の岩崎 智仁 教授との共同研究で、イモリを用いて损伤した腱が完全に再生する现象と、そのメカニズムを人间に活かすためのヒントを新たに発见しました。
私たちが腱を损伤した场合、现在は治疗として损伤した部位を保存する、あるいは缝合や血小板投与、自家腱の移植などの外科的な処置が施されます。しかし、いずれの方法でもアスリートであれば竞技復帰までには数ヶ月を要し、また一度断裂した腱を完全に元通りにする治疗法は确立していません。イモリは切断された腱をわずか3ヶ月(12週间)でその强度、刚性を健常な腱と同じレベルまで回復させることができ、それはマウスと比べてイモリの腱がシンプルな构造であることが键であることが分かりました。今后の研究から、プロアスリートのみならず一般人の腱の断裂や损伤を早期に回復させ、竞技や日常生活に復帰させる医疗技术开発への応用が期待されます。
本研究成果は、2023年11月6日12時(日本時間)付国際英文雑誌?Journal of Orthopaedic Research?に掲載されます。
研究背景と内容
これまでヒトを含めた哺乳类では、腱损伤のほとんどは完全には元に戻らないことが知られており、その治癒の改善を目指して多くの研究が国内外で実施されています。一方で、従来からその研究に使用されている実験动物は、ヒトと同じ哺乳类のマウスやウサギなどであり、そもそもそれらの动物の腱の损伤をどのように元通りに治癒再生することができるのか谁も知らない、というジレンマを抱えていました。本研究は、四肢や心臓を再生することが知られる両生类イベリアトゲイモリを、腱再生のお手本にすることを着想し、世界に先駆けてイモリの腱を用いた损伤治癒研究モデルを开発することで、イモリではシンプルなメカニズムにより、切断された腱が完全に再生することを明らかにしました。
イベリアトゲイモリは世界最大のイモリであり、マウスに匹敌するサイズであることから、マウスの腱の损伤治癒との直接比较を可能にしたことも本研究モデルの特徴です。研究対象をイモリとマウスで共通する腱として、后ろ足の中指の屈筋腱(中趾屈筋腱)注1)と定め、完全に切断する手术を行った6週または12週后に治癒再生腱を回収し、材料试験注2)および组织観察を実施しました(図1)。
図1 本研究の実験モデル。(A)イベリアトゲイモとマウス(いずれも骨格的に成熟した個体)はほとんど同じサイズ。スケールバー=50mm。(B)実験に用いた中趾屈筋腱。上がマウス、下がイモリの腱。スケールバー=1 mm。
その结果、イモリでは术后6週で切断された腱が、腱に类似した新しい组织(再生组织)によって繋がり、术后12週で再生组织は健常腱と同等の强度注2)を示しました(図2)。一方、マウスでは切断后は腱とは异なる治癒组织が切断された腱全体を包むように形成され、术后12週においてもその强度は健常腱と比べて统计的有意に低いままでした。
図2 イモリ(左)とマウス(右)の力(応力、厂迟谤别蝉蝉)と変形(ひずみ、厂迟谤补颈苍)の関係。データのグループ名については颁罢尝は健常腱、笔罢6奥と笔罢12奥は部分切断后6週と12週、颁罢6奥と颁罢12奥は完全切断后6週と12週を示す。イモリの健常腱とマウスの健常腱はほぼ同じ力学特性を有することも分かった。
健常な腱と治癒再生组织の构造をナノメートルスケールで比较すると、マウスでは健常腱と治癒组织は构造が大きく异なりましたが、イモリでは健常腱と再生组织の构造は类似した构造を示しました(図3)。また健常腱同士をイモリとマウスで比较すると、イモリの腱はマウスよりもシンプルな构造を持つことが分かりました。このことから、イモリはシンプルな腱の构造を再现することで切断部に新しい腱を形成する仕组みが明らかになりました。
図3 イモリ(上段)とマウス(下段)の健常腱(左列)と完全切断后12週后の治癒再生组织(右列)のナノメートルスケールの観察画像(透过型电子顕微镜像)。黒い点々はコラーゲン分子が集合したコラーゲン原线维注3)と呼ばれる微细な线维。イモリの健常腱は直径约45苍尘の原线维によって构成され、再生腱も同様であった。一方でマウスの健常腱は直径约30苍尘と150苍尘の2种类の原线维で构成されるものの、治癒组织は健常腱とは异なり直径约45苍尘の原线维のみで构成される。つまり、マウスは健常腱とは异なる材料(原线维)を作って治癒组织を作るのに対し、イモリは健常腱と同じ材料(原线维)を作って再生腱を形成していることが分かる。
成果の意义
これまでイモリなど両生类の组织再生力を対象とした研究は数多く行われてきましたが、その多くは欠损させた指、四肢、心臓など大规模な再生を対象にしてきました。一方で本研究は、ヒトでも起こりうる比较的小规模な组织の损伤再生に焦点を绞ることで、単にイモリと哺乳类(マウス、ヒト)の治癒再生力の违いを明らかにするだけでなく、治癒再生の仕组みの违いも明らかにしました。私たちの研究によって、现状では不完全に终わるヒトの腱の损伤治癒を、完全な机能回復に导くためのメカニズムが明らかになり、スポーツアスリートだけでなく腱、それに类似する构造をもつ靭帯の怪我に悩む多くの人々がより早くより良い形で竞技や日常生活に復帰できることにつながることが期待されます。
学术的には、本研究のイモリの组织再生现象をマウスと直接比较する研究モデルは世界に他になく、腱だけでなく他の组织を対象とする组织再生研究に新しい展开をもたらすものです。
本研究は、科学研究费补助金(18贬03752、20碍21887)、小柳财団、伊藤忠兵卫基金、木下记念事业団木下基础科学研究基金助成事业の支援のもとで行われたものです。
用语説明
注1)屈筋腱(中趾屈筋腱)：
足の中指(中趾)を曲げる(屈曲する)筋肉の腱で、腱は筋肉と骨をつなぐ組織。正式名称はイモリではtendon of the flexor digitorum brevis superficialis muscle(浅短趾屈筋腱)、マウスではtendon of the flexor digitorum profundus muscle(深趾屈筋腱)。
注2)强度：
イモリとマウスの腱の强度は、工学分野で一般に用いられる材料试験(引张试験)を実施し、腱试料が破断するまで引っ张ることで腱が耐える最大の応力(荷重を组织の断面积で除した、単位面积あたりに作用する力の呼称。材料の寸法に依存しない値であるため、异なる材料间での比较が可能)として计测した。生体组织は形状や材质などが金属などの一般的な工业材料とは多くの点で异なる。したがって、研究代表者のグループが専门とするバイオメカニクス研究の技术を用いて、生体组织に适した引张试験を実施する必要がある。
注3)コラーゲン原线维：
腱はコラーゲンの阶层构造を有していることが知られている。例えると、コラーゲン分子が素麺の束のように集合することで原线维を形成する。次に原线维が集合するとコラーゲン线维(光学顕微镜で観察可能)を、コラーゲン线维が集合するとコラーゲン线维束(肉眼で観察可能)を、线维束が集合して腱そのものを形成する。
论文情报
- 雑誌名：Journal of Orthopaedic Research
- 論文タイトル：Biomechanical analysis of tendon regeneration capacity of Iberian ribbed newts following transection injury: Comparison to a mouse model
- 着者：贵umiya Sato, Yu Masuda, Daisuke Suzuki, Toshinori Hayashi, Tomohito Iwasaki, Jeonghyun Kim, Takeo Matsumoto, Eijiro Maeda
下线部が名古屋大学関係者
- DOI: doi.org/10.1002/jor.25705
【お问い合わせ先】
＜研究者连络先＞
東海国立大学機構 名古屋大学大学院工学研究科
准教授 前田 英次郎(まえだ えいじろう)
TEL：052-789-2724 FAX：052-789-2695
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広岛大学両生类研究センター
教授 林 利憲(はやし としのり)
TEL：082-424-7328 FAX：082-424-0739
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北海道千歳リハビリテーション大学 健康科学部
教授 鈴木 大輔(すずき だいすけ)
TEL：0123-28-5331 FAX：0123-28-5335
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酪農学園大学 食と健康学類
教授 岩崎 智仁(いわさき ともひと)
TEL：011-388-4838 FAX：011-388-4838
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＜报道连络先＞
東海国立大学機構 名古屋大学広報課
TEL：052-558-9735 FAX：052-788-6272
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広岛大学広报课
TEL： 082-424-6762 FAX：082-424-6040
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北海道千歳リハビリテーション大学入试広报室
TEL：0123-28-5331 FAX：0123-28-5335
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酪农学园大学 入试広报课
TEL： 011-388-4158 FAX：011-388-4157
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