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分岐解析によるヒト心筋細胞モデルデータベース構築と心臓自動能発生機序の統合的解明

Research Project

Project/Area Number 22K06850
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 48020:Physiology-related
Research InstitutionKanazawa Medical University

Principal Investigator

倉田 康孝  金沢医科大学, 医学部, 教授 (00267725)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 津元 国親  金沢医科大学, 医学部, 准教授 (70353331)
九田 裕一  金沢医科大学, 医学部, 講師 (50566916)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywordsシステム生理学 / 非線形力学 / 分岐解析 / 数理モデル / シミュレーション / 心筋細胞モデル / 心臓自動能 / 分岐理論 / コンピュータシミュレーション / モデルデータベース
Outline of Research at the Start

心臓における自動能・不整脈の発現機序解明には、非線形システムの分岐理論に基づいた理論的解析が不可欠である。
本研究では、科学技術計算ソフトウェアMATLABを用いてヒト固有心筋と特殊心筋細胞における電気現象を記述する数理モデルの新たなデータベースを作成し、心筋細胞における分岐現象解析のためのMATLABシステムを構築して、分岐理論に基づく心臓自動能発生機序の統合的解明を行う。分岐解析によって新たなヒト特殊心筋細胞モデルを作成し、生理学者にも扱い易い独自のヒト心筋細胞モデルデータベースを構築することで、心臓自動能の起源・発生機序の数理生理学的研究やヒト心臓モデル構築のための理論的基盤を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、心臓生理学者のためのヒト固有心筋および特殊心筋細胞の新たなモデルデータベースを作成し、ヒト心筋細胞における分岐現象の解析システムを構築して、非線形システムの分岐理論に基づく心臓自動能の起源・発生機序の数理生理学的研究やヒト心臓モデル構築のための理論的基盤を確立することである。
2023年度は、2022年度に作成したヒト心房筋・心室筋細胞および洞房結節細胞モデルのデータベースを基に、ヒト幹細胞由来心筋細胞等から得られた最新の電気生理学的実験データから各モデル細胞の実験データ再現性を再検証し、ヒト心房筋・心室筋細胞および洞房結節細胞の標準モデルを改良するとともに、新たにヒト心臓Purkinje線維細胞モデルのモデルデータベースへの組み込みを試み、科学技術計算ソフトウェアMATLAB(MathWorks Inc., USA)のプログラミングモジュールとしてデータベース化することができた。さらに、MATLABおよび分岐追跡ソフトウェアMATCONTを用い、ヒト心室筋・心房筋および洞房結節細胞モデルとともに、ヒトPurkinje線維細胞における自動能の発生機序を解析するための分岐現象解析システムを構築し、データベース化した各モデルのMATLABプログラム(スクリプトファイル)に実装することができた。Purkinje線維細胞モデルは実験で得られた実細胞の自発性活動電位やQT延長症候群における早期後脱分極などの異常自動能をよく再現し、特殊心筋における自動能の発生機序や不整脈発生機序の解析に適していることが証明された。また、これらの細胞モデルの分岐解析により、洞房結節細胞とPurkinje線維細胞(および病的心房・心室筋)では自動能発生の非線形力学的機序(分岐パターン)に本質的な違いがあることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2022年度に引き続き、各心筋細胞(洞房結節、心房・心室筋、Purkinje線維細胞)のモデルを構築し、自動能発現の非線形力学的機序を統合的に解明するために、モデル細胞の分岐構造(非線形システムの分岐現象)を精密に解析している。11個の細胞モデルの分岐構造を解析・検証しているが、複雑な高次元非線形システムの分岐構造解析は通常のシミュレーションに比べてはるかに時間がかかる上に、Purkinje線維細胞モデルの追加によりモデル数が増加したため、現有のワークステーションでは当初の予定通りの計算が進まず、分岐解析データの生成が予定よりやや遅れている状況である。

Strategy for Future Research Activity

メモリ(RAM)のさらなる増設などでワークステーションのスペック向上(性能アップ)を図り、計算を高速化することで、分岐解析・シミュレーション解析をより効率的に進める必要がある。また、今後はGPU増設とGPU対応ソフトウェア(MATLAB Parallel Computing Toolbox)の導入による計算の高速化、あるいはワークステーションの追加購入も検討している。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Theoretical prediction of early afterdepolarization-evoked triggered activity formation initiating ventricular reentrant arrhythmias.2023

    • Author(s)
      Tsumoto K, Shimamoto T, Aoji Y, Himeno Y, Kuda Y, Tanida M, Amano A, Kurata Y.
    • Journal Title

      Comput Methods Programs Biomed.

      Volume: 240 Pages: 107722-107722

    • DOI

      10.1016/j.cmpb.2023.107722

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Dynamical Mechanisms of Sinoatrial Node Pacemaking: Roles of membrane and Ca2+ clocks determined by bifurcation analyses of a mathematical model2024

    • Author(s)
      Yasutaka Kurata, Kunichika Tsumoto, Yuhichi Kuda, Mamoru Tanida
    • Organizer
      第101回日本生理学会大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Mechanisms of automaticity in HL-1 mouse atrial myocytes: roles of the membrane and Ca2+ clocks2024

    • Author(s)
      Yuhichi Kuda, Yasutaka Kurata, Kunichika Tsumoto, Mamoru Tanida
    • Organizer
      第101回日本生理学会大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] ヒト洞結節自動能の非線形力学的発生機序:数理モデル細胞の分岐解析による理論的検証2023

    • Author(s)
      倉田康孝、津元国親、九田裕一、谷田守
    • Organizer
      第32回日本病態生理学会大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Possible anisotropy-based directivity in EAD-induced triggered activity that leads to reentrant tachyarrhythmias2023

    • Author(s)
      津元国親、青地悠馬、島本貴生、姫野友紀子、天野晃、九田裕一、谷田守、倉田康孝
    • Organizer
      第69回日本不整脈心電学会学術集会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 心室性不整脈発症に関与する撃発活動形成の理論的機序: in silico研究2023

    • Author(s)
      津元国親、島本貴生、青地悠馬、九田裕一、谷田守、天野晃、倉田康孝
    • Organizer
      第32回日本病態生理学会大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Linking the early afterdepolarization in cardiomyocyte models of long QT syndrome type 2 to reentrant arrhythmia2022

    • Author(s)
      Tsumoto K, Shimamoto T, Aoji Y, Kuda Y, Tanida M, Amano A, Kurata Y
    • Organizer
      The 39th Congress of The International Union of Physiological Sciences (IUPS2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] How early afterdepolarization triggers lethal arrhythmias in long QT syndrome type 2: a computational study2022

    • Author(s)
      Tsumoto K, Shimamoto T, Aoji Y, Amano A, Kurata Y
    • Organizer
      第67回日本不整脈心電学会学術集会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] HL-1マウス心房筋細胞における自動能機序と早期後脱分極の発生2022

    • Author(s)
      九田裕一, 倉田康孝, 池田崇之, 谷田 守, 津元国親, 芝本利重, 米倉秀人
    • Organizer
      第31回日本病態生理学会大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 不整脈トリガーは如何にして発生するのか:数理モデル解析からの予測2022

    • Author(s)
      津元国親, 島本貴生, 青地悠馬, 九田裕一, 谷田 守, 姫野友紀子, 天野 晃, 倉田康孝
    • Organizer
      生理学研究所 心血管研究会2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] EADの発生を契機とする心室性不整脈の発生機序:in silico研究2022

    • Author(s)
      津元国親, 島本貴生, 青地悠馬, 九田裕一, 谷田 守, 姫野友紀子, 天野 晃, 倉田康孝
    • Organizer
      第69回中部日本生理学会大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Inhibition of transient outward K+ current: potential prevention of reentrant arrhythmia developments in long QT syndromes2022

    • Author(s)
      Tsumoto K, Shimamoto T, Aoji Y, Kuda Y, Tanida M, Himeno Y, Amano A, Kurata Y
    • Organizer
      第96回日本薬理学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Dynamical Mechanisms of Human Sinoatrial Node Pacemaking: Roles of sarcolemmal ion channel currents and SR Ca2+ handling determined by bifurcation analyses of a mathematical model2022

    • Author(s)
      Kurata Y, Tsumoto K, Kuda Y, Tanida M
    • Organizer
      日本生理学会第100回記念大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Mechanisms of ventricular arrhythmias triggered by the development of EAD: an in silico study2022

    • Author(s)
      津元 国親、青地 悠馬、島本 貴生、姫野 友紀子、天野 晃、九田 裕一、谷田 守、倉田 康孝
    • Organizer
      日本生理学会第100回記念大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Mechanisms of Automaticity and Early Afterdepolarization in HL-1 Mouse Atrial Myocytes2022

    • Author(s)
      九田裕一、倉田康孝、池田崇之、谷田 守、津元国親、芝本利重、米倉秀人
    • Organizer
      日本生理学会第100回記念大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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