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Molecular-scale Mechanism of Mechanical Hemolysis: Pore Formation and Phase Transition in Red Blood Cell Membrane

Research Project

Project/Area Number 17K13033
Research Category

Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

Shigematsu Taiki  大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50775765)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2017: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywordsリン脂質二重膜 / 分子動力学シミュレーション / コレステロール / 破断 / 不安定性 / 細胞膜 / 指組構造相 / せん断流れ / 流体力学的不安定 / 指組相構造 / 生体工学 / 生体膜
Outline of Final Research Achievements

We clarify the mechanism of the stretch-induced phase transition of the phospholipid/cholesterol bilayer, which is a model of the red blood cell membrane, by a combination of molecular dynamics (MD) simulation and free energy model of the stretch bilayer. By using the model, we estimate the critical areal strain to induce the phase transition at the cell scale. Additionally, we investigated the details of the pore formation in the bilayers which are composed to various types of lipid molecules. Furthermore, we clarify the shear-flow-induced pore formation in the bilayer by a combination of MD simulation and linear stability analysis.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により,引張負荷を受けた時に,もともと二層構造であったリン脂質二重膜が一層構造である指組構造相へと相転移するメカニズムが明らかになり,細胞膜等でも同様の相転移が起きる可能性が示唆された.二層から一層への変化は膜面積が大きく増加するため,赤血球などの変形に対して破れにくい細胞の膜では,この相転移により膜が破れずに変形できる量が増えているのではないかと考えられた.細胞膜破断の理解が深化は,人工心臓やソノポレーションといった医療機器や治療法が細胞へ与える負荷を見積もり,軽減する上で重要な知見となると期待される.

Report

(4 results)
  • 2019 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2018 Research-status Report
  • 2017 Research-status Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2019 2018 2017

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] コレステロールはいかにして細胞膜をやぶれにくくするか?~生体膜分子動力学が明らかにする分子の世界~2019

    • Author(s)
      重松大輝,越山顕一朗,和田成生
    • Journal Title

      生産と技術

      Volume: 71 Pages: 67-69

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      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] INSTABILITY OF PHOSPHOLIPID BILAYER UNDER SHEAR FLOW: MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION2019

    • Author(s)
      Taiki Shigematsu, Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • Journal Title

      Proceedings of the 2019 Summer Biomechanics, Bioengineering and Biotransport Conference

      Volume: 1 Pages: 646-647

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] Bicelle-to-Vesicle Transition of a Binary Phospholipid Mixture Guided by Controlled Local Lipid Compositions: A Molecular Dynamics Simulation Study2019

    • Author(s)
      Koshiyama Kenichiro、Taneo Masaki、Shigematsu Taiki、Wada Shigeo
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 123 Issue: 14 Pages: 3118-3123

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.8b10682

    • NAID

      120006816533

    • Related Report
      2018 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stretch-Induced Interdigitation of a Phospholipid/Cholesterol Bilayer2018

    • Author(s)
      Shigematsu Taiki、Koshiyama Kenichiro、Wada Shigeo
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 122 Issue: 9 Pages: 2556-2563

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.7b10633

    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] せん断流れ下での生体膜の安定性: 分子動力学シミュレーション2019

    • Author(s)
      重松大輝
    • Organizer
      2019年度統計数理研究所共同研究集会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 脳神経細胞膜を模したリン脂質二重膜中における 力学的負荷による微小孔形成:分子動力学シミュレーション2019

    • Author(s)
      重松大輝,越山顕一朗,清野健
    • Organizer
      日本機械学会 第32回バイオエンジニアリング講演会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞膜を模した多種混合リン脂質二重膜の力学的負荷による破断に関する 分子動力学シミュレーション2019

    • Author(s)
      重松 大輝,越山 顕一朗,清野 健
    • Organizer
      日本機械学会 第32回計算力学講演会
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  • [Presentation] 高せん断流れ場中におけるリン脂質二重膜の不安定性に関する 分子動力学シミュレーション: システムサイズ依存性2019

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      重松 大輝,越山 顕一朗,和田 成生
    • Organizer
      日本機械学会 2019年度年次大会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] INSTABILITY OF PHOSPHOLIPID BILAYER UNDER SHEAR FLOW: MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION2019

    • Author(s)
      重松 大輝,越山 顕一朗,和田 成生
    • Organizer
      Summer Biomechanics, Bioengineering and Biotransport Conference
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mechanical Stress Induces Interdigitation in Phospholipid/Cholesterol Bilayer: A Molecular Dynamics Simulation Study2018

    • Author(s)
      重松大輝,越山顕一朗,和田成生
    • Organizer
      8th World Congress of Biomechanics
    • Related Report
      2018 Research-status Report
  • [Presentation] コレステロールが細胞膜の力学特性に与える影響の分子レベルでのメカニズム2018

    • Author(s)
      重松大輝
    • Organizer
      第50回生物機械システム研究会
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      2018 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 高せん断流れ場中でのリン脂質二重膜の破断: 分子動力学シミュレーション2018

    • Author(s)
      重松大輝,越山顕一朗,和田成生
    • Organizer
      日本機械学会 2018年度年次大会
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  • [Presentation] 高せん断流れ場中でのリン脂質二重膜の挙動に関する 分子動力学シミュレーション2018

    • Author(s)
      重松大輝,越山顕一朗,和田成生
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2018
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  • [Presentation] 指組構造相のコレステロール含有リン脂質二重膜における水分子透過に関する分子動力学シミュレーション2018

    • Author(s)
      重松大輝,越山顕一朗,和田成生
    • Organizer
      日本機械学会 第31回計算力学講演会
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      2018 Research-status Report
  • [Presentation] 混合脂質二重膜の線張力推定の分子動力学シミュレーション:細胞膜中に形成した微小孔の挙動制御に向けて2018

    • Author(s)
      重松大輝,越山顕一朗,和田成生
    • Organizer
      日本機械学会 第31回バイオエンジニアリング講演会
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      2018 Research-status Report
  • [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Stretch-Induced Phase Transition in Phospholipid/Cholesterol Bilayer: Toward Understanding Mechanical Rupture of Cell Membrane2017

    • Author(s)
      Taiki Shigematsu, Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • Organizer
      The 9th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 力学的負荷によるコレステロール含有リン脂質二重膜中での指組み構造相形成に関する自由エネルギーモデル2017

    • Author(s)
      重松大輝,越山顕一朗,和田成生
    • Organizer
      第64回理論応用力学講演会
    • Related Report
      2017 Research-status Report

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Published: 2017-04-28   Modified: 2021-02-19  

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