骨の端にある特殊な血管構造を発見　久保田義顕（解剖学教室）

研究の背景

骨はカルシウムやコラーゲンに富んだ硬い組織で、からだを支え、内部の脳や臓器を守ります。骨の役割はそれだけではなく、骨の内部（骨髄）には血液幹細胞（注1）という赤血球や白血球を生み出す大元となる細胞が潜んでおり、日々血球を産生し、全身に送りとどけます（造血）。この硬い骨格としての役割と、血液産生の役割の両方において、生物学的に鍵となる構造が血管です。血管の構造を把握し、機能を調べるためには、「切片」を切って、その全体像を把握するという作業が不可欠ですが、骨の「切片を切る」という作業は、ほかの柔らかい組織とは違い、その硬さゆえに難しく、ほかの臓器の血管に比べ、骨髄血管の詳細に関する理解はあまり進んでいませんでした。

方法と結果

従来の骨髄の血管や血球の研究においては、上記の骨の硬さがネックとなっていたため、骨の両端（骨端部）をハサミやメスで切り落とし、円筒状になった骨の幹の内部を洗い流し、骨髄の柔らかい成分のみを取り出したうえで、フローサイトメーターなどで血管内皮細胞、血液細胞を分取、解析するという手法が一般的でした。これを受けて本研究では、骨の血管をそのままの形で観察すべく、骨の端を切り落とすという作業を経ずに、血管の全体像を可視化することを試みました。そのために、従来行われてきた脱灰や組織の薄切、免疫染色の実験操作を改変したうえで、マウスの大腿骨の切片をきれいに切って、血管の全体像を把握することに成功しました。

この技術を用いて骨髄の血管の走行を詳細に観察したところ、通常は切って捨てられてきた骨端部において、ほかの部位の血管とは明らかに走行のパターンが異なるユニークな骨髄血管が存在することを見出し、これをType S血管（注2）と名付けました（図1）。

図１．骨の血管の全体像とType S血管
（A）大腿骨の血管の全体像。矢頭がこれまで切り捨てられてきた骨端部。
（B）骨端部の拡大図。血管周囲に骨の元になる細胞（骨芽細胞前駆細胞）が多数存在する。
（C）Type S血管の模式図。ほかの血管と異なり、樹枝状の形態を呈する。
＊参考文献のFigure 2c,n, Figure 3gより転載（一部改変）

次にシングルセルトランスクリプトーム解析（注3）により、その遺伝子発現パターンを網羅的に解析したところ、ほかの部位の血管とは明らかに異なるパターンを示し、特に、通常の血管では見られないI型コラーゲン（注4）の遺伝子の発現が顕著なことを見出しました。次に、血管細胞特異的にI型コラーゲンを欠失させるノックアウトマウスを作成したところ、骨端部のみ骨へのカルシウム定着が低下しており、骨端部だけ力学的に骨が柔らかくなることを見出しました。一方、骨端部の血液幹細胞を可視化したところ、Type S血管に接するように存在していること、さらにVEGF（血管内皮細胞成長因子）（注5）の受容体の遺伝子改変マウスによりType S血管を欠失させたところ、その血液幹細胞が増殖できず、減少することを見出しました。

図２．骨端部S型血管内皮による骨形成と造血の制御
S型血管内皮は特有の遺伝子発現を呈し、骨端部の骨化、造血に寄与する。

今後の展開

本研究では、骨の血管の高精度な可視化により、これまで捨てられてきた骨の端に、ユニークな血管が存在することを見出し、この血管が骨の発生、造血に重要な役割を果たすことを解明しました。将来的には、本研究で見出された分子メカニズムに関する解析をさらに進めることによって、「寝たきり老人」の原因として社会問題となっている骨粗鬆症、大腿骨頸部骨折治療への応用が期待されます。

【用語解説】

（注1）血液幹細胞
造血幹細胞とも呼ばれる。主に骨髄の中に存在し（ストレス下では末梢血や脾臓に流出する）、血球をつくり出すもとになっている細胞。骨髄の中で盛んに細胞分裂を行い、赤血球・白血球・血小板を排出するとともに、血液幹細胞自身は生涯にわたって自身が絶えないよう、自己複製を行いその数を一定に保っている。

（注2）Type S血管
骨端部の骨化は、骨幹部、つまり骨の中央の幹の部分に比べ遅れて硬化が進む。骨幹部の骨化の起点である一次骨化中心と対比して、その骨化の起点は二次骨化中心（secondary ossification center：SOC）と呼ばれる。この英語の頭文字であるSをとって、Type S血管と命名した。

（注3）シングルセルトランスクリプトーム解析
従来の遺伝子発現の網羅的解析（RNAシーケンシングなど）は、数万～数百万個の細胞の遺伝子を混合し、その発現を次世代シーケンス（NGS）法により解析するというものであったが、シングルセルトランスクリプトーム解析は一個一個の細胞の遺伝子発現を、同じくNGSを用いて調べる新しい技術であり、細胞間の遺伝子発現の違いや個々の細胞の異なる生態や類似性を把握し、細胞亜集団の動態を包括的に理解することができる。

（注4）I型コラーゲン
ヒトの体に最も豊富に含まれるコラーゲン。ほとんどの臓器に存在するが、特に骨や腱、皮膚に豊富に存在する。I型コラーゲンはカルシウムと並んで、骨の2大成分の一つであり、骨にカルシウムを定着させる鋳型のような役割を果たす。

（注5）VEGF：血管内皮細胞成長因子（Vascular endothelial growth factor）
1989年、Napoleone Ferraraらによって発見されたタンパク質。強力な血管に対する増殖作用を有し、生体内における血管の発生、伸展に必須の分泌性タンパク質である。遺伝学的にVEGFを欠損させたマウスでは体内に血管が全くつくられず、胎生初期に致死となる。

参考文献

Spatial heterogeneity of bone marrow endothelial cells unveils a distinct subtype in the epiphysis.
Iga T, Kobayashi H, Kusumoto D, Sanosaka T, Fujita N, Tai-Nagara I, Ando T, Takahashi T, Matsuo K, Hozumi K, Ito K, Ema M, Miyamoto T, Matsumoto M, Nakamura M, Okano H, Shibata S, Kohyama J, Kim KK, Takubo K, Kubota Y.
Nat Cell Biol. 2023 Oct;25(10):1415-1425. doi: 10.1038/s41556-023-01240-7.

左より：最終著者の久保田義顕（解剖学教室教授）、筆頭著者の伊賀隆史（整形外科学教室訪問研究員）

最終更新日：2024年3月1日
記事作成日：2024年3月1日

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