研究・業績

関節・骨軟骨研究

スタッフ

軟骨基礎研究

整形外科 教授
秋山 治彦
整形外科 准教授
松本 和
助教
小川 寛恭
大学院生
吉岡 大輝
大学院生
佐竹 崇志
大学院生
竹内 健太郎

先天性股関節脱臼

整形外科 教授
秋山 治彦
大学院生
齋藤 満
医員
川島 健志

概要

近年、高齢化が急速に進む本邦では加齢に伴う骨や関節、筋肉といった運動器の障害・ロコモティブシンドロームが注目されています。整形外科では投薬・リハビリ等による保存療法や外科的手法を用いて患者さんの運動器障害を軽減するよう診療を行っています。当研究室ではこのような骨・関節軟骨に関連した疾患に注目し、骨軟骨疾患の病態解明および疾患治療、組織再生ための基盤研究をおこなっています。

実績

1.骨格形成におけるマスター遺伝子の機能解析

我々は、これまで軟骨細胞の発生分化および機能に転写因子Sox9、Sox5、Sox6が必須であることを様々な遺伝子改変マウスを用いて明らかにしてきた。特にSox9は生体内の全ての軟骨組織に発現し(図1A)、Sox9遺伝子を欠失した遺伝子改変マウスでは内軟骨性骨化を生じない(図1B)。またSox9が骨軟骨前駆細胞への細胞系譜の決定に必須であることも明らかにした。現在、Sox9による軟骨分化誘導、軟骨細胞形質維持の分子メカニズムの解明、Sox9転写複合体の解明に重点を置き研究している(図2)。


図1A. Sox9の組織発現(マウス胎児)


図1B. Sox9遺伝子を肢芽でのみ欠失させた変異マウスでは、
四肢の骨格が完全欠損する。
野生型(左)、Sox9コンディショナルノックアウトマウス
(右)(参考業績13より)


図2. 軟骨細胞におけるSox9転写機構

2.関節軟骨疾患治療プロジェクト

関節軟骨の変性・損傷に対しての確立された治療法は人工関節置換術のみである。蛍光タンパク質を関節で発現するマウスを用いて関節軟骨の破壊および修復機序を解明し、保存的治療薬の探索を行っています(図1)。また、iPS細胞などを用いず腫瘍化の危険性のない条件で、in vitroにおいて軟骨細胞を誘導することに成功しており、軟骨細胞移植などの低侵襲治療法を開発するための臨床応用研究を行っています。


図1. 関節軟骨を赤色蛍光で標識したマウスと緑色蛍光で標識したマウスを用いた研究
(画像は大腿骨頭の各共焦点レーザー顕微鏡画像をmergeさせたもの)

3. 軟骨におけるヒアルロン酸の役割

ヒアルロン酸は、関節軟骨の主要細胞外マトリックスの構成成分の一つです。ヒアルロン酸は、高い保水性を有し、関節軟骨の耐荷重性に大きく寄与していることが知られています。我々は、ヒアルロン酸合成酵素の一つである、Has2を肢芽特異的に欠損させたマウスを作成したところ、同マウスは高度の短肢症を呈し、特に指趾の骨格パターンの欠損を認めました(下図)。同マウスの解析により、Has2 遺伝子によって調整されるヒアルロン酸産生は、四肢骨格の正常な長軸方向成長に必要不可欠である事が示されました。


(参考業績6より)

4.骨組織構築および機能維持機構の解析

骨折治癒では、仮骨が形成され皮質が再構築され、内軟骨性骨形成と膜性骨形成の両者が協調している(図1)。さらにWolfの応変則により変形が矯正される。この一連の分子機序を明らかにすることは、骨折治療のみならず先天性骨疾患や骨粗鬆症の治療につながります。我々は、骨芽細胞および破骨細胞をマウス生体内で赤色・緑色蛍光でマーキングした遺伝子改変マウスを用いて、生体内での骨形成過程を可視化し解析しています(図2)。


図1.マウス骨折治癒過程
PO:骨膜, BM:骨髄, SC:軟骨仮骨, HC:硬性仮骨, RB:再構築骨


図2.骨芽細胞(左:大腿骨全体)
および破骨細胞(右:膝関節近傍)を蛍光標識したマウス

5. ヒト変形性膝関節症軟骨におけるコンドロイチン硫酸の組成・構造の解析

岐阜大学整形外科で、人工膝関節置換術を受けられた変形性膝関節症の患者さんの膝関節軟骨を採取し、軟骨の主要構成成分の一つであるコンドロイチン硫酸の組成・構造を解析しました。現在、その結果をもとに変形性膝関節症とコンドロイチン硫酸の構造の関連について検討を行っています。
骨軟骨疾患の病態解明および疾患治療、組織再生のための基盤研究をおこなっています。

業績リスト

  1. Murao H, Yamamoto K, Matsuda S, Akiyama H. Periosteal cells are a major source of soft callus in bone fracture. J Bone Miner Metab 31:390-8, 2013.
  2. Nakamura Y, Yamamoto K, He X, Otsuki B, Kim Y, Murao H, Soeda T, Tsumaki N, Deng JM, Zhang Z, Behringer RR, Crombrugghe Bd, Postlethwait JH, Warman ML, Nakamura T, Akiyama H. Wwp2 is essential for palatogenesis mediated by the interaction between Sox9 and mediator subunit 25. Nature Communications 2: 251, 2011.
  3. Furuyama K, Kawaguchi Y, Akiyama H, Horiguchi M, Kodama S, Kuhara T, Hosokawa S, Elbahrawy A, Soeda T, Koizumi M, Masui T, Kawaguchi M, Takaori K, Doi R, Nishi E, Kakinoki R, Deng JM, Behringer RR, Nakamura T, Uemoto S. Continuous cell supply from a Sox9-expressing progenitor zone in adult liver, exocrine pancreas and intestine. Nature Genetics 43:34-41, 2011.
  4. Matsumoto K, Irie F, Mackem S, Yamaguchi Y. A mouse model of chondrocyte-specific somatic mutation reveals a role for Ext1 loss of heterozygosity in multiple hereditary exostoses. Proc. Nat’l. Acad. Sci 107:10932-7, 2010.
  5. Matsumoto K. The role of hyaluronan in cartilage. (Review) Trends in Glycoscience and Glycotechnology 22:57-67, 2010.
  6. Matsumoto K, Li Y, Jakuba C, Sugiyama Y, Sayo T, Okuno M, Dealy CN, Toole BP, Takeda J, Yamaguchi Y, Kosher RA. Conditional inactivation of Has2 reveals a crucial role for hyaluronan in skeletal growth, patterning, chondrocyte maturation and joint formation in the developing limb. Development 136:2825-35, 2009.
  7. Akiyama H, Stadler HS, Martin JF, Ishii TM, Beachy PA, Nakamura T, de Crombrugghe B. Misexpression of Sox9 in mouse limb bud mesenchyme induces polydactyly and rescues hypodactyly mice. Matrix Biology 26:224-233, 2007.
  8. Matsumoto K, Kamiya N, Suwan K, Atsumi F, Shimizu K, Shinomura T, Yamada Y, Kimata K, Watanabe H. Identification and characterization of versican/PG-M aggregates in cartilage. J Biol Chem 281:18257-63, 2006.
  9. Nakanishi R, Shimizu M, Mori M, Akiyama H, Okudaira S, Otsuki B, Hashimoto M, Higuchi K, Hosokawa M, Tsuboyama T, Nakamura T. Secreted Frizzled-Related Protein 4 is a negative regulator of peak bone mineral density in SAMP6 mice. Journal of Bone and Mineral Research 21:1713-1721, 2006.
  10. Akiyama H, Kim JE, Nakashima K, Balmes G, Iwai N, Deng JM, Zhang Z, Martin JF, Behringer RR, Nakamura T, de Crombrugghe B. Osteo-chondroprogenitor cells are derived from Sox9 expressing precursors. Proc. Nat’l. Acad. Sci 102:14665-14670, 2005.
  11. Akiyama H, Lyons JP, Mori-Akiyama Y, Yang X, Zhang R, Zhang Z, Deng JM, Taketo MM, Nakamura T, Behringer RR, McCrea PD, de Crombrugghe B. Interactions between Sox9 and beta-catenin control chondrocyte differentiation. Genes Dev 18:1072-1087, 2004.
  12. Akiyama H, Chaboissier MC, Behringer RR, Rowitch DH, Schedl A, Epstein JA, de Crombrugghe B. Essential Role of Sox9 in the Pathway that Controls Formation of Cardiac Valves and Septa. Proc. Nat’l. Acad. Sci 101:6502-6507, 2004.
  13. Akiyama H, Chaboissier MC, Martin JF, Schedl A, de Crombrugghe B. The transcription factor Sox9 has essential roles in successive steps of the chondrocyte differentiation pathway and is required for expression of Sox5 and Sox6. Genes Dev 16:2813-28, 2002.

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