Elucidating the role of high-speed self-excited oscillations on the heartbeat using cross-layer measurement from one molecule to heart

• Project/Area Number: 15J07373
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Chubu University (2017); The University of Tokyo (2015-2016)
• Principal Investigator: 新谷 正嶺 中部大学, 生命健康科学部, 助教
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 収縮リズム恒常性 / 昇温誘起のサルコメア振動 / マルチスケール・シミュレーション / ミオシンの多機能性 / 階層縦断的生理学アプローチ / サルコメアレベルの筋肉の仕組み / 集団振動 / 心筋細胞 / 筋収縮 / 階層性 / ミオシン / モデルシミュレーション / ナノスケール計測 / 光学顕微計測 / 生物運動系階層構造・機能 / 生体分子モーター / 生物リズム / 心臓拍動 / 化学力学フィードバック / 生物物理 / 細胞熱力学

Outline of Annual Research Achievements

心拍は最も頑強な生体リズム現象の一つである。この心拍は、心筋細胞のカルシウム濃度の変動に伴った収縮振動によって生み出されている。近年、代表者は、新生児ラットの生きた心筋細胞を38~42℃に温めると、温めている間だけ可逆的に、カルシウム濃度変動と独立した振動数の収縮振動、HSOs (Hyperthermal Sarcomeric Oscillations)が発生することを発見した。この現象の発見は、深部体温が従来考えられていた以上に心拍にとって重要であることを示唆すると共に、心拍にとって、カルシウム濃度非依存な収縮特性が重要である可能性を強く示唆するものであった。
そこで、上記の温めた心筋細胞に生じる収縮振動、HSOsの特性に関して、高時間分解能(500frame/sec)のサルコメア長のnm精度計測を行なった。結果、HSOsが発生している状態のサルコメアの振動は、カルシウム濃度変動と同じ振動数の成分と、その数倍高い振動数のHSOs成分の2成分を持っていること、このHSOs成分の振動は、振動の振幅や収縮・伸展の時間が、カルシウム濃度変動の影響を受けて変化する一方で振動周期(収縮時間と伸展時間の和)は一定の値を保つ、収縮リズム恒常性と呼べるような性質を備えていることが明らかとなった。
ミオシン等の分子の状態遷移から心臓の拍動までを繋げたマルチスケールモデルから、心筋細胞モデルを取り出し、上記の実験事実の再現を試みたところ、ミオシンの挙動が、ミオシンのおかれた化学力学状態(状況)によって変わる、多機能性を意味するような仮定を置かないと現象を再現できないこと、そのミオシンの仮定を取り入れた心臓拍動のシミュレーションは、従来モデルよりも心拍のエネルギー効率がよくなることが明らかとなった。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of a general-purpose algorithm to measure motion and state of attention object - Study report on method of using deep learning for quantitative science research - (2018)
  • Author(s): Shintani SA
  • Journal Title: Annual report of Research Institute of Life and Health Sciences Volume: 14 Pages: 45-49
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic properties of bio-motile systems as a liquid-crystalline structure (2017)
  • Author(s): Shin'ichi Ishiwata, Makito Miyazaki, Katsuhiko Sato, Koutaro Nakagome, Seine A. Shintani, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Norio Fukuda, Kazuya Suzuki, Jun Takagi, Yuta Shimamoto, and Takeshi Itabashi
  • Journal Title: Mol. Cryst. Liq. Cryst. Volume: 印刷中 Issue: 1 Pages: 127-150
  • DOI: 10.1080/15421406.2017.1289445
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic properties of bio-motile systems with a liquid-crystalline structure (2017)
  • Author(s): Shin'ichi Ishiwata, Makito Miyazaki, Katsuhiko Sato, Koutaro Nakagome, Seine A. Shintani, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Norio Fukuda, Kazuya Suzuki, Jun Takagi, Yuta Shimamoto and Takeshi Itabashi
  • Journal Title: Molecular Crystals and Liquid Crystals Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] In vivo cardiac nano-imaging: A new technology for high-precision analyses of sarcomere dynamics in the heart (2017)
  • Author(s): Togo Shimozawa, Erisa Hirokawa, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Kotaro Oyama, Seine A. Shintani, Takako Terui, Yasuharu Kushida, Seiichi Tsukamoto, Teruyuki Fujii, Shin'ichi Ishiwata, and Norio Fukuda
  • Journal Title: Prog. Biophys. Mol. Biol. Volume: 124 Pages: 31-40
  • DOI: 10.1016/j.pbiomolbio.2016.09.006
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 温めた心筋細胞に備わった収縮リズムの周期安定化の仕組みについて (2017)
  • Author(s): 新谷正嶺
  • Journal Title: 国士舘大学紀要 情報科学 Volume: 38 Pages: 37-39
• [Journal Article] 心臓壁に対する非線形波動モデルを目指して (2017)
  • Author(s): 戸次直明、石井啓翔、城戸真弥、新谷正嶺、鷲尾巧
  • Journal Title: 国士舘大学紀要 情報科学 Volume: 38 Pages: 45-53
• [Journal Article] Analysis of spontaneous oscillations for a three state power stroke model (2016)
  • Author(s): Takumi Washio, Seine A. Shintani, Hideo Higuchi and Toshiaki Hisada
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 22 Issue: 2 Pages: 473-482
  • DOI: 10.1103/physreve.95.022411
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Simultaneous imaging of local calcium and single sarcomere length in rat neonatal cardiomyocytes using yellow Cameleon-Nano140 (2016)
  • Author(s): Seiichi Tsukamoto, Teruyuki Fujii, Kotaro Oyama, Seine A. Shintani, Togo Shimozawa, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Shin’ichi Ishiwata, and Norio Fukuda
  • Journal Title: J. Gen. Physiol. Volume: 148 Issue: 4 Pages: 341-355
  • DOI: 10.1085/jgp.201611604
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Model simulation of the SPOC wave in a bundle of striated myofibrils (2016)
  • Author(s): Koutaro Nakagome, Katsuhiko Sato, Seine A. Shintani, Shin’ichi Ishiwata
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 13 Issue: 0 Pages: 217-226
  • DOI: 10.2142/biophysico.13.0_217
  • NAID: 130005267164
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Model for Measured Traveling Waves at End-Diastole in Human Heart Wall by Ultrasonic Imaging Method (2016)
  • Author(s): Naoaki Bekki, Seine A. Shintani, Shin'ichi Ishiwata and Hiroshi Kanai
  • Journal Title: Jurnal of the Physical Society of Japan Volume: 85 Issue: 4 Pages: 044802-16
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.044802
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 心筋細胞に備わった昇温誘起の高速サルコメア振動 (2016)
  • Author(s): 新谷正嶺、戸次直明、福田紀男、石渡信一、樋口秀男
  • Journal Title: 国士舘大学紀要 情報科学 Volume: 37 Pages: 34-37
• [Journal Article] レイリー・ラム方程式の心室中隔壁への応用 (2016)
  • Author(s): 戸次直明、新谷正嶺
  • Journal Title: 国士舘大学紀要 情報科学 Volume: 37 Pages: 38-47
• [Journal Article] Simple Dispersion Equation Based on Lamb-Wave Model for Propagating Pulsive Waves in Human Heart Wall (2015)
  • Author(s): Naoaki Bekki and Seine A. Shintani
  • Journal Title: Jurnal of the Physical Society of Japan Volume: 84 Issue: 12 Pages: 124802-124802
  • DOI: 10.7566/jpsj.84.124802
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 実験とシミュレーションの比較から考察する温めた心筋細胞に生じる収縮リズム恒常性の役割 (2018)
  • Author(s): 新谷正嶺、鷲尾巧、樋口秀男
  • Organizer: 2018年 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] 温めた心筋細胞に備わった収縮リズム恒常性 (2018)
  • Author(s): 新谷正嶺、鷲尾巧
  • Organizer: 第95回日本生理学会大会
• [Presentation] 光熱変換顕微鏡を用いた温度センシングの一細胞解析 (2018)
  • Author(s): 大山廣太郎，Zeeb Vadim、新井智美、伊藤秀城、新谷正嶺、鈴木団、福田紀男、石渡信一
  • Organizer: 第95回日本生理学会大会
• [Presentation] サルコメア収縮の蛍光イメージングと光操作技術の開発 (2018)
  • Author(s): 大山廣太郎、新谷正嶺、塚本精一、小比類巻生、下澤東吾、鈴木団、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: ジストロフィン欠損モデル動物を基盤とした筋ジストロフィーの新しい治療法開発 平成2 9年度 研究班会議
• [Presentation] Ca2+ independent contractive oscillations intrinsic to heating cardiomyocytes reveal an role of Ca2+ variation in heartbeat (2017)
  • Author(s): Seine A. Shintani, Takumi Washio and Hideo Higuchi
  • Organizer: The 94th Annual Meeting of the Physiological Society of Japan
  • Place of Presentation: Act City hamamatsu (Shizuoka, hamamatsu)
  • Year and Date: 2017-03-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Constant beating frequency of sarcomeres in cardiomyocytes regulated ingeniously by collective motion of myosin molecules (2017)
  • Author(s): Shintani SA, Washio T, Higuchi H
  • Organizer: The 55th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 心筋細胞に備わった昇温誘起の収縮振動はミオシンの巧みな集団運動で応答性を保ち振動周期を一定に調整する (2017)
  • Author(s): 新谷正嶺、鷲尾巧、樋口秀男
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] Contractive oscillations intrinsic to heating cardiomyocytes maintain the period against late Ca2+ variations (2016)
  • Author(s): Seine A. Shintani, Takumi Washio and Hideo Higuchi
  • Organizer: The 54th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Place of Presentation: Tsukuba international Congress Center (Ibaraki, Tsukuba)
  • Year and Date: 2016-11-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 温めた心筋細胞に備わった収縮リズムの発生機構と生理的意義 (2016)
  • Author(s): 新谷正嶺、鷲尾巧、樋口秀男
  • Organizer: 第23回日本時間生物学会学術大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学 豊田講堂 (愛知県、名古屋市)
  • Year and Date: 2016-11-12
• [Presentation] 温めた心筋細胞で生じる高速収縮振動の発生機構 (2016)
  • Author(s): 新谷正嶺
  • Organizer: 平成28年度統計数理研究所共同研究集会『動的生体情報の現状と展望2』
  • Place of Presentation: 統計数理研究所 (東京都、立川市)
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] 心筋細胞を温めて生じる高速収縮振動の起源 (2016)
  • Author(s): 新谷正嶺
  • Organizer: 第6回分子モーター討論会『分子モーター研究の最前線』
  • Place of Presentation: 大阪大学 蛋白質研究所 (大阪府、吹田市)
  • Year and Date: 2016-07-24
  • Invited
• [Presentation] 心筋細胞の高速振動をnm精度で計測し振動の分子機構をシミュレーションで明らかにする (2016)
  • Author(s): 新谷正嶺、鷲尾巧、樋口秀男
  • Organizer: ナノ学会第14回大会
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場(福岡県、北九州市)
  • Year and Date: 2016-05-10
• [Presentation] 心筋細胞内サルコメアの高速振動の観察と分子シミュレーション (2016)
  • Author(s): 新谷正嶺, 鷲尾巧, 樋口秀男
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議2016
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都(京都府・京都市)
  • Year and Date: 2016-01-08
• [Presentation] 温めた心筋細胞に備わった収縮リズムの周期安定化の仕組みについて (2016)
  • Author(s): 新谷正嶺
  • Organizer: 第8回森和英記念計算科学研究報告会
  • Place of Presentation: 国士舘大学 (東京都、世田谷区)
• [Presentation] 心筋細胞に備わった昇温誘起の高速サルコメア振動 (2015)
  • Author(s): 新谷正嶺、戸次直明、福田紀男、石渡信一、樋口秀男
  • Organizer: 第7回森和英記念計算科学研究会
  • Place of Presentation: 国士舘大学(東京都・世田谷区)
  • Year and Date: 2015-12-19
  • Invited
• [Presentation] レイリー・ラム方程式の心室中隔壁への応用 (2015)
  • Author(s): 戸次直明、新谷正嶺
  • Organizer: 第7回森和英記念計算科学研究会
  • Place of Presentation: 国士舘大学(東京都・世田谷区)
  • Year and Date: 2015-12-19
• [Presentation] Hyperthermal Sarcomeric Oscillations in cardiac muscle (2015)
  • Author(s): Seine A. Shintani, Hideo Higuchi, Norio Fukuda, Shin'ichi Ishiwata
  • Organizer: The 53rd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Place of Presentation: 金沢大学(石川県・金沢)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 心筋細胞に備わった温度依存の高速自励振動特性 (2015)
  • Author(s): 新谷正嶺、戸次直明、樋口秀男、福田紀男、石渡信一
  • Organizer: 平成27年度統計数理研究所共同研究集会「動的生体情報の現状と展望」
  • Place of Presentation: 統計数理研究所(東京都･立川)
  • Year and Date: 2015-09-10