磁気的に作動する振動ビームを用いた骨細胞の局所刺激

Local stimulation of osteocytes using a magnetically actuated oscillating beam.

• Onaizah Onaizah
• Liangcheng Xu
• Kevin Middleton
• Lidan You
• Eric Diller

抄録

骨組織への機械的負荷は、骨の成長、骨折の修復、骨疾患の治療に重要な役割を果たす重要な生理的刺激です。骨細胞（骨マトリックスに埋め込まれた骨細胞）は、機械的負荷に対するセンサー細胞として受け入れられており、機械的負荷に対する骨構造の調節に重要な役割を果たしています。生理学的に関連した配置での差動機械的刺激に対する骨細胞の応答を理解するために、異なるレベルの流体せん断応力で骨細胞を局所的に刺激することができるプラットフォームが必要とされています。本研究では、生体内で発生する流体せん断応力を発生させる磁気的に作動するビームを用いて、骨細胞を非接触で局所的に刺激することを目的とした装置を開発しました。刺激ビームは、磁性粉とポリマーの複合材料を用い、磁場を利用してビームを水平面内で精密に振動させることで作製した。ビームは、推定ギャップ高さ5μmのセルシード表面の上に配置されている。せん断応力値を定量化し、関心のある領域のせん断応力マップを生成するために、有限要素シミュレーションを実施しました。骨細胞を装置上に播種し、細胞内カルシウム応答を定量化し、その位置と局所的なせん断応力値と相関させながら刺激を与えた。その結果、振動ビームによって発生する局所的なせん断応力勾配から離れた細胞に比べて、振動ビームに近い細胞の方が早く反応することが観察された。私たちは、刺激領域外の骨細胞へのカルシウムシグナルの伝播を模倣する装置の能力を実証しました。この装置は、生理的に正確な局所的なせん断応力勾配を有する骨細胞ネットワークシグナル伝達の研究を将来的に可能にするものである。

Mechanical loading on bone tissue is an important physiological stimulus that plays a key role in bone growth, fracture repair, and treatment of bone diseases. Osteocytes (bone cells embedded in bone matrix) are well accepted as the sensor cells to mechanical loading and play a critical role in regulating the bone structure in response to mechanical loading. To understand the response of osteocytes to differential mechanical stimulation in physiologically relevant arrangements, there is a need for a platform which can locally stimulate bone cells with different levels of fluid shear stress. In this study, we developed a device aiming to achieve non-contact local mechanical stimulation of osteocytes with a magnetically actuated beam that generates the fluid shear stresses encountered in vivo. The stimulating beam was made from a composite of magnetic powder and polymer, where a magnetic field was used to precisely oscillate the beam in the horizontal plane. The beam is placed above a cell-seeded surface with an estimated gap height of 5 μm. Finite element simulations were performed to quantify the shear stress values and to generate a shear stress map in the region of interest. Osteocytes were seeded on the device and were stimulated while their intracellular calcium responses were quantified and correlated with their position and local shear stress value. We observed that cells closer to the oscillating beam respond earlier compared to cells further away from the local shear stress gradient generated by the oscillating beam. We have demonstrated the capability of our device to mimic the propagation of calcium signalling to osteocytes outside of the stimulatory region. This device will allow for future studies of osteocyte network signalling with a physiologically accurate localized shear stress gradient.