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軟骨形成は、軟骨組織が形成され発達する生物学的プロセスです。軟骨は胎児の骨格の基本的な構成要素として機能するため、この複雑で厳密に制御された細胞分化経路は骨格の発達に重要な役割を果たします。「軟骨形成」という用語は、軟骨を意味するギリシャ語の「コンドロス」と、起源または形成を意味する「ジェネシス」に由来しています。[1]
胎児の発達における軟骨
胚発生において、骨格系は中胚葉と外胚葉の胚葉から派生します。軟骨形成（軟骨形成とも呼ばれる）は、凝縮した間葉組織から軟骨が形成されるプロセスであり、[2]軟骨細胞に分化し、細胞外マトリックスを形成する分子を分泌し始めます。
胎児の発育初期には、骨格の大部分は軟骨でできています。この一時的な軟骨は徐々に骨に置き換わり（軟骨内骨化）、このプロセスは思春期に終了します。対照的に、関節の軟骨は生涯を通じて骨化せず、したがって永久的です。[要出典]
鉱化作用
成人の硝子関節軟骨は、軟骨と骨の接合部で次第に石灰化します。この状態は、関節石灰化軟骨と呼ばれます。石灰化前線は、軟骨の負荷とせん断応力に応じて、硝子関節軟骨の基部を進行します。進行速度と石灰化前線のミネラル沈着密度が断続的に変化するため、関節石灰化軟骨に複数の「潮跡」が形成されます。[引用が必要]
成人の関節石灰化軟骨は血管芽によって貫通され、骨端線での軟骨内骨化に似たプロセスで血管空間に新しい骨が生成されます。セメント線が関節石灰化軟骨と軟骨下骨を区別します。[要出典]
修理
一度損傷を受けると、軟骨の修復能力は限られます。軟骨細胞は小窩に閉じ込められているため、損傷した部位に移動できません。また、硝子軟骨には血液供給がないため、新しい基質の沈着は遅くなります。損傷した硝子軟骨は通常、線維軟骨の瘢痕組織に置き換えられます。過去数年間[いつ? ]、外科医と科学者は、関節置換の必要性を遅らせるのに役立つ一連の軟骨修復手順を考案しました。[引用が必要]
1994年の実験では、スウェーデンの医師が患者自身の軟骨から培養した細胞を移植して損傷した膝関節を修復しました。1999年には、米国の化学者が断裂した組織の修復に使用する人工液体軟骨を開発しました。この軟骨は傷や損傷した関節に注入され、紫外線にさらされると硬化します。[3]
合成軟骨
研究者らは、この「分子ブラシ」の潤滑層は、関節内で発生する最も高い圧力下でも自然界の性能を上回ることができ、関節置換手術に重要な意味を持つ可能性があると述べている。[4] 60ナノメートルの長さのブラシ繊維はそれぞれポリマー骨格を持ち、そこから小さな分子基が突き出ている。これらの合成基は、細胞膜に見られる脂質と非常によく似ている。
「水っぽい環境では、これらの分子群のそれぞれが静電気力によって最大25個の水分子を引き寄せるため、フィラメント全体が滑らかな水っぽい鞘を形成します。これらの鞘により、骨の関節の圧力を模倣するためにしっかりと押し付けられた場合でも、ブラシが互いに擦れ合うときに潤滑性が確保されます。」[4]
二重ネットワークハイドロゲルとして知られるこの新素材の驚くべき強度は、2003年に北海道の研究者によって初めて発見されたとき、嬉しい驚きでした。従来の方法で製造されたハイドロゲル（ポリマーネットワークに80〜90パーセントの水分が保持されている素材）のほとんどは、ゼラチンのように簡単に壊れてしまいます。日本のチームは、ゲルに2番目のポリマーを追加すると、数百ポンドの圧力に耐えられる組織である軟骨に匹敵するほどの強度になることを偶然発見しました。[5]
分子レベル
骨形成タンパク質は、胚発生中に放出される成長因子であり、軟骨形成中の細胞の凝縮と決定を誘導する。[6]発達タンパク質である ノギンは、間葉系細胞の凝縮と分化を防ぐことで軟骨形成を阻害する。[6]
分子ソニックヘッジホッグ（Shh）は、L-Sox5、Sox6、Sox9、Nkx3.2の活性化を変更します。Sox9とNkx3.2は、Nkx3.2がSox9阻害剤を不活性化する正のフィードバックループで互いに誘導します。このループはBMP発現によってサポートされています。Sox9の発現はBMPの発現を誘導し、軟骨細胞の増殖と分化を引き起こします。[7]
L-Sox5とSox6はSox9と共通の役割を共有しています。L-Sox5とSox6はCol2a1とCol11a2遺伝子の活性化を誘導し、後期軟骨細胞のマーカーであるCbfa1の発現を抑制すると考えられています。L-Sox5は主に胚の軟骨形成に関与していると考えられており、Sox6は出生後の軟骨形成に関与していると考えられています。[8]
インドヘッジホッグ（Ihh）分子は前肥大軟骨細胞によって発現される。Ihhは軟骨細胞の増殖を刺激し、 PTHrPの発現を維持することで軟骨細胞の成熟を制御する。PTHrPはパターン形成分子として機能し、軟骨細胞が分化を開始する位置を決定する。[9]
研究は現在も継続されており、 ATOH8やEBF1などの新しい転写因子が軟骨形成を制御する遺伝子のリストに追加されています。[10]
硫酸化
SLC26A2は硫酸輸送体であり、その欠陥によりいくつかの形態の骨軟骨異形成症が生じる。[11]
参考文献
- ^ 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)の軟骨形成
- ^ DeLise, AM; Fischer, L.; Tuan, RS (2000 年 9 月). 「軟骨発達における細胞相互作用とシグナル伝達」.変形性関節症と軟骨. 8 (5): 309–34. doi : 10.1053/joca.1999.0306 . PMID 10966838.
- ^ 「辞書、百科事典、シソーラス - 無料の辞書」。
- ^ ab 「人工軟骨は本物よりも優れた性能を発揮する」
- ^ 「合成軟骨代替品としての強靭なハイドロゲルの研究」。2009年1月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年6月11日閲覧。
- ^ ab Pizette, Sandrine; Niswander, Lee (2000 年 3 月)。「BMP は四肢軟骨形成の 2 つの段階で必要: 軟骨形成前凝縮の形成と軟骨細胞への分化」。 発達生物学。219 (2): 237–49。doi : 10.1006/ dbio.2000.9610。PMID 10694419。
- ^ Zeng, L. (2002 年 8 月 1 日). 「Shh は、BMP シグナルによって維持され、体節軟骨形成を誘導する Nkx3.2/Sox9 自己調節ループを確立する」. Genes & Development . 16 (15): 1990–2005. doi :10.1101/gad.1008002. PMC 186419. PMID 12154128 .
- ^ Smits, Patrick; Li, Ping; Mandel, Jennifer; Zhang, Zhaoping; Deng, Jian Ming; Behringer, Richard R; de Crombrugghe, Benoit; Lefebvre, Véronique (2001 年 8 月)。「転写因子 L-Sox5 および Sox6 は軟骨形成に必須である」。Developmental Cell。1 ( 2 ) : 277–290。doi : 10.1016/S1534-5807(01)00003- X。PMID 11702786 。
- ^ St-Jacques, Benoit; Hammerschmidt, Matthias; McMahon, Andrew P. (1999年8月15日). 「インドヘッジホッグシグナル伝達は軟骨細胞の増殖と分化を制御し、骨形成に不可欠である」. Genes & Development . 13 (16): 2072–86. doi :10.1101/gad.13.16.2072. PMC 316949. PMID 10465785 .
- ^ ローランド、タカチ;ヴァーゴ、ジュディット。ポリスカ、シラード。プシュパラジ、ピーター・ナテサン。ドゥクザ、ラスロー。コヴァチ、パトリック。ジン、ウンジョン。バレット・ジョリー、リチャード。ザカニ、ローザ。マッタ、チャバ (2023-03-29)。 「軟骨形成の一時的なトランスクリプトームサイン」。核酸研究。51 (8): 3590–3617。土井：10.1093/nar/gkad210。ISSN 1362-4962。PMC 10164575。PMID 36987858。
- ^ ハイラ、シル;ヘストバッカ、ヨハンナ。ベーリング、トム。カルヤライネン - リンズベルク、マルヤ - リーサ。ケレ、ジュハ。ウルプ州サーアリリョ～ケレ（2016年6月26日）。 「SLC26A2 (異栄養性異形成硫酸トランスポーター) は、発育中および成熟した軟骨だけでなく、他の組織や細胞種でも発現します。」組織化学と細胞化学のジャーナル。49 (8): 973–82。土井：10.1177/002215540104900805。PMID 11457925。