実験的に抽出された分子反応パラメータを導入したマラリア感染赤血球モデルの開発

• Project Area: Molecular Science for Nanomedicine
• Project/Area Number: 26107703
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 今井 陽介 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (60431524)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2015: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2014: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: バイオメカニクス / 計算力学 / リガンド‐レセプタ結合 / 細胞力学 / マラリア / リガンドーレセプタ結合

Outline of Annual Research Achievements

マラリアに感染した赤血球は膜表面に接着タンパクを発現する．この分子反応の発現によりマラリア感染赤血球は微小血管内に接着し，周囲の赤血球を巻き込んだ組織レベルの微小循環障害を引き起こす．
細胞の力学と生化学を連立する計算力学モデルを開発し，接着分子の生化学特性とマラリア感染赤血球挙動の関係に対する大規模パラメトリック計算を実施した．まず単体のマラリア感染赤血球挙動の計算を実施し，次に，多数の正常赤血球と相互作用する微小循環内の挙動を計算することで総合的に検討を行った．血管内皮細胞上にTSPやCD36がレセプタとして存在している場合，マラリア感染赤血球は定常接着をすると報告されているが，このような定常接着は離脱頻度が1/s以下の場合に生じることを明らかにした．またレセプタとしてICAM-1が存在する場合，マラリア感染赤血球は回転運動をすることが知られているが，ICAM-1は結合に作用する力にほとんど依存しない結合特性を有することを明らかにした．
また，開発した計算力学モデルをより一般的なカプセル懸濁液のレオロジー解析や白血球・腫瘍細胞の流動・接着の問題に応用した．マラリアと同様，白血球の接着は生体防御において，腫瘍細胞の接着はがん転移において重要な過程であり，古くから血管壁面の「Rolling」や定常接着が調べられてきた．我々はセレクチンを発現した毛細血管内の細胞挙動を計算し，毛細血管径が細胞径より小さくなると，細胞は管の中央を移動する「Bullet」挙動を示すことを明らかにした．このときリガンド‐レセプタ結合によって細胞の移動速度は著しく減少し，レセプタ密度が十分低い領域においても定常接着とみなせるような速度となることを示した．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [Int'l Joint Research] National University of Singapore(Singapore)
• [Journal Article] Lateral migration of a capsule in a parabolic flow (2016)
  • Author(s): S. Nix, Y. Imai, T. Ishikawa
  • Journal Title: Journal of Biomechanics Volume: in press Issue: 11 Pages: 2249-2254
  • DOI: 10.1016/j.jbiomech.2015.11.038
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Numerical methods for simulating blood flows at micro-, macro- and multi-scales (2016)
  • Author(s): Y. Imai, T. Omori, Shimogonya, Y., T. Ishikawa, T. Yamaguchi
  • Journal Title: Journal of Biomechanics Volume: in press Issue: 11 Pages: 2221-2228
  • DOI: 10.1016/j.jbiomech.2015.11.047
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rheology of a dense suspension of spherical capsules under simple shear flow (2016)
  • Author(s): D. Matsunaga, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 786 Pages: 110-127
  • DOI: 10.1017/jfm.2015.666
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flow of a circulating tumor cell and red blood cells in microvessels (2015)
  • Author(s): N. Takeishi, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 92 Issue: 6 Pages: 063011-063011
  • DOI: 10.1103/physreve.92.063011
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hemodynamics in the microcirculation and in microfluidics (2015)
  • Author(s): Omori, T., Imai, Y., Kikuchi, K., Ishikawa, T., Yamaguchi, T.
  • Journal Title: Annals of Biomedical Engineering Volume: 43 Issue: 1 Pages: 238-257
  • DOI: 10.1007/s10439-014-1180-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Graphics processing unit computing of cellular flow and adhesion in microvessels (2015)
  • Author(s): Y. Imai
  • Organizer: The 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics
  • Place of Presentation: KFC Hall & Rooms, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2015-10-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A Numerical Simulation of Cytoadhesion and Rosette Formation of Red Blood Cells Infected by Malaria (2015)
  • Author(s): Y. Imai
  • Organizer: The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
  • Place of Presentation: Hokkaido University, Sapparo, Japan
  • Year and Date: 2015-09-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Viscosity Reduction in Bimodal Suspensions of Two Types of Capsules (2015)
  • Author(s): Y. Imai
  • Organizer: 13th U.S. National Congress on Computational Mechanics
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2015-07-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A numerical simulation on the motion of malaria-infected cells in microcirculatory blood flow (2014)
  • Author(s): Y. Imai, A, Ami, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • Organizer: 7th World Congress of Biomechanics
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2014-07-07
  • Invited
• [Presentation] 微小血管内の細胞流動・接着現象の計算力学モデル (2014)
  • Author(s): 今井陽介，武石直樹，阿見祥久，山口隆美，石川拓司
  • Organizer: 第53回生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター, 仙台
  • Year and Date: 2014-06-10
  • Invited