光る染料で成長中の骨や歯の内部を覗ける

人間の体には、岩石の成分、つまり骨や歯に含まれるカルシウムを主成分とするミネラルが含まれています。バイオミネラリゼーションと呼ばれるプロセスで、成長するにつれて硬くなり固くなるこれらの物質が生成されます。骨や歯のある他の動物の体も同様です。貝殻にも同じことが言えます。バイオミネラリゼーションによって、虹色の真珠層が形成されます。

しかし、これまで生物学者は、このプロセスがどのように機能するかを観察するのに苦労してきました。現在、科学者は鮮明な 3D でそれを観察することができます。骨と歯の時空間成長モニタリング (BEE-ST) と名付けられたこの技術では、新生骨や出芽中の歯に染料を加え、ホスト成分が成長するにつれて色が広がるのを観察します。

BEE-ST の開発者たちは本日、その研究結果をScience Advances誌に発表した。著者らの言うことが正しければ、この研究は骨や歯の成長を研究している人々だけでなく、その成長を自らコントロールしたい人々にとっても恩恵となるだろう。

「現在、歯の成長の速度を空間的および時間的に正確に監視および測定できるツールはありません」と、チェコ共和国ブルノのマサリク大学の発生生物学者で論文著者の一人であるヤン・クリヴァネク氏は言う。彼らは、BEE-ST がそれを変えるかもしれないと期待している。

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いくつかの方法で、その目標の一部を達成できます。今日、科学者や医師は、マイクロ コンピューター断層撮影と呼ばれる技術に頼ることができます。この技術では、X 線で物体を複数の角度からスキャンし、スキャンをつなぎ合わせて 3D 画像を作成します。この方法では、観察者に 3D の視点が提供されますが、これはスナップショット、つまり、発達の一貫したシーケンスではなく、瞬間的な瞬間を示すだけです。

もう一つの可能​​性のある選択肢は染料です。骨の観察者は、染料やそれに似た物質がこれらの臓器のカルシウムと結合できることを何十年も前から知っています。しかし、これはカルシウムベースの構造がどのように成長するかを観察するための完璧な選択肢からは程遠いものです。まず、骨の中を見るには、通常、サンプルからカルシウムを取り除く必要があり、それによって染料も取り除かれます。歯や骨のスライスを取ればこの問題は回避できますが、それでは、より大きな 3D 画像の 2D 影しか得られません。

クリヴァネク氏と彼の同僚は、マウスの歯がどのように成長するかを観察したかったが、カルシウムを観察するより洗練された方法も必要だった。そこで、彼らは染料法を応用することにした。幸いにも、ここ数年で研究者たちはカルシウムを除去せずに歯の中を観察する技術を開発していた。彼らは成長中の歯や骨に染料を注入し、時間の経過とともに3D画像を撮影することができた。研究者たちは数日ごとに、実験用マウスに新しい染料を少しずつ加えた。科学者たちが後に顕微鏡で歯を調べたところ、一連の縞模様が浮かび上がっていた。それぞれの縞模様は、異なる注入をマークしていた。

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その過程で、彼らは自分たちの技術がネズミの歯以外にも使えることに気づいた。次に、ネズミの骨にも使えることを実証した。その後、彼らはネズミから動物界の他の領域にまで対象を広げ、カメレオン（爬虫類）、ヤケイ（鳥類）、カエル（両生類）、ゼブラフィッシュ（魚類）といった脊椎動物の動物園に染料を投与した。

クリヴァネク氏とその同僚たちは、このすべてに数年を要したが、最終的には、歯と骨の成長を観察するための信頼できるプロセスを作り上げたと考えている。 しかし、それがこの目的だけに役立つというわけではありません。「他の用途にもさらに調整されると確信しています」とKřivánek氏は言います。

その 1 つが組織工学と呼ばれる分野です。これは人体の組織を操作する科学と技術です。「組織」には、皮膚から筋肉、内臓、さらには骨や組織に含まれる硬くて丈夫な物質など、より強い物質まで、あらゆるものが含まれます。科学者は幹細胞などのツールを使って、組織を強化したり、改善したり、さらにはゼロから複製したりすることもできます。この技術は、ひびの入った骨を治したり、抜けた歯を再生したりするのに役立ちます。

しかし、何かを設計するためには、骨細工師志望者はまず、材料が成長するにつれてどのように反応するかを理解する必要があります。クリヴァネク氏は、そこが彼らの方法のようなものが役に立つところだと考えています。「私たちは基本的に扉を開きました」と彼は言います。「科学界がそれをどう使うかを見てみましょう。」