Measurement of oxygen transport in 3 phases of capillaries, interstitium, and cytoplasm in skeletal muscle
| Project/Area Number |
21K19703
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 59:Sports sciences, physical education, health sciences, and related fields
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
狩野 豊 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (90293133)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
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| Keywords | 酸素ダイナミクス / ミトコンドリア / カルシウムイオン / 骨格筋 / 毛細血管 / 間質 / 筋細胞 / 筋収縮 / 酸素分圧 |
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| Outline of Research at the Start |
酸素をエネルギー代謝に利用する生体システムに関する研究は，運動生理学の中心的な研究課題となっている．酸素運搬に関しては，呼気ガスと血液中の生体情報から評価することが一般的であり，毛細血管から細胞質内までの酸素運搬の定量的な評価は成功事例がない．その理由は，血管内 →間質→細胞質内の3ステップでの酸素の時空間的な動態(酸素ダイナミクス)を評価する研究モデルが存在しないためである．本研究では，3ステップでの酸素ダイナミクスを同時に評価する測定技術を開発することによって，各々のステップでの酸素ダイナミクスを規定するシステムの解明に挑戦する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，骨格筋組織内での酸素の時空間的な動態（酸素ダイナミクス）を解明することを目的とした．筋組織内では毛細血管から細胞間質へ酸素が拡散し，細胞内に取り込まれ，ミトコンドリアの酸化的な代謝に利用される．本研究は，筋収縮活動中の(1)血管内→(2)間質→ (3)細胞内の3ステップでの酸素ダイナミクスを評価することによって，各々のステップでの酸素ダイナミクスを制御する生体システムの解明」を目標としている．
昨年度の研究成果である血管内（ステップ1）と間質内（ステップ2）の酸素ダイナミクスの同時計測モデルの構築を受けて，本年度は，細胞内の酸素ダイナミクスを制御するミトコンドリアに着目した．ミトコンドリア内のカルシウムイオンは，TCAサイクルの酵素活性を制御することから，酸素ダイナミクスの中心的な役割が考えられる．これまでのところミトコンドリアマトリクスにおけるカルシウムイオン感受性蛍光タンパク質の発現モデルをマウス骨格筋で作成し，in vivoカルシウムイメージングによる筋収縮のカルシウムイオン過渡応答の評価に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，細胞内の酸素ダイナミクスを制御するミトコンドリアに着目した．ミトコンドリア内のカルシウムイオンは，TCAサイクルの酵素活性を制御することから，酸素ダイナミクスの中心的な役割が考えられる．マウスの前脛骨筋に，ミトコンドリアマトリクス内カルシウム感受性蛍光タンパク質（4mtD3cpV）のベクターを注入し，エレクトロポレーションにより，筋組織内に導入した．導入から1週間後に，4mtD3cpVのミトコンドリアマトリクス内の発現を確認した．電気刺激モデルによって筋収縮時のカルシウムイオンダイナミクスを評価したところ，収縮直後に即時的にカルシウムイオン濃度が有意に増加し，刺激終了時では，開始時と同レベルまでミトコンドリア内のカルシウムイオン濃度が低下した． 収縮と同期したミトコンドリア内へのカルシウムイオンの取込み速度は，ATP合成の最大化に寄与している可能性があり，酸素ダイナミクスと筋収縮との連関を示唆する結果となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
筋収縮-弛緩サイクルにおいては，ATP分解と同時にATP再合成の速度が収縮機能を維持するうえで重要である．したがって，収縮と同期したミトコンドリア内へのカルシウムイオンの取込み速度は，ATP合成の最大化に寄与している可能性がある．そのため，次年度においては，筋収縮時の酸素消費反応が筋収縮と同期する可能性を追求する．ミトコンドリアの酸化的リン酸化反応の即時的な応答性が，ミトコンドリア内へのカルシウムイオン取込によるものであるという仮説を検証する．
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
