JP4992015B2 - 骨疾患治療用磁場発生装置及び、それを用いた骨疾患治療の評価及び開発システム - Google Patents

Description

骨疾患治療に有効な磁場発生装置及びそれを用いた骨疾患治療の評価及び開発システムに関する。

本願発明者らは、魚がウロコでカルシウム代謝していることに着目し、これまでヒトの骨モデルになり得るか否か研究を進めてきた。
その結果、魚のウロコは骨芽細胞と破骨細胞が共存していることにより、両細胞の活性を同時に測定し、それらの相互作用を解析することで歯学、医学の骨研究領域では画期的な実験、評価モデルとなることが明らかになった。
ウロコは再生能力が非常に高い器官であり、ウロコの再生過程の組織学的観察から、ウロコを抜去後３日で、抜去前にウロコが存在していた場所に間葉細胞の集塊が現れ、この集塊中に骨基質が形成されることが明らかになった（非特許文献１、非特許文献２）。
骨基質の成長と平行して、骨芽細胞の活性が高くなり、再生ウロコは骨再生モデルとして最適であることが明らかになったことによって本願発明に至った。

骨疾患の治療に、これまで用いられてきた磁場発生装置は、パルス波を印加したものであり、磁界の磁束密度分布に大きなバラツキがあった。
また、骨疾患に対してこれまで、５０〜８０ｍＴの比較的強い磁場を約３０分程度の短時間照射にて骨の治療が行われていたが、本願発明者らの解析では磁場が強いと骨の治療に悪影響が生じることも明らかになった。

特開平７−８５６５号公報には、骨疾患治療用の磁気、刺激装置を開示するが、磁界の均一性が不十分で、しかも変動磁場の強さとして時間平均０．０３〜０．５ｍＴであり、これが骨形成に有効か否かは明らかではない。

Hiroaki Yoshikubo,Nobuo Suzuki, Keiju Takemura, Masahiro Hoso, Sayaka Yashima,Shawichi Iwamuro,Yasuaki Takagi, Makoto J.Tabata and Atsuhiko Hattori，Osteoblastic activity and estrogenic response in the regenerating scale of goldfish, a good model of osteogenesis. Life Sciences, 76:2699-2709(2005) 鈴木信雄，田畑 純，和田重人，服部淳彦、魚類のウロコを用いた新しい骨モデル系の開発と歯科医療への応用， Dental Diamond,第31巻第13号：68-73(2006) 特開平７−８５６５号公報

本発明は磁界の均一性に優れた磁場発生装置及び骨形成に最適な磁場条件の評価、開発システムの提供を目的とする。

本発明に係る骨疾患治療用磁場発生装置は、左右の磁心と上下の磁極とからなる略矩形形状の磁心枠と、当該磁心枠の左右の磁心の周囲にそれぞれ配設した励磁コイルを有するとともに、磁心枠の上下磁極の内側には磁場均一化凸部を有し、磁心枠の中央部が治療用空間であることを特徴とする。
この場合に磁場は１０〜１００Ｈｚの交流磁場、例えば５０Ｈｚ、６０Ｈｚの商業周波数でよく、磁場強度は、少なくとも１〜１０ｍＴの範囲で制御可能になっている。
評価システムとして使用するには１ｍＴ未満及び１０ｍＴを超えて使用できるものがよいが治療用としては１〜１０ｍＴの範囲がよい。

骨疾患の治療に最適な磁場の条件を検討するのに、魚体から一部のウロコを除去した魚を被検生物として磁場曝露下で飼育し、再生ウロコの骨芽細胞活性又は／及び破骨細胞活性を評価指標としたことを特徴とする。
骨芽細胞活性の指標としてはアルカリホスファターゼ活性、破骨細胞活性の指標としては酒石酸抵抗性酸性ホスファターゼ活性を用いることができる。

本発明においては、略矩形形状の磁心枠の上下磁極の内側に磁場均一化凸部を設けたことにより、従来の磁心にコイルを巻き付けただけのものに比較して、磁心枠の中央部に広くて、磁束密度分布が均一な治療用空間を形成することができる。
また、キンギョ等の魚のウロコ再生過程における骨形成解析システムを利用することで、骨形成に最適な磁場条件を得るための評価及び開発システムが得られた。

本発明に係る骨疾患治療用の磁場発生装置の構成例を図１〜図３に示す。
図１は磁場発生装置１０の外観図を示し、図２は正面図を示し、図３は磁場発生部の要部図を示す。
磁場発生装置１０は、左右の磁心１１ａ、１１ｂと上下の磁極１１ｃ、１１ｄとからなる略矩形形状の磁心枠１１を形成してある。
なお本実施例では、一対のコ字形状の磁心部材を対向配置し、突き合せ部１１ｅで相互に突き合せて略矩形形状の磁心枠１１にした例を示したが上下に磁場形成用の磁極が存在すれば突き合せ構造でなくても一体枠でもよい。

本実施例においては、図１に示すように磁心枠１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの三つを並列に配置し、その磁心の周囲を囲むようにして励磁コイル１２ａ、１２ｂを配置した例を示す。
また、磁心枠１１を構成する上下の磁極１１ｃ、１１ｄには内側に突出した磁場均一化凸部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを設けてある。
これにより磁心枠１１の中央部に骨疾患の治療空間となる磁場空間２３が形成されている。
なお、図１、２に示した架台２１，上部固定枠２２は磁心を固定するためのものでボルト（図示省略）等で連結してあり、磁場空間は左右の縦板２３ｃ、２３ｄ及び上下板２３ａ、２３ｂで仕切ってある。
１２ｃはスペーサである。

磁場発生装置のサイズは必要とする治療空間の大きさによるが図１に示した例について以下説明する。
１つの磁心枠は外形高さ１６０ｍｍ、横幅２８０ｍｍ、磁心厚み２０ｍｍ、奥行８０ｍｍのものを三つ並設し、励磁コイルはコイル線径１．２ｍｍ、巻数６００のものを４コ用いた。
また、磁場均一化凸部は高さが磁心厚みの約１／２の１０ｍｍで凸部幅２０ｍｍで左右の凸部の内側寸法約１００ｍｍ、上下の凸部の頂面間寸法約１００ｍｍとなっていて評価用の磁場空間は８０ｍｍ×８０ｍｍ×１５０ｍｍと設定した。

図４〜図６に本実施例に用いた磁場発生装置１０の磁場特性の測定結果を示す。
図４は磁界を模式的に示したもので、図５に示したｌｉｎｅ１〜６の線に沿って突き合せ部１１ｅからの距離（ｃｍ）と磁場強度（ｍＴ）の関係の測定した結果から磁場空間８０ｍｍ×８０ｍｍ間で磁場が均一であることが分かる。
なお、図６にＢ−Ｉ特性線図を示す。
従来、Ｕ字型の底部にコイルを巻き、あるいはＬ字型の一方の磁心にコイルを巻き、コイルを巻いてない磁心部分を磁極としたものが多い。しかしその場合に、対向する磁極間の間に形成される磁界の分布は均一では無かった。
図４にて説明すると、本発明の場合に、磁極に磁場均一化凸部１３ａを設けたことにより、励磁コイル１２ａ近傍の磁極間（図３にて、１１ｃと１１ｄとの間）の磁束密度が強くなり均一化する。
これにより、磁場均一化凸部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄで囲まれた空間２３が均一の磁場となり、骨疾患の磁場治療空間となる。
理想的には、左右の磁場均一化凸部の内側寸法と上下の磁場均一化凸部の頂面間寸法が概ね等しくなるように配置するのがよい。

次にキンギョを用いて磁気の評価をした実験結果について説明する。
本発明に係る評価及び開発システムの前提となるキンギョのウロコ構成例を説明する。
ウロコ構造の模式図を図９（ａ）に示す。
ウロコは２層構造で、主体となる骨質層とそれを下から支持する線維層からなる。
表皮が被覆しており、ここに色素が存在するため、魚のウロコに色彩を与える。
骨質層のみを集めて成分分析にかけると、コラーゲンとハイドロキシアパタイトのピークが現われ、そのピークの形状からウロコが骨であることがわかる。
また骨質層の方面に生じる隆起線は、耳石と並んで魚類の年齢判定によく利用されており、一定の割合で外周へと増えていくことはよく知られている。
抜去する前のウロコとその周囲組織の模式図を図９（ｂ）に示す。
骨質層の上に骨芽細胞と破骨細胞が並んでおり、線維層の下に線維芽細胞が並んでいる。
骨を形成する細胞が骨内部に存在しなく、付加的石灰化のみで骨を作っている。
その成長過程に軟骨が関与しないで直接化骨（軟骨が介在しない骨形成様式）である。
すなわち、ウロコはわれわれの頭蓋などでみられる膜性骨に近いが、それを構成する細胞は表面にのみ存在し、付加的石灰化のみで骨質層を形成する。

（評価例）
キンギョ（１６匹）を麻酔し、左側のウロコを取り除いた。
これらのキンギョ（魚）１を２７℃で１０日間飼育した。
ここで、１０日間としたのは、非特許文献１，２に記載されているように、骨芽細胞の活性は、骨基質の成長と平行して、徐々に高くなり、１０日目において最も高くなったからである。
餌は毎朝与え、水は毎日取り換えた。
飼育水槽３０を磁場発生装置１０に取り付け、６０Ｈｚの交流磁場を用いて磁場曝露した。
飼育水槽は水３３を取り換えるための吸水管３１と排水管３２に連結してある。
この実験を、図６のデータに基づいて電流調整し、異なった磁場強度（１ｍＴ、３ｍＴ、５ｍＴ及び１０ｍＴ）において４回行った。
図１０に、飼育水槽３０に商業電源を用いて３ｍＴねらいの６０Ｈｚ交流電流を通電した際の磁束密度分布測定結果を示す。
飼育水槽３０の幅方向に対しても奥行き方向に対しても磁束密度（ｍＴ）が均一であることが分かる。
飼育開始から１０日後に、キンギョ１を再び麻酔し、左側（再生ウロコ）のウロコをピンセットで抜き取り、１０％ホルマリンを含む０．０５Ｍカコジル酸緩衝液（ｐＨ７．４）でウロコを固定し、０．０５Ｍカコジル酸緩衝液（ｐＨ７．４）で保存（４℃）した。
次にウロコの重量を測定し、９６穴のマイクロプレートにウロコを１枚ずつ入れた。
破骨細胞の活性指標として酒石酸抵抗性酸フォスファターゼ（ＴＲＡＰ）を用い、骨芽細胞の活性の指標としてアルカリフォスファターゼ（ＡＬＰ）を使用し、磁場の骨組織に対する作用を調べた。
即ち、基質（１０ｍＭパラニトルフェノールリン酸）を含む緩衝液（骨芽細胞用：塩化マグネシウム（１ｍＭ）と塩化亜鉛（０．１ｍＭ）を含む０．１Ｍトリス緩衝液（ｐＨ９．５）；破骨細胞用：酒石酸（２０ｍＭ）を含む０．１Ｍ酢酸緩衝液（ｐＨ５．３））をウロコが入ったマイクロプレートに２００μｌずつ入れ、２０℃で１時間反応し、骨芽及び破骨細胞の活性を測定した。
反応は２Ｎ水酸化ナトリウム（５０μｌ）を加えることで停止し、その穴から１５０μｌとり、別のマイクロプレートに移した。
次にマイクロプレートリーダーで測定（４０５ｎｍ）し、その吸光度からフォスファターゼにより生成されたパラニトルフェノール量を、標準曲線により求めた。
酵素活性は、ウロコ１ｍｇ当り、１時間で生成されたパラニトルフェノール量で示した。
磁場曝露せずに飼育した金魚をコントロールとし、その細胞活性を１．０とした場合の活性率化の比率を図７（ａ）に示す。
１ｍＴ以上で骨形成に影響を与え、３ｍＴの磁場では骨芽及び破骨細胞の両方の活性を上昇させることから骨代謝亢進型の骨形成を促していることが明らかになった。
また、特徴的なのは、１０ｍＴの磁場では骨芽及び破骨細胞の両方の活性が低下することが明らかになり、１０ｍＴを超える磁場は逆に骨形成を阻害している。
また、図８にＣｏｎｔｒｏｌ、３ｍＴ×１０日間磁場曝露したウロコの写真を示す。
この写真観察においても磁場曝露にて骨形成が促進されていることが明らかである。

次に、哺乳類においても磁場の影響を確認した。
生後４日のラットをエーテル麻酔で安楽死させ、頭蓋骨を切り出し、それを半分に切り、片方をコントロールとし、片方を磁場曝露に用い、２ｍｌ用のエッペンドルフチューブ（ＢＭ機器）にそれぞれ入れた。
次にそのチューブにＨＥＰＥＳ（２０ｍＭ）（ｐＨ７．０）及び抗生物質（１％）を含む培地（ＭＥＭ、ＩＣＮ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｓ Ｉｎｃ．）を１．５ｍｌ加えた。
そのチューブを３ｍＴの磁場に３７℃、２０時間曝露し、破骨及び骨芽細胞の活性に及ぼす影響を調べた。
なお、コントロールは磁場に曝露せず、３７℃で培養した。
曝露後、頭蓋骨は冷凍保存（−８０℃）した。
分析直前に解凍し、５００μｌの蒸留水を入れ、超音波破壊機で破砕した。
遠心により残渣を除き、その上清中のＴＲＡＰ及びＡＬＰ活性をキンギョと同様な方法で測定した。
その結果を図７（ｂ）に示すように、３ｍＴの磁場にてラット頭蓋骨の骨形成に有効であることが明らかになった。
上述したとおり、骨形成には１ｍＴ以上で１０ｍＴ以下がよく、特に効果が顕著なのは３ｍＴ〜５ｍＴの範囲である。
この結果はキンギョのみならず哺乳類のラットでも確認ができたので、ヒトの骨疾患治療に有効であると思われ、骨粗鬆症等の骨疾患の治療にも利用できる。
また、魚の再生ウロコによる解析は、磁場による骨疾患の治療の研究に有効な評価及び開発システムであることが分かる。

本発明に係る磁場発生装置の外観図を示す。 本発明に係る磁場発生装置の正面図を示す。 磁場発生の要部を示す。 磁界分布図を示す。 磁場強度変化を示す。 Ｂ−Ｉ特性を示す。 磁場曝露に対する細胞活性変化比率を示す。 ウロコの顕微鏡写真を示す。 キンギョのウロコの構造模式図を示す。 飼育水槽中の磁束密度分布測定結果を示す。

符号の説明

１ 魚
１０ 磁場発生装置
１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ） 磁心枠
１２ａ 励磁コイル
２３ 磁場空間

Claims (3)

1. 左右の磁心と上下の磁極とからなる略矩形形状の磁心枠と、当該磁心枠の左右の磁心の周囲にそれぞれ配設した励磁コイルを有するとともに、磁心枠の上下磁極の内側には磁場均一化凸部を有し、磁心枠の中央部が治療用空間であることを特徴とする骨疾患治療用磁場発生装置。
2. 磁場は１０〜１００Ｈｚの交流磁場であり、磁場強度は、少なくとも１〜１０ｍＴの範囲に制御可能であることを特徴とする請求項１記載の骨疾患治療用磁場発生装置。
3. 魚体から一部のウロコを除去した魚を被検生物として、請求項１又は２記載の磁場発生装置を用いて、再生ウロコの骨芽細胞活性又は／及び破骨細胞活性を評価指標としたことを特徴とする磁場による骨疾患の治療開発システム。