生体アパタイト結晶
(4-1) ２経路のアパタイト結晶形成機構
(OCP と CDL 経路)
(4-2) CDL経路では、フッ素、カドミウム暴露
やエストロゲン欠乏により
結晶形成阻害が生じる
(構造欠陥と骨粗鬆症)
(4-3) 病的石灰化過程
(血管の石灰化)
(4-4) 骨吸収
(破骨細胞による細胞内貪食)
(4-1) 2経路のアパタイト形成機構
１：オクタカルシウム (OCP) 経路：前駆体OCPを経て形成される経路
カンブリア紀に初めて出現した。
F イオンの無い状態では、徐々にOCPからヒドロキシアパタイトに変わる。
F イオンの存在下では、結晶化が加速されフロールアパタイトが形成される。
Localization: the shell of Lingula unguis, conodont, chiton radular teeth , shark tooth enameloid and placoid
denticle outer layer, Eusthenoptern foodi tooth enameloid and dermal denticle outer layer, etc.
•
２： 中心線(CDL) 経路：前駆体OCP を経ない経路
CDL 経路は シルル紀頃に発達した。
CDL経路は結晶形成阻害効果を有するMg イオンを 炭酸イオンで無害なhuntite mineralsに固
定し、核形成を誘導する。故に、この経路では 炭酸脱水酵素が炭酸イオン供給の役割を担
う。
F,CdイオンやEs欠乏はこの炭酸脱水酵素の合成や活性を阻害するため、核形成が阻害される。
Localization: Tooth enamel, dentin, bone, goldfish scales, shark tooth dentin, shark placoid denticle inner
２つの異なる結晶構造:CDLを欠いたタイプと
CDLを有するタイプの結晶
b
a: enameloid crystals of Scapanorthynchus texanus, b: enamel crystals of
Palaeoloxodon naumanni, c: dentin crystal of Palaeoloxodon naumanni,
d: bone crystal of Eusthenopteron foodi. Bars = 10 nm
*
中心線（CDL）の有無は形成機構の違いを反映
J. Fossil Res. 48(2), 53-65. (2016)
With permission
J. Fossil Res. 48(2), 53-65. (2016)
地質年代からみた結晶形成機構の進化
コノドント（象牙質）（a）、サメ楯麟（外層）（b）とヒザラガイ
歯舌（c）にみられるアパタイト結晶
(CDL-free)
c
b
a
a = b = c (bar = 10 nm)
a
b
c
d
e
シャミセン貝の貝殻にみられるOCP とアパタイトの結晶格子
およびOCP格子のアパタイトへの転化
*
一本のOCP 格子(d, arrow)から 2本のアパタイト格子(e, small
arrows)が形成される
Same event to see: J. Electron microscopy 58(6), 393-398. (2009)
(b = c): bar = 10 nm, ( d = e): bar = 10 nm, (a-e): no stain
ガーパイクのエナメロイドにおけるOCPとアパタイトの結晶格子
OCP
HA
OCP
HA
変化前のOCPから変化後のアパタイト格子への転化 （同じ部位）
ガーパイク
a
b
c
電子顕微鏡観察によるエナメル質、象牙質、骨
の各結晶像
(CDL-bearing)
a: enamel, b: dentin, c: bone crystals Arrows: CDLs
a
b
Bar = 10 nm
中心線（CDL)の電子照射による変化前 (a)と変化後 (b)
** CDL 格子からはOCP格子と異なり２本の格子が形成されない
e
f
d
c
b
a
g
電顕観察によるエナメル質、象牙質、骨組織
の結晶形成初期の微細構造
(a, d and f): bar = 500 nm, (b, c, e and g): bars = 10 nm, (a-c, e and g): 二重染色, (d and f):
無染色.
J. Fossil Res. 48(2), 53-65. (2016)
エナメル質のリボン状構造(a-c) 象牙質(d, e) , 骨 (f, g)の針状構造
a
b
c
Arrow heads:有機質被膜構造、e, arrows: 中心線
(a = b = c): bar = 10 nm, double stain
.
J. Fossil Res. 48(2), 53-65. (2016) (modified)
エナメル結晶の核形成から成熟過程
サメ楯麟の内層と金魚の鱗にみられる有機質被膜と
アパタイト結晶
Arrow heads: organic envelope; arrows: CDLs.
(a and b): double staining; (c): no stain. (a = b = c,
bar = = 10 nm
Kakei, M., Sakae, T. and Mishima, H（2007）In: Biomineralization: from
paleontology to materials Science (eds. Arias, J.L. and Fernandez, M.S.).
Editorial Universitaria, Santiago, Chile, pp.107–115.
a
b
c
a
b
c
(shark)
(goldfish)
Arrow heads: organic envelope; arrows: CDLs.
(a): double staining; (b and c): no stain. (a = b = c,
bar = = 10 nm
髭クジラのアパタイト結晶
a
b
c
d
(a): cross-section of a baleen, bar=150 μm, (b): bar= 100 nm,
(c and d): 10 nm, no stain Arrows: CDLs
*
結晶中央部には炭酸イオンが多いため、酸に溶け易い
エナメル質結晶の中心部は炭酸イオンが多く存在する
頭頂骨の各形成期における炭酸とマグネシウムイオン含有率
*
結晶核形成時にかけて炭酸イオンの役割が重要
•
More information: Ann. Anat. 179, 311-316. (1997)
• Mgはイオンの状態では、核形成阻害効果で、無秩序な核形成を防ぐ役割
Newborn: the amorphous rich stage,
6-days: the nucleus rich stage
, 12-W: the matured stage
*
Huntite minerals
形成は最初のアパタイト格子より先行する
アパタイト初期結晶形成過程におけるラマン解析
Casciani F S, Etz E S, Newbury D E, and Doty
S B Scan. Electron Microsc. 2, 383–91. (1979)
With permission
D: 960 +1123 cm
-1: 核形成
(中心線形成)
A: 1123 cm
-1: ハンタイト
形成
1123 cm-1 960 cm-1960 cm
-1: アパタイトのPO
4のピーク
1123 cm
-1: ハンタイトのCO
3のピーク
OCP とhuntite mineralsの熱分解パターンの比較
Huntite
*
Huntite mineralsの熱分解はOCPの約150度と異なり約 500 度程
から始まる
OCP
Bigi et al. J. Inorg. Biochem. 40, 293-299. (1990) With permission
DTA
W
e
ig
h
t/
%
Hea
t
Fl
o
w
/
μ
V
-80.00
-60.00
-100.00
-40.00
-20.00
0.00
-100.0
-20.0
0.0
20.0
40.0
200.0
0.0
400.0
600.0
800.
0
900.0
Temperature/℃
-80.0
-60.0
-40.0
TG
J Fossil Res. 38; 43–48. (2005) (modified)
*
CDL の熱分解はOCPより高温であり、huntite minerals が
CDLの構成成分であることを示唆する
•
600度前後からhuntiteが分解し、組成変化しながら癒合し大きな結晶が形成され
る
中心線の耐熱性
Enamel (a-c) and bone crystals (d-f) after heat treatment.
(a); Each crystal appears to be obscure and
some crystals amalgamate with each other
(
bar = 25 nm
). A few crystals preserve CDL.
(inset, arrows,
bar = 10 nm)
(b) and (c); Various sizes of large crystals were formed. No CDLs were observed
anymore. (b); heated at 700 ℃. (c); Heated at 1,000 ℃. (
bars = 120 nm
).
熱処理による組成変化と構造変化
*
700 ℃ 以上の熱処理により、huntiteの分解と各結晶の癒合が生じる
•
(2019 BIOM XV, modified)
Related article: Yanagi S. Bulletin of TIRI 3, 96-97. (2008), Greiner et al. In: Biomoneralization: from molecular and
nano-structural analyses to environmental science. (eds. Endo et al.) Tsukuba, Japan, pp. 21-29.
中心線（CDL）経路による結晶形成過程の模式図
J. Fossil Res. 48(2); 53-65. (2016)
１: 有機質被膜内では、 Ca, PO4とMgイオンから成る非晶質で、 Mgイオンの結晶化阻害効果
（LeGeros
R Z. (1981) Apatites in biological system. Prog. Crystal Growth Charact. 4, 1–45）
で無秩序な結晶核形成を防ぐ
2： 炭酸脱水素酵素による炭酸イオンがMgイオンと反応し、ハンタイトを形成し阻害効果を無効にする
3： 最初のアパタイト格子が誘導される
4： ハンタイトと最初のアパタイト格子で中心線が形成される
(4-2) CDL 経路によるフッ素（F)、カドミウム（Cd)暴露および
エストロゲン（Es)欠乏による結晶構造欠陥
(構造欠陥と骨粗鬆症)
＊F イオンは濃度の如何に関わらず、炭酸脱水素酵素の合成を阻害する
＊ Cdイオンは炭酸脱水酵素のZnを Cdに置換し、活性を阻害する
＊エストロゲン欠乏は炭酸脱水素酵素の合成を低下する
＊結晶核形成時に炭酸イオンの供給が無いと、エナメル質における構造欠陥
や骨の非晶質の増加など修復不可能な結果を引き起こす
＊特に、更年期女性にとっては、骨粗鬆症の加速要因となる
フッ素症
正常
白濁して透明性がない
矢印は透明性を
失った白濁した
エナメル質
ラマン解析によるフロール化の有無
**
フッ素処理によるアパタイト結晶のフロール化は起こらない
Similar findings reported in: Tsuda H, Ruben J, and Arends J. (1996) Eur. J. Oral Sci. 104, 123–131.
a ：人エナメル質
b : ３０分フッ素処理
c : ５時間フッ素処理
d : 合成アパタイト
e : ２４時間合成アパタイトをフッ素処理
f : フロールアパタイト (サメの歯)
a
b
正常、初期齲蝕及びフッ素暴露による結晶の電顕像
正常
フッ素暴露
**
歯牙形成時にフッ素暴露により形成されたエナメル結晶はすでに
齲蝕状態が形成され、白濁している
耐酸性が上がる誤解の原因である
J. Hard Tissue Biology 21, 257-265. (2012) With permission
齲蝕
Low mag.
LM C OVX C OVX LM C Cd F C Cd F
31K
31K
A
B
a
a
b
b
イムノブロット法による 未成熟エナメル基質の
炭酸脱水酵素 (CA)分析
*
A: F暴露は CA合成を阻害し、Cd 暴露はCA活性を低下させる
*
B: Es 欠乏はCA合成を低下させる
a: amid black stain, b: immunoblot
Proc. Jpn. Acad., Ser. B 85, 500-507. (2009)
Proc. Jpn. Acad., Ser. B 89, 340-347. (2013)
A
1
2
3
B
1
3
2
C
a
b
c
d
フッ素、cadmium（F 、Cd） イオンとエストロゲン（Es ）欠乏による結晶構造欠陥
の模式図(A)と ラットのエナメル結晶に生じた結晶構造欠陥(B and C)
J. Fossil Res. 48(2), 53-65. (2016)
**
炭酸脱水素酵素による炭酸イオン供給が核形成には不可欠である
a: Control
b: Cd 100 ppm exposure
c: Es deficiency (ovary-ectomy)
d: Combination of Es deficiency
and Cd 100 ppm exposure
エストロゲン（Es）欠乏とcadmium（Cd）暴露における骨端部
におけるマイクロCT解析
**
エストロゲンEs 欠乏におけるCd 暴露により、著しい骨梁の減少
が生じる
ラット頭頂骨のエストロゲン（Es）欠乏とカドミウム（Cd）暴露
におけるsoft-X線所見(Soft X-ray radiography)
Proc. Jpn. Acad., Ser. B 89, 340-347.
(2013)
a: Control
b: Cd 100 ppm
c: OVX (ovary-ectomy)
d: OVX-Cd 100 ppm
**
エストロゲン（Es）欠乏とカドミウム（Cd）暴露により、非晶質が増加
し、ラビリンス模様として認められる（ｄ）
a
b
c
d
e
f
エストロゲン（Es）欠乏とフッ素（F)または、カドミウム（Cd）暴露
におけるラット頭頂骨の電顕所見 (Cd , F exposure)
(a and d ): radiolucent area, (b and e): radiopaque area, (c and f): control, a-c:
Low mag, d-f: High mag. Arrows: CDLs
Proc. Jpn. Acad. Ser. B. 89; 340–347. (2013)
**
カドミウム（Cd）暴露とエストロゲン（Es）欠乏による骨での非晶質の増加(d)
**
同様に、フッ素（F) 暴露とエストロゲン（Es）欠乏によっても非晶質が増加
フッ素、カドミウム（F,Cd)暴露された未成熟エナメル基質に
おける炭酸脱水酵素活性の比較
Enzymatic activity was measured by a method at a differential gas pressure
.
Kodama E. Master thesis, Tokyo Gakugei University (2007) (in Japanese)
**
フッ素暴露はカドミウム暴露より核形成阻害効果が大である
J. Hard Tissue Biology 21, 257-265. (2012) (modified )
Cont: Control, Cd20: Cd 20 ppm, Cd40: Cd 40 ppm, Cd100: Cd 100 ppm, F2: F 2 ppm
有害イオン暴露とエストロゲン（Es）欠乏におけるラット頭頂骨の
soft-X線所見(Soft X-ray radiography)
**
エストロゲン（Es)欠乏状態で、フッ素（F）暴露はカドミウム（Cd）暴露に
比べ結晶形成に対する影響が大である
エストロゲン（Es）欠乏とフッ素（F)暴露における骨端部
の光顕所見
**
エストロゲン(Es)欠乏状態で、フッ素（F）暴露はカドミウム（Cd）
暴露に比べ骨形成に対する影響が大である
a: Control
b: OVX (ovary-ectomy)
c: F 1.0 ppm
d: OVX-F 1.0 ppm
e: OVX-Cd 2.0 ppm
Adv Tech Biol Med 2016, 4:1 http://dx.doi.org/10.4172/2379-1764.1000170 (modified)
a
b
c
In vascular lesion, both CDL-free and –bearing crystals are observed
.
(4-3) 病的石灰化過程
(血管の石灰化)
J. Fossil Res. 48(2), 53-65. (2016)
**
動脈硬化症で観察されたアパタイト結晶と骨に形成される
結晶には違いが多い
(4-4) 破骨細胞 (OS)による骨吸収
(破骨細胞による細胞内貪食)
*
電顕観察から結晶は破骨細胞内に取り込まれ、消化される
Related reports: Hancox N.M., Boothroyd M.D. and Boothroyd B. (1961) J. Biophysic. Biochem. Cytol. 11, 651-661.
Boothroyd B. (1964) J. Cell Biology 20, 165-173.
OS
考 察
(4-1) 2経路のアパタイト形成機構
オクタカルシウム（OCP ）経路を経る結晶形成機構がカンブリア紀に現れた。この経路では、フッ素存在下では結晶化を促
進し、結果としてフロールアパタイトを形成する
中心線（CDL）経路は、シルル紀頃に出現した。このC経路ではフロールアパタイトの形成はなく、炭酸脱水酵素が核形成
に重要な役割をする。また、CDLとOCPでは組成が全く異なるものである。
(4-2) CDL 経路によるフッ素、カドミウム暴露および
エストロゲン欠乏による結晶構造欠陥
(構造欠陥と骨粗鬆症)
有害なフッ素、カドミウム（F, Cd）暴露やエストロゲン（Es ）欠乏は核形成に必要な炭酸脱水酵素の合成や活性の阻害や低
下により、エナメル結晶に構造不全や、骨における非晶質の増加を招く。
更年期女性のエストロゲン（Es）欠乏におけるフッ素（F）やカドミウム（Cd）暴露は、骨粗鬆症を加速する
(4-3)病的石灰化
(血管の石灰化)
病的石灰化にみられる結晶の微細構造は正常骨における結晶とは異なっており、軟組織の細胞が骨を形成する細胞に変
化するとする形質転換説には疑問がある。
(4-4) 破骨細胞 (OS)による骨吸収
(破骨細胞による細胞内貪食)
結晶は破骨細胞内に取り込まれ、消化される
補 足
（Warburg O. and Christian W Biochem. Z. . (1942) 310, 384-421）： 生物界で、enolase酵素 はATP合成系の最初の
段階である解糖系で働く酵素であり、フッ素暴露はこの酵素合成を阻害すると報告されている。
影響は口腔内
のバクテリアのみに限らず、身体に及ぶことは容易に推測される。
(Vijaya Bhaskara Rao and Vidyunmala S. American-Eurasian J. Toxicological Science (2009), 1, 81-83.) : 動物実験
で、フッ素暴露は小球性低色素性貧血を引き起こす報告がなされている。
炭酸脱水素酵素への影響を考慮す
れば関連性が疑われる。
近年、軟組織細胞が骨を形成する細胞に形質転換する説が流行っている。しかしながら、知る限りでは、(Faure G. et
al. Scan. Electron Microsc. (1982) 1629-34.) 彼らが異所性石灰化の結晶観察をした報告以外は知らない。当時は、
このような説はなかった。病的石灰化では、結晶の微細構造の比較なしでは、形質転換説には疑問が残る。
FOPに関して、免疫抑制剤には進行を抑制する効果が報告されている。(Kaplan et al. (2007), J. Bone Joint Surg.
Am.89, 347-357) 患者の筋組織の脆弱性が知られている。結晶の微細構造は知られていない。
今まで再石灰化を証明した論文はないが、以下の論文から各自で判断。J. Electron Microsc （2003), 2:471-76.; J.
Hard Tissue Biology (2012), 21(3), 257-266.
破骨細胞の骨吸収について、骨の結晶を細胞外で溶かすか、細胞内で処理するかの2論争があった。1960年代に
電顕の観察結果で、細胞内での処理に決着。その後、1980年代（？）になり、ある生化学者グループが、細胞内と
外でそれぞれが半々行われていると唱え、現在では、細胞内の酵素から放出されるイオンで結晶を溶かすのが
主流となっています。電顕観察の所見(Hancox NM., Boothroyd MD. and Boothroyd B. (1961), J. Biophysic.
(References)
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