アパタイトセメントの骨との置換 : 培養破骨細胞および骨芽細胞を用いた検討 The Bone Replacement of 3 Types of Apatite Cement : Evaluation of Apatite Cements with Osteoblasts and Osteoclasts in Vitro アパタイト セメント ノ ホネ トノ チカン : バイヨウ ハコツ サイボウ オヨビ コツガ サイボウ オ モチイタ ケントウ

博士論文

アパタイトセメントは、優れた生体親和性と骨伝導性を示す生体活性セメントである。しか し、このアパタイトセメント(従来型)には硬化時間が長い(3O～60分)、硬化前のペー ストが体液と接触すると崩れてしまうなどの問題点があった。そこでわれわれは、約5分で硬 化する迅速硬化型アパタイトセメントを、さらに練和直後に血清に浸漬しても崩れることなく 約5分で硬化する非崩壊型アパタイトセメントを開発し、優れた生体親和性と骨伝導性をもつ ことを明らかとしてきた。 骨欠損部に補填されたアパタイトセメントの骨との置換に関しては、必ずしも一定の見解は 得られていない。そこで本研究では、アパタイトセメントが骨と置換するか否かを検討する目 的で、培養破骨細胞によるセメントの吸収と培養骨芽細胞によるセメント上での骨形成の二面 から検討を行った。 【材料と方法】従来型、迅速硬化型、非崩壊型の3種類のアパタイトセメントを粉液比2.0で練 和し、37℃相対湿度100%の条件下で24時間硬化させたディスク状硬化体を試料とした。対照と して、焼結体アパタイトを用いた。さらに、セメント吸収性の実験には、牛皮質骨より調整し た骨片も対照として用いた。 家兎の長管骨より採取した破骨細胞を含む骨髄細胞を試料上に播種し、48時間培養した後、 酒石酸抵抗性酸ホスファターゼ染色を行い、試料上に付着した破骨細胞数を計測した。また、 走査型電子顕微鏡を用いて、付着破骨細胞の形態を観察するとともに、吸収窩数および、吸収窩 面積について定量的測定を行った。アパタイトセメントが骨芽細胞に及ぼす影響についての実 験では、当教室においてこれまで継代培養されてきたヒト骨芽細胞を各試料上に播種し、初期 接着性、細胞増殖、アルカリホスファターゼ活性、I型コラーゲン合成量、オステオカルシン 産生量について評価を行った。 【結果】破骨細胞を用いたセメント吸収性に関する検討では、付着破骨細胞数はアパタイトセ メント群および、骨片では差がなかったのに対し、焼結体アパタイト上の付着破骨細胞数はアパ タイトセメント群および骨片に比べ、有意に少なかった。また、吸収窩に関して、焼結体アパ タイト表面には破骨細胞による吸収窩が全く認められなかったのに対し、アパタイトセメント 群においては破骨細胞吸収窩が認められた。アパタイトセメント表面に認められた吸収窩数、 吸収窩面積は、骨片のそれと比較してそれぞれ1/12、1/120であった。また、3種のアパタイト セメント間に有意な差は認められなかった。培養骨芽細胞を用いた骨形成に関する検討では、 初期接着性および細胞増殖に関して、アパタイトセメント群と焼結体アパタイトとの間で有意 な差は認められなかった。しかし、骨芽細胞の分化マーカーの発現に関しては、検討したすべ ての時期でアパタイトセメント群は焼結体アパタイトに比較して有意に高い値を示した。な お、アパタイトセメント間に有意差は認められなかった。 【結論】本研究結果から、アパタイトセメントは、焼結体アパタイトに比較して、破骨細胞に より吸収されやすく、また、骨芽細胞の分化を促進させることが明らかとなった。また、迅速 硬化型および非崩壊型アパタイトセメントは、破骨細胞および骨芽細胞に対して従来型アパタ イトセメントと同じ挙動を示すことから、骨と置換される有用な生体材料であることが示唆さ れた。

Apatite cement (AC) was invented in 1986 and is used for reconstruction of bony defects but its clinical applications have been limited because it takes 30 min to set and decays immediately upon exposure to liquid before setting. Therefore，we have developed two types of new AC; fast-setting AC and anti-washout type AC. These cements have good biocompatibility and osteoconductivity same as conventional AC in vivo. However，it is a controversial matter whether AC can be replaced with bone in vivo or not. The aim of this study，therefore，is to evaluate the bone replacement of ACs objectively and quantitatively. For that purose，it is necessary to evaluate the resorption of ACs by osteoclasts and bone formation on ACs by osteoblasts，respectively， because bone replacement includes both processes. Sintered hydroxyapatite (sintered HAP) is used as control because sintered HAP is known to be nonresorbable clinically. For the evaluation of the resorption of ACs，osteoclats obtained from rabbit were cultured on sintered HAP，ACs and bone slice. The number of osteoclasts on sintered HAP was significantly less than that on both ACs and bone slice. ACs and bone slice were obviously resorbed by osteoclasts but sintered HAP was not. Intereslingly，the number of lacunae on bone slice was about 12 times as those on ACs and the resorption area on bone slice was about 120 times as those on ACs. There was no significant difference among 3 types of AC. For the evaluation of the bone formation，human osteoblasts were cultured on ACs and sintered HAP. There were no difference in initial cell attachment and proliferation of osteoblasts on between ACs and sintered HAP. The alkaline phosphatase activities of ACs， however，and protein levels for type Ⅰ collagen and osteocalcin of ACs were greater than that of sintered HAP. Thus，the differentiation of osteoblasts was promoted on ACs more than on sintered HAP. There was no difference among ACs. These results suggested that ACs would be resorbed by osteoclasts in vivo. In this study，it is suggested that ACs would be resorbed by osteoclasts and that osteoblasts on ACs would produce larger amount of new bone than those on sintered HAP. In conclusion，ACs are useful biomaterials which can be replaced with bone.