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原子間力顕微鏡による骨微小環境の機械的不均一性の解明
Mechanical Heterogeneity in the Bone Microenvironment as Characterized by Atomic Force Microscopy.
PMID: 32668233 DOI: 10.1016/j.bpj.2020.06.026.
抄録
骨は構造的に不均質な器官であり、複数の長さのスケールにわたって機械的刺激を受ける多様な機能を持っています。骨微小環境の力学的特徴付けは、骨が健康や疾患においてどのように機能するかを理解する上で重要である。本研究では、新鮮なマウス骨の皮質骨、成長板、骨幹部、骨髄の力学的構造を、生理的緩衝液中で原子間力顕微鏡を用いて観察した結果を報告する。弾性と粘弾性の両方の特性は、領域内でも領域間でも、3桁から5桁以上の範囲の弾性率を持つ非常に不均一なものであることがわかった。すべての領域には、数パスカルの弾性率と数十Pa・sの低粘度を持つ、非常にコンプライアントな領域が含まれています。老化は骨髄の粘弾性に強く影響しますが、他の領域への影響は限られています。私たちのアプローチは、複雑な組織の機械的特性を細胞プロセスに関連する長さスケールで探究する機会を提供し、それらが老化や疾患にどのように影響を与えるかを研究しています。
Bones are structurally heterogeneous organs with diverse functions that undergo mechanical stimuli across multiple length scales. Mechanical characterization of the bone microenvironment is important for understanding how bones function in health and disease. Here, we describe the mechanical architecture of cortical bone, the growth plate, metaphysis, and marrow in fresh murine bones, probed using atomic force microscopy in physiological buffer. Both elastic and viscoelastic properties are found to be highly heterogeneous with moduli ranging over three to five orders of magnitude, both within and across regions. All regions include extremely compliant areas, with moduli of a few pascal and viscosities as low as tens of Pa·s. Aging impacts the viscoelasticity of the bone marrow strongly but has a limited effect on the other regions studied. Our approach provides the opportunity to explore the mechanical properties of complex tissues at the length scale relevant to cellular processes and how these impact aging and disease.
Copyright © 2020. Published by Elsevier Inc.