歯学部・大学院歯学研究科

骨を作る細胞と食べる細胞の不思議を探る

大学院歯学研究科 教授

網

あみ

塚

づか

憲生

のりお

（歯学部歯学科）

専門分野 ： 骨代謝，細胞組織学

研究のキーワード ： 骨芽細胞，破骨細胞，骨細胞，ナノテクノロジー，顕微鏡

HP アドレス ： http://www.den.hokudai.ac.jp/anatomy2/hokudai_d/index.html

何を目指しているのですか？

私たちは骨代謝について研究しています。骨はリン酸カルシウムという石灰化物で石の ように硬くなった組織です。ところが、硬く石灰化した骨を食べる細胞（破骨細胞）と作 る細胞（骨芽細胞）が、絶えず、古い骨を新しい骨に置き換えることで、硬くしなやかな 骨へ換えてゆきます（下図）。これを骨改造（骨リモデリング）とよび、成長期のヒトの大 腿骨（太ももの骨）では新旧の骨の交代に２年とかからず、成人の場合で全骨格の３～５％ は常に置き代わっています。さて、骨の石灰化した基質（細胞以外の成分）の中にも細胞 が存在し、それを骨細胞と言います。ごく最近まで、骨細胞は骨基質の中で密やかに過ご す細胞と考えられていましたが、近年、骨細胞は神経細胞のように機能的なネットワーク を作っていて、骨芽細胞や破骨細胞に対して積極的に働きかけていること、さらには、腎 臓に作用する物質を分泌して、血中のリン濃度を調節することが分かってきました。

骨の細胞は、我々が想像する以上に 多岐にわたる機能を示します。女性が 閉経期になると骨の量が急に減少する のは、骨の細胞がそのように誘導して ゆくためです。我々は、骨の細胞群が

正常または骨粗鬆症の状態でどのように振る舞うのか、 様々な顕微鏡にてアプローチを進めています。

どんな装置を使ってどんな実験をしているのですか？

骨の組織には、様々な種類の細胞が存在しています。骨芽細胞や骨細胞は間葉系由来、 破骨細胞は造血系由来であり、骨の細胞は、力学負荷、血中のカルシウム・リン、さらに 全身性ホルモンや局所因子のほかに血管や神経性の調節を受けます。従って、一つ一つの 細胞を観察するために、電子顕微鏡や共焦点レーザー顕微鏡などの細胞構造を調べる装置

を用います。実験の方法としては、ヒト の骨疾患に関連する特定遺伝子を組み換 えたマウスを作製して、骨の異常を明ら かにしたり、あるいは、骨から細胞を抽 出してきて、骨粗鬆症の治療に用いられ る薬剤や因子に対する反応性などを調べ

出身高校：北海道函館中部高校 最終学歴：新潟大学歯学部

医療／ミクロの世界

共焦点レーザー顕微鏡 透過型電子顕微鏡

破骨細胞

骨芽細胞

骨細胞

骨基質

骨の細胞群の模式図

歯学

ます。その結果、骨を作る骨芽細胞や骨を食べる破骨細胞は、無論、大切ですが、その周 囲にいて骨芽細胞や破骨細胞を調節する細胞の役割がとても重要なことがわかりました。

私たちは、遺伝子工学を用いた遺伝子組み換えや培養実験なども行いますが、重要視し ているのは、画像イメージングを中心としたナノテクノロジーを用いて、骨の細胞群がど のような構築および相互作用をしているかを明らかにすることです。

新しいこととして何がわかり、次に何を目指しますか？

・骨は絶えずリモデリング（新しい骨と古い骨の入れ換え）を受けることで代謝している ことを説明しました。しかし、私たちは、ある薬剤が骨を作るだけの作用（ミニモデリン グ）を有することを明らかにしており、今後、骨粗鬆症の治療に大きな期待がもたれます。

・骨細胞は機能的なネットワークを作り、血中のリン濃度を調節する因子を腎臓に向けて 分泌したり、骨芽細胞を抑制する因子を分泌すること、さらには、骨細胞が特定の全身性 ホルモンに敏感に反応して周囲の骨基質を溶解することで、血中のカルシウム濃度を速や かに調節する可能性を見いだしています。

・老化や腎臓疾患による動脈硬化ではしばしは血管の石灰化を示します。そのメカニズム として、単にカルシウムやリンが血管に沈着するだけでなく、血管を構成している筋肉の 細胞が骨芽細胞に似た細胞へと変化して石灰化を誘導することが分かってきました（下図）。

上に記したのは、我々が近年、見いだしたことの一部ですが、これらは、全て基礎から 臨床へと直結するトランスレーショナルリサーチです。我々は、骨の細胞群において未だ 知られざる機能や役割を明らかにすることで、骨代謝研究、さらにはそれに関連する腎臓、 神経系、肥満、糖尿病といった疾患に対する骨代謝の影響、すなわち、オステオネットワー クの解明に力を注いでゆきたいと思います。

参考書

(1) ^{網塚憲生ら，}『骨細胞の微細構造と機能』，日本臨牀社 67(5):868-871^（2009^） (2) ^{網塚憲生ら，}『骨細胞による骨基質と骨質の調節機構』，_{THE BONE} メディカルレ

ビュー社 ₂₄₍₃₎:_27-31（₂₀₁₀）

左図：骨芽細胞(A)と 骨 の 初期石 灰化 (B) の電子顕微鏡像。

右図：正常マウス(A) の前足とある遺伝子 を欠損させたマウス (B)の前足。Bでは指 の数が多いことに注 意してください(矢印)

特定遺伝子を欠損したマウス 血中カ ル シウ ム・

リン濃度の上昇

血管石灰化

（赤く染まっている部 分が石灰化を示す）

A

A B

B

歯学

生体は微生物をどのように認識し、排除するのか？

大学院歯学研究科 教授

柴田

しばた

健

けん

一郎

い ち ろ う

（歯学部歯学科）

専門分野 ： 微生物学，免疫学

研究のキーワード ： 生体防御，免疫，細菌，マイコプラズマ，Toll-like receptor HP アドレス ： http://www.den.hokudai.ac.jp/saikin/index.html

微生物が侵入するとなぜ赤くなって腫れるのか？

私達の体に細菌、ウイルス等の微生物が侵入すると、侵入部位が赤く腫れあがり、時に は発熱し、いわゆる炎症が惹起されます。発赤、腫脹、発熱等の炎症は細胞が放出する低 分子タンパク質（サイトカイン）により誘導されることは約₆₀年前から明らかにされてい ました。しかしながら、このようなサイトカインがどのようなメカニズムで産生されるの かについては₁₉₉₇年になるまで明らかにされていませんでした。₁₉₉₆年に_Tollというタ ンパク質がショウジョウバエに侵入してくる真菌（カビ、酵素類）を認識する受容体（レ セプター）であり、感染防御に重要な役割を果たしていることが明らかにされました。₁₉₉₇ 年に、この報告が引き金になり、ヒトにも同様なタンパク質があるのではないかという仮 説を基に調べたところ、_Tollに似たタンパク質が発見され、細菌のもつ内毒素（リポ多糖） を認識することが報告されました。このレセプタータンパク質は「_Tollに似たタンパク質」 ということで Toll-like receptor（_TLR）と名付けられました。その後、多くの_TLRが発見 され、細菌、ウイルス、真菌等の有する独特の構造を認識し、そのシグナルが細胞内の種々 のタンパク質を介して核に伝達され、

炎症の発症に係わるサイトカインの産 生を制御していることが明らかにされ ました（図１）。_Tollならびに_TLRの 発見により、微生物が感染する初期の 生体防御（自然免疫）の分子機構が明 らかにされ、その発見に関与した研究 者は₂₀₁₁年のノーベル医学・生理学賞 を受賞しました。

私達はこれまでマイコプラズマと

いう微生物の種々の生物活性を調べ、その活性物質を単離し、その構造を明らかにしまし た。マイコプラズマは細胞壁を有しない細菌で、一般細菌に比べてゲノム_DNAの大きさ が約_1/6で、遺伝暗号も異なり、最小の生命体として注目されています。また、一部のマ イコプラズマはヒトにマイコプラズマ肺炎を惹起します。私達が同定したマイコプラズマ の活性物質は、細胞膜に存在する分子量_44kDaのリポタンパク質（_LP44）で、その活性 発現部位は_N末端のリポペプチド部分であることを明らかにしました。その活性部分リポ ペプチドの構造を決定し、化学的に合成し、_FSL-1と名付けました（図２）。

出身高校：長崎県立島原高校 最終学歴：京都大学大学院農学研究科

病理

図１ 微生物は Toll-like receptor（TLR）で認識され、炎症を惹起 するサイトカインが放出される

微生物のリポタンパク質・リポペプチドは TLR2 で認識され、種々の生物活性を

発揮する

現在では₁₀数個の_TLRが発見さ れ、種々の微生物の侵入を感知して、 免疫系を活性化しています。そこで、 私達は、マイコプラズマ由来_FSL-1 が_TLR2で認識され、_TLR2依存的 に以下のような生物活性を有するこ とを明らかにしました。

１． 癌細胞を含む種々の細胞に細胞死（アポトーシス）を誘導する。

２． _{In vivo}（生体内で）で癌の増殖を抑制する。

３． 上皮細胞、線維芽細胞、血管内皮細胞等の種々の細胞を活性化し、炎症性サイトカイ ンを産生する。

４． リポタンパク質は肺炎マイコプラズマの重要な病原因子の一つである。

なお、_FSL-1はいくつかの試薬会社から、_TLR2と_TLR6のリガンドとして市販され、世 界中の多くの研究で使用されています（医学・生物学分野の学術文献検索サービス

「_PubMed」で、現時点で約₆₀の国際的な論文に使用）。

微生物の認識シグナルは貪食シグナルを抑制する

微生物が感染する初期の生体防御（自然免疫） 機構では、微生物を貪食し、分解して排除する食 細胞が重要な役割を果たしています。食細胞は微 生物の侵入を_TLR で感知した後は、貪食レセプ ターを介してその微生物を貪食・分解して排除す るが、_TLRによる認識シグナルと貪食シグナルが どのように関連しているのかということは不明な 点が多く残されていました。そこで、私達は_TLR による認識シグナルと貪食シグナルがどのように

関連しているのかについて、_TLR2のリガンドである_FSL-1を用いて研究し、_TLRによ る認識シグナルは貪食シグナルを増強するが、逆に貪食シグナルは_TLRによる認識シグ ナルを抑制することを明らかにしました（図３）。すなわち、私達は、食細胞は微生物の貪 食を開始すると、微生物の侵入を感知する能力が低下することを明らかにしました。

参考書

(1) ^{柴田健一郎（総説），}「微生物由来リポタンパク質・リポペプチドの免疫生物学的活性 と自然免疫系による認識」，『日本細菌学雑誌』，₆₂₍₃₎，_pp.363-374（₂₀₀₇）

（http://eprints.lib.hokudai.ac.jp/dspace/bitstream/2115/43935/1/shibata%20review%20saikin.pdf^） 図２ ジアシルリポペプチド FSL-1 の構造

抜いた歯を活用して骨を再生する

大学院歯学研究科 助教

柏 崎

かしわざき

晴彦

は る ひ こ

（歯学部歯学科）

専門分野 ： 口腔外科学，高齢者歯科学

研究のキーワード ： 再生医療，歯科，バイオリサイクル

HP アドレス ： http://www.den.hokudai.ac.jp/koreisha/index.html

何を目指しているのですか？

私たちは患者本人の不要な歯を「再生医療の資源」と考え、抜去した歯を自己のために 再利用する「歯のバイオリサイクル医療」を実施しています。これは、患者さんの親知ら ずなど不要の歯を顆粒状に粉砕（象牙質顆粒）し、あごの骨を再生する足場として再利用 するシステムです。

歯の主成分である象牙質には骨を作るたんぱく質が含まれ、特殊な加工を施すことで骨 再生に利用可能です。米国では₁₉₆₇年に動物実験で象牙質から骨を再生することが報告さ れました。その後、共同研究者の北海道医療大学・村田らは、膨大な基礎研究を背景に自 家象牙質移植の臨床研究を世界にさきがけて開始し、現在のシステムを確立しました。

従来、外傷や病気などによってあごの骨に欠損や吸収が生じた場合、主として自家骨移 植（自分の健康な骨を骨欠損部に移植）で対応していました。しかし、健全な部位から移 植骨を採取するため侵襲が大きいことが欠点でした。そこで不要な歯を再利用する象牙質 移植技術が開発され、この技術により従来よりも低侵襲に骨を再生させる治療が可能に なったのです。

どんな装置を使ってどんな治療をしているのですか？

当初は不要となった歯を手作業で砕くこ とからスタートしたのですが、道立総合研 究機構（赤澤敏之博士）などとの共同研究 によって歯の自動粉砕加工装置を完成し、 2010年に商品化しました（図１）。これは 世界初の取り組みです。

図２に象牙質顆粒の加工プロセスと実際 の臨床例を示します。ジルコニアという物

出身高校：北海道札幌南高校 最終学歴：北海道大学大学院歯学研究科

医療

図１ 歯の自動粉砕加工装置。

生体材料として認可されているジルコニア製の容器のため 強度と耐酸性に優れている。冷却溶媒として液体窒素を使 わず、生理食塩氷を用いて低温状態を維持して粉砕するの で簡易で安全である。容器に歯を入れて約30〜60秒で適切 な顆粒サイズに粉砕可能である。

質でできた容器に歯と氷を入れ、この自動粉砕加工装置にかけるとわずか₃₀秒で歯は１〜 ２ミリ程度に砕かれます。これを約₂₀分、酸で処理をすれば象牙質の顆粒として回収でき ます。これを移植材（骨を再生する足場）として、骨欠損部に移植します。図２の_Dは、 インプラント（人工歯根）を埋め込むための歯槽骨（足場）が足りない症例です。親知ら ず１本を抜歯し、象牙質顆粒に加工して骨の土台を作る部分に置いた状態です。この４か 月後にインプラントを埋め込み、噛み合わせの回復に成功したという事例です。

次に何を目指しますか？

象牙質顆粒は骨誘導能を有するバイオマテリアルであり、骨を再生する足場として応用 可能であることがわかってきました。一般的には、抜いた親知らずは廃棄することが多い のですが、今後さらに、抜いた歯を再利用するバイオリサイクル医療の普及が望まれます。 海外では、韓国でこの医療の普及が進み、すでに３万を超えるインプラント症例で象牙質 移植が実施されています。さらに最近ではタイ・フィリピン・中国などアジア各地でこの 医療が広まってきています。北海道発世界の技術として日本のみならず世界での普及・推 進に努めている段階です。

参考書

(1) ^{村田 勝・赤澤敏之 他，}『骨と歯の再生医療－生物学的原理・問題点とその指針－』， 97-106^{，学際企画（}2007^）

図２ 自家象牙質顆粒移植術。

A．B．抜去した歯と氷片をジルコニア容器に入れて、自動粉砕加工装置へ。 C．粉砕（60秒）、２％硝酸処理（20分）、生食洗浄後の脱灰象牙質顆粒 D．頬側歯槽骨が欠損した抜歯窩に即時移植した象牙質顆粒

世界の舞台で活躍できる研究者の育成

大学院歯学研究科 助教

有馬

ありま

太郎

たろう

（歯学部歯学科）

専門分野 ： 歯科補綴学，臨床口腔生理学

研究のキーワード ： 脳機能，ストレス，疼痛，顎関節症，睡眠障害 HP アドレス ： http://www.den.hokudai.ac.jp

あなたが思う、北海道大学の良いところを教えてください

北海道大学は₁₂の学部からなる、水産学部を除くすべての学部が同一キャンパス内に収 まっている点で数少ない総合大学です。全学共通の教科があったり、全体で催される学祭 があったり、国内のマラソン大会が大きな大学構内を通過したり、年中の行事で大学全体 の一体感を感じることができます。また敷地が大きく、池や博物館などが存在しているこ とから学外からの訪問者が多いことが特徴です。学生支援も全学で対応しており、全学と 各学部どちらにも学生相談室があります。学生はその中で相談相手先を選ぶことができま す。わたしはその中で全学の学生相談室「なんでも相談」の室員をしています。役目は専 門の相談員に出会う前の、「身の回りのちょっとした心配、問題」を打ち明ける兄貴的な相 談相手です。恋の悩みや単位の取り方、将来の人生設計など他愛のない質問から深いもの まで、一緒に悩み、一緒に解決しています。

あなたの専門研究分野の説明をしてください

わたしの専門は顎関節症（あごが痛い、くちが開かない）とその原因の一つとされてい るブラキシズム（睡眠時のはぎしり、昼間のくいしばり）、そして睡眠障害と、全般的に 臨床口腔生理学を行っていると言えます。特にブラキシズムと顎関節症については₂₀年近 く研究しており、それらに強く影響を与えている精神的ストレスについて関心を持ってい ます。ブラキシズムとその原因を理解するために脳波、生体の各筋肉の動き、そして精神 的ストレスをモニタリングしています。

この他にも実験的に行う歯のくいしばりが、精神的ストレスや咀嚼筋の痛みや疲労度に どのように影響を与えているか研究を行っています。

出身高校：岡山一宮高校

最終学歴：Denmark, Aalborg University, Ph.D.

医療

測定風景 脳波(EEG)・眼球運動(EOG)・はぎしり(EMG 最下段) 簡易型精神的ストレス度測定装置

「世界の舞台で活躍できる研究者の育成」の説明をしてください

われわれの教室では大学院４年間のうち、１）一年生の間に指導教員と世界をリードし ている海外の研究室を短期留学する、２）二年生から三年生の間の一年間、長期留学する 機会を、希望する学生に与えています。これにより学生は卒業時に英語を話せるようにな る、英語で科学論文を書けるようになる、著名外国人研究者・友人と仲良くなる、卒業時 の研究業績が一般的な大学院と比較して倍以上となる、と充実した大学院生活を送ってい ます。そして将来、北大を牽引する「世界の舞台で活躍できる研究者」となっていただき ます。私たちはその支援をしています。この方

法の積み重ねにより研究業績と国際交流が充実 し、このたびデンマーク、オーフス大学と国際 交流姉妹校部局間交流の協定を締結することに なりました。今後はより容易に、かつ北大から の金銭的サポートを得ながら国際共同研究を進 めることが可能となるでしょう。北大ではこの デンマークの大学のみならず海外のさまざまな 大学との交流を積極的に進めており、学生が国 際社会で能力を発揮できる環境づくりに配慮し ています。

北大受験を考えている学生諸君へのメッセージをお願いします

北大に入学されるみなさんは我々の財産です。この雄大なキャンパスと総合大学の協調 性、そして国際化された環境で、みなさんがのびのび勉学に勤しんでくだされば幸いです。 そして一緒に勉強しましょう。どの学部でも構いません、北大に入学し、卒業時に「都ぞ 弥生」を共に歌いましょう。北大の将来を担う学生さん、大募集です。

参考書

(1)Svensson P, Jadidi F, Arima T, Baad-Hansen L, Pain and bruxism. Bruxism-Theory and Practice. Paesani D edt. Quintessence Publishing Co. Inc, Chapter 17, 2010. ^教 科書

(2) ^{有馬太郎，}「北海道大学歯学研究科の国際化への一助として」，Hokkaido Journal of Dental Science 2010 31:2:128-9. ^{依頼報告書}

(3)Svensson P, Baad-Hansen L, Arima T. Association of Orofacial Pain Conditions and Sleep Disturbance. Sleep Medicine For Dentists: A Practical Overview. Gilles Lavigne, Peter Cistulli and Michael Smith edts. Quintessence Publishing Co, Inc, Chapter 21, 2009. ^教科書

(4)Arima T, Tomonaga A, Toyota M, Ohata N, Svensson P. Effect of interferences with mandibular movement on sleep bruxism. J Oral Rehabil, Jul;39(7):545-51, 2012. ^原 著論文

海外の研究会に出席する大学院生たち