ダイヤモンド量子センサーを用いた心筋収縮制御特性の温度生理学

• Project/Area Number: 22K15367
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 48020:Physiology-related
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 石井 秀弥 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, 研究員 (10880651)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 熱筋収縮メカニズム / 局所加熱 / 心筋 / 骨格筋 / 筋収縮制御 / 体温 / 心筋収縮制御 / 温度生理学 / ダイヤモンドNVセンター / 量子センシング

Outline of Research at the Start

本研究では、心筋収縮中の体温ひいては温度の役割に着目し、「哺乳動物の筋収縮制御はどの様に行われているか？そのとき体温はどのように利用されているか？」を解明することを目標に、心筋の筋収縮に関連するタンパク質一分子から細胞の階層にかけて、筋収縮時の温度や活動電位を計測・評価する。さらに所属機関で開発中の、温度や磁場が同時に高感度で計測出来るダイヤモンド半導体を用いた高機能センサーを用いて、その材料評価や作成技術と組み合わせることで、新たな生命現象の計測技術基盤の構築、さらに「心筋熱生理学」の創成を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、筋収縮中の体温ひいては温度の役割に着目し、「哺乳動物の筋収縮制御はどの様に行われているか？そのとき体温はどのように利用されているか？」を解明することを目指した。
電子線を活用した量子マテリアルの研究開発に取り組み、その生産技術の確立を進めた。また、量子センシングの応用に先立って、生理学的に重要なメカニズム解明を進め、その成果について以下に詳細を示す。
赤外光レーザーを集光し、水に吸収されることで、任意の位置に瞬時(1 sec以下)に局所的な熱源を形成する顕微システムを構築し、タンパク質一分子及び筋線維の階層にてそれらの筋収縮システムにおける温度の役割について解析した。
具体的には骨格筋と心筋それぞれの筋収縮システムを精製タンパク質を用いて再構成し、その加熱応答性つまりは温度感受性を評価した。その結果、骨格筋と心筋の間で制御タンパク質が活性化する温度の違いがあること、そして心筋よりも骨格筋収縮システムの方が体温付近の温度上昇に敏感であることを示すこととなった。常に拍動している心臓とは異なり、骨格筋には必要な時に瞬時に力を出すために適した機能を持つことを示唆することができた。得られた研究結果については国際学術誌に投稿・掲載され、加えて共同研究機関と共にプレスリリースを行なった。日刊工業新聞の紙面への掲載、更には世界各国の媒体で取り扱われるなど世界的な評価を受けており、研究の注目度を示す指標であるAltmetricにおいても全研究中上位5%の数値を得るに至った。また、代表者は該当の論文の成果についてSociety of General Physiolosistsからは生理学分野で最も栄誉ある若手賞であるCranefield postdoctoral fellow award を日本人で初めて授与された。

Research Products

• [Journal Article] Myosin and tropomyosin-troponin complementarily regulate thermal activation of muscles (2023)
  • Author(s): Shuya Ishii, Kotaro Oyama, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Tomohiro Nakanishi, Naoya Nakahara, Madoka Suzuki, Shin’ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Journal Title: Journal of General Physiology Volume: 155 Issue: 12
  • DOI: 10.1085/jgp.202313414
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 光熱変換を利用した細胞機能の光操作 (2022)
  • Author(s): 大山 廣太郎、石井 秀弥、鈴木 団
  • Journal Title: Seibutsu-kogaku Kaishi Volume: 100 Issue: 8 Pages: 433-436
  • DOI: 10.34565/seibutsukogaku.100.8_433
  • ISSN: 0919-3758, 2435-8630
  • Year and Date: 2022-08-25
  • Open Access
• [Presentation] Myosin and tropomyosin-troponin complementarily regulate thermal activation of skeletal and cardiac muscles (2024)
  • Author(s): Shuya Ishii, Kotaro Oyama, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Tomohiro Nakanishi, Naoya Nakahara, Madoka Suzuki, Shin'ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Organizer: 第101回日本生理学会年会
• [Presentation] 体温における横紋筋の細いフィラメントの活性化 (2023)
  • Author(s): 石井 秀弥
  • Organizer: 日本医学会特別大会―2023東京シンポジウム―
  • Invited
• [Presentation] Microscopic heat pulses induce activation of cardiac and skeletal thin filaments in the absence of Ca2+ (2023)
  • Author(s): S.Ishii, K. Oyama, F. Kobirumaki-Shimozawa, T. Nakanishi, S. Ishiwata, N. Fukuda
  • Organizer: 日本生理学会第100回記念大会
• [Presentation] Microscopic heat pulses induce activation of striated muscle thin filaments (2022)
  • Author(s): S.Ishii, N. Fukuda
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会
  • Invited
• [Remarks] 骨格筋はわずかな温度の変化を敏感に感じてパフォーマンスを向上させる！
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/press/20231024.html
• [Remarks] 石井秀弥研究員がCranefield postdoctoral fellow awardを受賞
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/taka/20240216.html