Development of primitive heart model using iPS cell derived cardiomyocytes and construction of cardiac mathematical model

• Project/Area Number: 21H01215
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Todo Mitsugu 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (80274538)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
• Keywords: iPS細胞 / 心筋細胞 / 細胞シート / 3Dバイオプリンター / 粘弾性 / 生体力学 / iPS細胞由来心筋細胞 / バイオプリンター / 生体材料 / 細胞工学 / 心筋組織 / バイオポンプ / エネルギー変換 / 循環器 / 循環器モデル

Outline of Research at the Start

本研究では、心筋における化学エネルギーから機械エネルギーへのマルチスケールなエネルギー変換機構の工学利用を目指し、その機構に関する基礎的知見を得るための実験モデルとして、iPS細胞由来心筋細胞を用いた自己収縮する原始心臓型ポンプを開発し、さらに血管を模擬したポリマーチューブと組み合わせて基本的な循環器システムを構築する。また、エネルギー変換機構を高精度で記述する数理モデルおよびシミュレーションモデルを確立することを試みる。

Outline of Final Research Achievements

Cardiac cell sheets were successfully developed using iPS cells derived cardiomyocytes for the development of a fundamental heart model. It was found that electrical stimulation can be used to control the pulsation behavior. Such kind of stimulation was also found to change the viscoelastic hysteresis loops of the stress-strain response. The flow behavior in the inside of a hybrid construct of PDMS tube and iPS cardiac sheet was also examined. It was found that the flow velocity change can be modeled using a theoretical model developed by considering the elastic deformation of tube with pulsation. 3D bioprinter was also used to construct the scaffolds for the fundamental heart model. This kind of scaffold will be able to be used to construct simple heart-like models with use of iPS cardiac sheets.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

iPS細胞由来心筋細胞シートを用いた心臓疾患の治療は、すでに臨床研究の段階であるが、その力学的特性に関する研究はほとんど行われていない。本研究は、電気刺激により拍動挙動の制御が可能であることを見出し、さらに電気刺激が粘弾性的応力-ひずみ応答特性に影響を与えることを明らかにした。これらの力学特性に関する知見は、心筋シートの臨床応用において有用となることが期待される。さらに、iPS心筋シートとPDMSチューブを組み合わせた３D構造体の流動特性、ならびに3Dバイオプリンターで作製した３D足場構造体に関する知見は、今後の心臓原始形態モデル開発に向けて重要な知見となると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Development of Self-Pulsatile hybrid cylindrical structure using human iPS cell-derived cardiomyocytes and polydimethylsiloxane (2023)
  • Author(s): Hiroko Kurita, Mitsugu Todo
  • Journal Title: Materials Letters Volume: 343 Pages: 134373-134373
  • DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134373
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of stress-strain response of iPS cell-derived cardiomyocytes sheet and tube structures (2022)
  • Author(s): Mitsugu Todo, Hiroko Kurita
  • Journal Title: Mechanics of Soft Materials Volume: 5 Issue: 1
  • DOI: 10.1007/s42558-022-00049-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonlinear active stress - principal strain relation during pulsation of human iPS cell derived cardiomyocyte sheet (2022)
  • Author(s): Hiroko Kurita, Mitsugu Todo
  • Journal Title: Mechanics of Materials Volume: 165 Pages: 104199-104199
  • DOI: 10.1016/j.mechmat.2021.104199
  • Peer Reviewed
• [Presentation] マウス由来骨格筋細胞を用いた3次元組織の作製と拍動機能の評価 (2024)
  • Author(s): 松田樹、東藤貢
  • Organizer: The 22nd Conference on Biomechanics
• [Presentation] ヒトiPS細胞由来心筋細胞組織体の拍動挙動に及ぼす電気刺激の影響 (2023)
  • Author(s): 東藤貢、長崎快
  • Organizer: 第35回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] iPS細胞由来心筋シートの応力―ひずみ応答に及ぼす強制拍動の影響 (2023)
  • Author(s): 長崎快、東藤貢
  • Organizer: 第34回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] Effects of Viscoelastic Response on Dynamic Deformation of Artificial Polymeric Heart Valve (2022)
  • Author(s): Mitsugu Todo, Shahrul Hisyam Marwan
  • Organizer: ICMR2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ポリマーゲルと細胞のハイブリッド構造体の作製 (2022)
  • Author(s): 白澤 廉，東藤 貢
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会九州ブロック研究発表会
• [Presentation] 心筋細胞とポリマーゲルを用いた３D構造体の開発 (2022)
  • Author(s): 白澤 廉，東藤 貢
  • Organizer: 第34回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] ヒトiPS細胞由来心筋細胞を用いた自己拍動チューブの作製と理論モデルの構築 (2022)
  • Author(s): 東藤貢、栗田寛子
  • Organizer: 第61回日本生体医工学会
• [Presentation] ヒトiPS細胞由来心筋3次元構造体の作製と拍動にともなう変形・流動の解析 (2022)
  • Author(s): 栗田寛子、東藤貢
  • Organizer: 第21回日本再生医療学会総会