配向連通孔構造を有するβ-リン酸三カルシウム人工骨の脊椎固定術における有用性

概要

筑

波 大

学

博士（医学）学位論文

配向連通孔構造を有する
β-リン酸三カルシウム人工骨の
脊椎固定術における有用性

2022
筑波大学大学院博士課程人間総合科学研究科

佐藤 康介

原点論文の再利用（re-use）について

この学位論文は
Posterolateral lumbar spine fusion with unidirectional porous beta-tricalcium phosphate
in a canine model. Sato K, Kumagai H, Funayama T, Yoshioka T, Shibao Y, Mataki K,
Nagashima K, Miura K, Noguchi H, Abe T, Koda M, Yamazaki M. Journal of Artificial
Organs. 2020;24(4):365-70. doi: 10.1007/s10047-020-01178-9.
の内容を SPRINGER NATURE 社からの許可を得て再利用している。

目次
第１章 本研究の背景

――――――――――――――――――――――― 1

1-1.

脊椎固定術とは

1-2.

脊椎固定術における人工骨

1-3.

配向連通孔 β-リン酸三カルシウム人工骨（UDPTCP）

第２章 本研究の目的

――――――――――――――――――――――― 6

第３章 腰椎後側方固定術における UDPTCP の有効性と適切な自家骨との混合
比の検討

――――――――――――――――――――――――― 7

3-1. 背景
3-2. 目的
3-3. 方法
3-4. 結果
3-5. 考察
3-6. 結論

第４章 側方腰椎椎体間固定術における多血小板血漿を含浸した UDPTCP 人工
骨の早期リモデリングに関する研究 ――――――――――――― 16
4-1. 背景
4-2. 目的
4-3. 方法

4-4. 結果
4-5. 考察
4-6. 結論

第５章 UDPTCP を用いた骨リモデリングの画像評価 - 頚椎前方固定術における
人工骨の早期リモデリングに関する研究

――――――――――― 27

5-1. 背景
5-2. 目的
5-3. 方法
5-4. 結果
5-5. 考察
5-6. 結論

――――――――――――――――――――――――――― 35

第６章 総括

表

―――――――――――――――――――――――――――― 38

図

―――――――――――――――――――――――――――― 46
―――――――――――――――――――――――――― 78

要約図
引用文献
謝辞

――――――――――――――――――――――――― 82

――――――――――――――――――――――――――― 91

第１章
1-1. 脊椎固定術とは
我が国において、脊椎疾患に由来する健康障害を呈している患者数は多く、
2019 年度の有訴者率は男性の第 1 位と女性の第 2 位が「腰痛」となっており、
同年度の傷病分類別の医科診療医療費では、「脊椎障害（脊椎症を含む）」が
5904 億円と「筋骨格系及び結合組織の疾患」の中でも多くを占める [1, 2]。さ
らに加速する高齢化社会においては、脊椎の経年変化が問題となる脊椎変性疾
患を中心に脊椎疾患の患者数はさらに増加することが予想される。
脊椎疾患の中でも、脊椎変性疾患、感染、炎症、外傷、腫瘍などにより、脊
椎の不安定性・異常可動性が問題になる場合、その制動を目的に各種の脊椎固
定術が行われてきた。さらに、近年ではインプラントを用いたインストゥルメ
ンテーション手術の発展により脊椎変形の矯正を伴った脊椎固定術の適応拡大
など、脊椎固定術は広く用いられる術式となっている。脊椎固定術において、
脊椎のどの範囲を固定するかにより、固定範囲は頚椎、胸椎、腰椎、および仙
骨・骨盤を含むものまで多様である。また、脊椎のどの部位を固定するかによ
り前方固定、後方固定など様々な術式が行われている。手術の目的や術野への
アプローチの仕方により術式は多様であるが、いずれの脊椎固定術においても
良好な骨癒合を得ることが手術成績向上のための重要な要因である。

1

1-2. 脊椎固定術における人工骨
脊椎の不安定性の制動や脊柱変形の矯正を目的とする脊椎固定術では、いか
に良好な骨癒合を得ることが重要であるが、そのためには癒合を目指す部位へ
の骨移植が欠かせない。現在我が国で主に行われている骨移植は、移植する骨
の種類により、①自家骨移植：患者自身の骨組織を別の部位に移植する、②人
工骨移植：人工骨を移植する、③同種骨移植：他の患者から採取した骨を移植
する、の３つに大別される。自家骨移植は、骨誘導能、骨伝導能、骨形成能を
有しているため、他の骨移植に比較して骨癒合の観点で有利であり、様々な術
式において gold standard とされてきた [3]。骨誘導能とは、周囲の間葉系細胞等
を刺激して新生骨の形成を促進する作用のことである。骨伝導能とは、周囲の
毛細血管や骨芽前駆細胞などが侵入する足場となり骨形成に繋げる作用のこと
である。骨形成能とは、移植骨自体に骨組織や骨芽前駆細胞が存在して新生骨
を形成する作用のことである。自家骨がこれらを有する一方で、一般的に人工
骨は骨誘導能や骨形成能は有していないものとされている。このため、移植部
位によっては十分な骨形成が期待されず、術式により第一選択の移植骨とはな
り難い。また、同種骨移植は自家骨同様に骨誘導能、骨伝導能を有するもの
の、採取骨の処理、保存、供給の管理が必要であり、本邦では行うことのでき
る施設が限られており十分に普及していないのが実情である。

2

しかしながら、自家骨移植には自家骨採取に伴う問題を必ず考慮しなければ
ならない。採取が可能な部位に限りがあり、その採取量や形状にも制限があ
る。また、採取後の採骨部痛や、採取部位の周囲組織の損傷、血腫形成、感染
などの合併症のリスクを伴うものである [4]。このため、本邦では移植骨が不足
する場合や自家骨移植が困難な場合などに、人工骨がしばしば用いられてい
る。
特に近年の脊椎固定術においては、重度の脊柱変形の矯正固定や大きな骨
欠損部位への骨移植の必要性から多くの移植骨が必要となることがしばしばで
ある。このため、自家骨移植に替わる移植骨の重要性がさらに増してきてお
り、各種脊椎固定術における人工骨の有効性が期待されるところである [5, 6]。

1-3. 配向連通孔構造を有する β-リン酸三カルシウム人工骨
現在、脊椎固定術においては、β-リン酸三カルシウム（β-tricalcium phosphate:
β-TCP）人工骨の使用が広く普及している。従来は、歯や骨の主成分である水
酸化リン酸カルシウムの一種で Ca10(PO4)6(OH)2 の化学式で表されるハイドロキ
シアパタイト（hydroxyapatite: HA）の使用が一般的であった。HA は、特に骨
への高い生体親和性を示すことが知られており、合成 HA は様々な分野で活用
されているバイオマテリアルである。しかしながら、HA は非吸収性であるた

3

め、移植部の形状を安定して保持できる特徴がある一方で、骨への早期置換は
期待できないという特徴がある。これに対して、β-TCP は生体吸収性の人工骨
であり、骨伝導能も高いことから、移植後に自家骨に置換されることが期待さ
れる。このため、良好な骨癒合を得ることが重要な脊椎固定術において、βTCP 人工骨は移植骨として有利であると考えられている。
骨の組織学的構造は、コラーゲン線維や HA がその部位に応じた力学的特性を
実現するために配向性を形成して配列している。この配向性に着目して、圧縮
強度を担保しながら特定方向への細胞・組織侵入を容易にするために、一方向
への配向連通孔構造を有する β-リン酸三カルシウム人工骨（unidirectional
porous β-tricalcium phosphate: UDPTCP）が筑波大学整形外科と株式会社クラレ
で共同開発された（図 1）。UDPTCP の配向連通孔構造は、生体組織が侵入し
やすい孔径 30-250 μm の気孔からなり、それぞれの連通孔が一方向に配向した
構造となっている。この構造により、血液や骨芽細胞などの生体組織が侵入し
やすく、速やかな血管侵入や骨新生が期待される人工骨である（図 2）。
UDPTCP はこれまでに骨欠損や外傷症例を含め様々な手術において有効性が示
されてきており、脊椎固定術においても有効性が期待されている [7-9]。特に、
これまでに人工骨では骨癒合が不利とされていた腰椎後側方固定術（PLF）な

4

どの術式や、近年その重要性が増している脊椎椎体間固定術における UDPTCP
の特徴や有用性が明らかになれば、その臨床的価値は高い。

5

第2章
本研究の目的
本研究の目的は、各種脊椎固定術における配向連通孔構造を有する β-リン酸
三カルシウム人工骨（UDPTCP）の特徴とその有用性を明らかにすることであ
る。

本研究においては、以下の 3 つのテーマを検証することを目的として研究を
設定した。
① 母床骨との接触が少なく、人工骨の使用が推奨されない腰椎後側方固定術
（PLF）における UDPTCP の有用性を検討するため、自家骨に混合する適切
な UDPTCP の混合比を明らかにすること。
② 腰椎側方椎体間固定（LLIF）において、多血小板血漿（PRP）を含浸させた
UDPTCP の手術後早期の骨リモデリングを明らかにすること。
③ UDPTCP を使用した脊椎固定術の画像評価に対する有用性を利用して、頚
椎における椎体間固定（ACDF）と腰椎における椎体間固定（LLIF）の移植
骨のリモデリングの早さの違いを明らかにすること。

6

第3章
腰椎後側方固定術における UDPTCP の有効性と適切な自家骨との混合比の検討

3-1.

背景

人工骨は骨組織の再生を目的として骨欠損の補填に用いるものである。人工
骨は内固定あるいは外固定による補強を行った上で、骨欠損の補填に骨組織の
代替物として使用するのが原則であり、母床骨との接触が少ない部位（腰椎後
側方固定術など）での有効性は明らかになっていない。腰椎後側方固定術
（posterolateral lumbar fusion: PLF）は、腰椎の横突起間に骨移植を行い、後側
方部分を癒合させて脊椎を固定する術式であるが、母床骨との接触が少ないた
め、移植骨材料は自家骨を用いるのが理想的である（図 3）。しかし、骨採取
による侵襲や採取可能な骨量の限界などの問題があり、人工骨がしばしば併用
される [10, 11]。
配向連通孔構造を有する気孔率 57%の UDPTCP は骨新生が連通孔に沿って材
料深部にまで伸長し、様々な術式での骨癒合における有効性が示されている
が、PLF における骨形成能や自家骨との適切な混合比は不明である。

7

3-2.

目的

本研究の目的は、PLF において UDPTCP を併用する有効性と、自家骨との適
切な混合比を明らかにすることである。

3-3.

方法

本研究は動物実験倫理委員会の承認を得て実施した（承認番号：18H037）。ビーグル犬（雄、10 ヶ月齢）の第 4、第 5 腰椎横突起間に移植骨(片
側あたり 3g) を埋植した腰椎 PLF モデルを作製した [12, 13]。移植骨には直径
2.8-4.0mm の顆粒状に製品化された UDPTCP と自家腸骨を用いた。自家腸骨は
付着した軟部組織を除去した後にボーンミル器具を用いて粉砕して使用した。
使用した移植骨の混合比に応じて、自家骨群、25% UDPTCP 群、50% UDPTCP
群、75% UDPTCP 群、100% UDPTCP 群に分けて検証を行った（各群 n=4）
（表 1）。埋植後 12 週で固定腰椎を摘出し、単純 X 線及び CT による骨癒合判
定と、組織学的評価を行った。

8

試験動物
本研究においては、10 ヶ月齢のビーグル犬を使用した。一般状態を 7 日間毎
日観察し、行動、体重、便、尿、被毛の観察から健康状態が良好であることを
確認した。

自家腸骨の採取
麻酔導入として、塩酸ケタミンおよびキシラジンの 1：1 混合液を 0.5mL/kg
投与した後、維持麻酔として、吸入麻酔器によるイソフルランを使用した。ビ
ーグル犬の腸骨上部の皮膚を切開して筋肉・結合組織を剥離して腸骨翼を露出
した。ビーグル犬の左右の腸骨から採骨を行い、これを顆粒状 UDPTCP と同程
度のチップ状に粉砕して移植骨とした。

PLF モデルの作製
棘突起に沿って片側の皮膚を切開し、筋膜間を剥離して L4、L5 横突起を露
出した。横突起の骨表面に電気ドリルを用いて 1 つの横突起あたり 5 箇所に小
孔をあけて（デコルチケーション）処置を行った。被験物質である UDPTCP と
自家骨を一定比率で混合した 3g の各試験物質を L4 と L5 の横突起間に移植し
た（図 4）。自家骨は腸骨から採取したものをチップ状に粉砕して使用し、

9

UDPTCP は顆粒タイプのものを使用した。骨移植後に筋肉、皮下組織、皮膚を
縫合した。

放射線学的評価
手術後 12 週で移植部位の単純 X 線および CT を撮影し、Katayama らの基準
を用いて骨癒合判定を行った（3=完全に癒合、2=横突起の一部が連続、1=骨形
成はあるが連続性なし、0＝骨形成なし）（図 5） [14]。統計学的評価は統計解
析ソフトウェアである SPSS version 27.0 (IBM 社)を用いて行った。一元配置分
散分析により、各群の骨癒合判定スコアの比較を行い、UDPTCP の混合比に応
じた自家骨との差を検証することで最適な混合比を検討した。P 値＜0.05 を有
意差ありとした。

組織学的評価
標本は骨移植を行った腰椎の横突起部分を含んで矢状断面で作製した（図
4）。ギ酸ホルマリンで脱灰した後に、脱水、キシレンで置換、パラフィン包
埋を行った。4μm で薄切し、HE 染色を行った。放射線学的骨癒合評価の補足
的な評価として、骨と軟骨の形成、新生骨の連続性について評価した。

10

3-4.

結果

単純 X 線による骨癒合判定スコアは、自家骨群：2.8±0.5 に対して、25%
UDPTCP 群：2.8±0.5、50% UDPTCP 群：2.5±0.6、75% UDPTCP 群：1.8±0.5、
100% UDPTCP 群：0 であった（表 2）。一元配置分散分析において、群間で有
意差を認めた（p<0.001）。自家骨群を対照群とした Dunnett 法を用いた検定で
は、自家骨群と 75% UDPTCP 群（p=0.027）、100% UDPTCP 群（p<0.001）の
間に有意差を認めた（図 6）。
CT では、自家骨群：2.8±0.5 に対して、25% UDPTCP 群：2.8±0.5、50%
UDPTCP 群：2.5±0.6、75% UDPTCP 群：2.0±0、100% UDPTCP 群：1.0±0.8 であ
った（表 3）。一元配置分散分析において、群間で有意差を認めた
（p=0.002）。自家骨群を対照群とした Dunnett 法を用いた検定では、自家骨群
と 100% UDPTCP 群（p=0.001）の間に有意差を認めた（図 7）。代表 CT 画像
を図 8 に示す。
組織学的評価では、コントロール群では横突起間に旺盛な骨形成、軟骨形成が
確認された。これに伴い、コントロール群では新生骨の完全な連続性が見られ
た。25% UDPTCP 群、50% UDPTCP 群ではコントロール群と同等の骨形成、軟
骨形成と新生骨の連続性が確認された。75% UDPTCP 群では部分的な骨形成が
見られるものの、新生骨の連続性は不十分であった。100% UDPTCP 群では骨

11

形成、軟骨形成はほとんど見られなかった。また、100% UDPTCP 群では移植
骨の吸収も顕著に見られた（図 9）。

3-5.

考察

本研究で、骨母床との接触が少ない PLF における骨癒合に対しても、適切な
混合比で使用することで、自家骨と UDPTCP を併用した骨移植が有効であるこ
とが示された。さらに、自家骨に対する UDPTCP の混合比が 50%を超えると新
生骨の形成の低下傾向がみられ、100% UDPTCP ではほとんど新生骨の形成が
みられず、骨癒合が得られないことが明らかになった。
一般的に PLF では移植骨として自家骨を使用することが理想的とされている
が、自家腸骨の採骨に関連する合併症の報告がなされている [15–19]。自家骨以
外の移植骨材料として、同種骨移植は利用可能な骨バンクが少ないため、本邦
では一般的ではない [20]。骨形成タンパク質（bone morphogenetic proteins:
BMP）の使用が安全で効果的であるという報告もあるが、本邦での使用は承認
されていない [21]。そのような中、様々なタイプの人工骨が開発されている
が、UDPTCP は骨伝導能が高く、自家骨に急速に置換される [22]。 また
UDPTCP は迅速な血管新生も期待でき、適切な骨の再生およびリモデリングに
つながる可能性がある [23, 24]。

12

骨母床との接触が少ない PLF における骨癒合に対しても自家骨と UDPTCP
の併用が有効であることが確かめられた。骨折に伴う骨欠損に対する治療にお
ける UDPTCP の良好な骨伝導と骨形成を確認した報告がある [8]。脊椎手術に
関しては、椎体間固定術など骨母床との接触が良好な環境での有効性は報告さ
れているが、骨母床との接触が少なく骨癒合に不利な PLF での人工骨の有効性
に関する報告はほとんどない [25]。それゆえ、PLF における移植材料は自家骨
を用いるのが理想的であるとされてきた。また一方で、PLF では、腰椎横突起
間に多量の骨移植が必要になることから、多量の自家骨を採取するリスクや自
家骨のみでは移植骨が不足することが危惧される。これらの問題点を解決すべ
く、本研究でビーグル犬の PLF モデルを作製し、自家骨移植と比較した
UDPTCP の有効性を検証した。自家骨に対する UDPTCP の混合率が 25%、
50%、75%の群では、自家骨移植と比較して同等の骨癒合判定スコアを達成
し、良好な骨癒合が得られていた。すなわち、適切に自家骨と混合して使用す
ることにより PLF においても UDPTCP が有用であることが確認された。
UDPTCP を併用することにより、不要な自家骨採取を減らすことが可能であ
り、採骨に伴うリスクを低減することが期待できる。
UDPTCP の混合率が 25%、50%の群では、自家骨移植と有意差のない骨癒合
判定スコアであったが、混合率が 50%を超え、75%になるとスコアの低下傾向

13

がみられ、UDPTCP 単独では単純 X 線および CT いずれの評価でも有意に低い
スコアであった。組織学的評価において、混合率が 25%および 50%の群では、
自家骨と遜色のない新生骨の形成が確認でき、その連続性も十分であった。一
方で、混合率 75%では部分的な新生骨の形成は見られるものの、新生骨の連続
性は不十分で自家骨移植にはやや劣る結果であった。これらの結果から、PLF
で自家骨に UDPTCP を併用する場合は、自家骨に対する UDPTCP の混合比は
50%以下が望ましいと考えられる。すなわち、血液や骨芽細胞などの生体組織
が侵入しやすい UDPTCP の構造的特徴により、PLF の環境下においても
UDPTCP は有用であるが、自家骨の配合率が低くなるとその骨癒合作用が劣る
ことを認識すべきである。PLF においては、自家骨に代わる様々な移植骨材料
の検討がなされているが、そのいずれも基本的には自家骨と混合した上で使用
されており、骨癒合率にはばらつきがみられる [26]。これらの報告から自家骨
と併用する移植骨材料には様々な可能性が考えられる反面、適切な混合比で使
用しなければ骨癒合率を低下させてしまう恐れがある。PLF では、母床骨との
接触が少なく、不定形な移植領域に対する骨移植を行うため、本研究では顆粒
状の UDPTCP を使用した。顆粒状の UDPTCP では配向連通孔構造が細かく砕
かれた人工骨に分けられるため、その構造的優位性が限定的になるものと考え
られる。このため、母床骨との接触が少ない環境下では自家骨が持つ骨誘導能

14

や骨形成能を十分に引き込むことができなければ、良好な骨癒合にはつながら
ず、UDPTCP 単独ではほとんど骨形成が達成できないものと考えられる。本研
究の結果により、自家骨と UDPTCP の適切な混合率が明確に示されたことによ
り、必要な骨移植量に対して、採取できる自家骨と用意すべき UDPTCP のバラ
ンスを術前もしくは術中に判断することができ、骨癒合のために適切な手術計
画を立てることが可能となる。
本研究の limitation は、ビーグル犬を用いた評価であるため、人に対する有効
性の検証が必要である点である。また、近年では脊椎固定術はインストゥルメ
ンテーションを併用した手術が主であるが、インストゥルメンテーションの併
用下での骨癒合の程度は不明である。しかし、インストゥルメンテーションを
併用して制動のかかる環境は骨癒合には有利に働くため、本研究で示された混
合比と同等以上の UDPTCP の使用が可能であると考えられる。

3-6.

結論

PLF において自家骨に UDPTCP を併用することが有効であることが明らかに
なった。さらに、PLF で自家骨に UDPTCP を併用する場合は、自家骨との混合
比を 50%以下にすることが望ましい。今後は、実際の脊椎固定術での長期成績
の検証が求められる。

15

第4章
側方腰椎椎体間固定術における多血小板血漿を含浸した UDPTCP 人工骨の早期
リモデリングに関する研究

4-1.

背景
側方腰椎椎体間固定術 （lateral lumbar interbody fusion: LLIF） は、腰部の

側方より進入し、後腹膜腔を経由して脊柱前方要素である椎間板腔にアプロー
チし、椎体間を固定する術式である（図 10）。固定には椎体間に移植骨を充填
したインプラントケージを挿入して椎体間の骨癒合を図る。低侵襲での椎体間
固定を可能にした LLIF は、変性腰椎疾患や脊柱変形などに対して一般的に行
われる術式として近年広く普及しつつある。 LLIF は、脊椎の強固な固定と優
れた矯正を達成しうるが、良好な骨癒合を得るには大量の移植骨が必要とな
る。前述した通り、本邦においては、自家骨の使用に伴う合併症を避けるため
に、LLIF の移植材料として人工骨が広く使用されており、UDPTCP の有効性が
期待されるところである。
申請者の研究グループの先行研究において、LLIF のケージ内移植骨として
UDPTCP 人工骨を単独で移植した場合の骨癒合率が自家骨移植に劣らないこと

16

が示された [25]。 ...

この論文で使われている画像