心筋虚血・再灌流時のNa・Ca濃度と活動電位のシミュレーション

• Project/Area Number: 22590216
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: General physiology
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 車 采映 立命館大学, 公私立大学の部局等, 研究員 (20456867)
• Project Period (FY): 2010-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2012: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2011: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2010: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ATP/ADP濃度変化 / ヒト心筋細胞モデル / 膵臓β細胞モデル / Na/K pumpモデル / ミトコンドリア酸化的リン酸化 / Na・Ca濃度 / 活動電位 / 虚血・再灌流(ischemia/reperfusion) / モデル・シミュレーション / Na/K pump / pH / ATP / 数学的な解析

Research Abstract

この研究は、虚血・再灌流の際、心筋細胞内Na・Ca濃度と活動電位変化を予測することを目指す。そのため、22年度のミトコンドリア酸化的リン酸化モデルの数核的解析、ATP/ADP濃度の変化に最も大きな依存性を持っているNa+/K+ATPaseの新しいモデルの開発に続け、ヒト心筋細胞モデルの開発、膵臓β細胞モデルの開発を行った。
1.ヒト心筋細胞モデルの開発とミトコンドリア酸化的リン酸化モデルの導入。
虚血・再灌流の影響を正確に予測することを目指し、ミトコンドリア酸化的リン酸化モデルをヒト心筋細胞モデルに加えた。去年行った、酸化的リン酸化モデルの数学的な解析(bifurcation analysis)の結果を元にparameterの再調整を行い、正常の広い範囲の心臓拍動頻度に対して細胞の機能が正常に働くことを成功的にシミュレーションできた。それに加え、去年発表した新しいNa+/K+ATPaseモデルを心筋細胞モデルに導入した。このモデルは虚血・再灌流の際、細胞外の酸素・グルコースの濃度などが変わる時に細胞のATP/ADP変化を予測するのに基本ベースになると期待できる。
2.膵臓β細胞モデルの完成とNa・Ca濃度と活動電位変化の数学的解析
ATP/ADP濃度の変化によるNa・Ca濃度と活動電位変化に最も大きな影響を与えるのは、Na+/K+ATPase
activityの変化である。去年発表した新しいNa+/K+ATPaseモデルをβ細胞に加えることで、細胞外グルコースによって変化する細胞内Na・Ca濃度と活動電位をミュレーションすることができた。その原因になるメカニズムを明らかにするため、我々独自に開発したlead potential analysisとbifurcation analysisを適用し、Na・Ca濃度と活動電位変化に対する細胞各要素の役割を数学的に示すことができた。

Research Products

• [Journal Article] Ionic mechanisms and Ca2+ dynamics underlying the glucose response of pancreatic βcells: a simulation study (2011)
  • Author(s): Cha CY , Nakamura Y, Himeno Y, Wang J,Fujimoto S, Inagaki N, Earm YE, Noma A
  • Journal Title: J Gen Physiol Volume: 138(1)巻 Issue: 1 Pages: 21-37
  • DOI: 10.1085/jgp.201110611
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-dependent changes in membrane excitability during glucose-induced bursting activity in pancreatic {beta} cells (2011)
  • Author(s): Cha CY, Santos E, Amano A, Shimayoshi T, Noma A
  • Journal Title: J Gen Physiol Volume: 138(1) Issue: 1 Pages: 39-47
  • DOI: 10.1085/jgp.201110612
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analyzing electrical activities of pancreatic β cells using mathematical models (2011)
  • Author(s): Cha CY , Powell T, Noma A
  • Journal Title: Prog Biophys Mol Biol Volume: 107(2)巻 Issue: 2 Pages: 265-73
  • DOI: 10.1016/j.pbiomolbio.2011.08.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Minor contribution of cytosolic Ca2+ transients to the pacemaker rhythm in guinea pig sinoatrial node cells (2011)
  • Author(s): Himeno Y, Toyoda F, Satoh H, Amano A, Cha CY, Matsuura H, Noma A
  • Journal Title: Am J Physiol Heart Circ Physiol. Volume: 300(1) Pages: 251-261
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of the cardiac Na+/K+ pump by development of a comprehensive and mechanistic model (2010)
  • Author(s): Oka C, Cha CY, Noma A(l : co-first authors)
  • Journal Title: J Theor Biol. Volume: 265(1) Pages: 68-77
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Mathematical Analysis of Time-dependent Changes in Membrane Excitability (2012)
  • Author(s): Cha CY
  • Organizer: Seoul Mini-workshop on recent progress in biosimulation
  • Place of Presentation: Yonsei Univ Hospital, Seoul, Korea(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-10
• [Presentation] Modeling pancreatic b-cell and its mathematical analysis-2 (2011)
  • Author(s): Chae Young Cha, Enrique Santos, Yasuhiko Nakamura, Akinori Noma
  • Organizer: 第88回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜会議センター(神奈川)
  • Year and Date: 2011-03-30
• [Presentation] MATHEMATICAL ANALYSIS OF BURSTING MECHANISMS IN PANCREATIC b-CELLS (2011)
  • Author(s): Chae Youne Chal.Yasuhiko Nakamura2, Enrique Santosl, Akinori Nomal
  • Organizer: Biophysical society 55^<th> Annual Meeting
  • Place of Presentation: Baltimore, Maryland, USA
  • Year and Date: 2011-03-06
• [Presentation] Electrophysiological model of pancreatic β-cell and its mathematical analysis (2011)
  • Author(s): Cha CY
  • Organizer: International Symposium"Computational Physiology of Cardiac Myocytes and Pancreatic b-cells ; Interaction between Energy Metabolism and Membrane Excitability'
  • Place of Presentation: 京都大学(京都)
  • Year and Date: 2011-01-30
• [Presentation] Model development for Energy Metabolism in pancreatic b-cells (2010)
  • Author(s): Cha CY
  • Organizer: Korean Physiome Meeting
  • Place of Presentation: Seoul University, Korea
  • Year and Date: 2010-12-27
• [Presentation] Mathematical analysis of bursting mechanisms in pancreatic b-cells (2010)
  • Author(s): Cha CY, Nakamura Y, Santos E, Noma A
  • Organizer: 第103回近畿生理学談話会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪)
  • Year and Date: 2010-10-02
• [Presentation] Lead potential analysis in cardiac myocytes and pancreatic B-cells (2010)
  • Author(s): Cha CY
  • Organizer: Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC, UK)
  • Place of Presentation: Oxford, UK
  • Year and Date: 2010-09-06
• [Presentation] Lead potential analysis : Ion mechanisms underlying glucose-induced electrical activity in pancreatic b-cells (2010)
  • Author(s): Cha CY
  • Organizer: Korean Physiome Meeting
  • Place of Presentation: Seoul University, Korea
  • Year and Date: 2010-06-26
• [Presentation] Mathematical analysis of bursting mechanisms in pancreatic b-cells (2010)
  • Author(s): Cha CY, Nakamura Y, Santos E, Noma A
  • Organizer: 第87回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 盛岡市民文化ホール(岩手県)
  • Year and Date: 2010-05-21
• [Book] Heart Rate and Rhythm : Molecular Basis(担当:Chap.2) (2011)
  • Author(s): Himeno Y, Cha CY, Noma A
  • Publisher: Springer