2015 Fiscal Year Annual Research Report
In vivoナノ計測による心筋収縮制御機構の解明
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15H04677
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| Research Institution | Jikei University School of Medicine |
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Principal Investigator |
福田 紀男 東京慈恵会医科大学, 医学部, 准教授 (30301534)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
照井 貴子 東京慈恵会医科大学, 医学部, 助教 (10366247)
小比類巻 生 東京慈恵会医科大学, 医学部, 助教 (40548905)
大山 廣太郎 東京慈恵会医科大学, 医学部, その他 (70632131)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 生理学 / 生物物理 / ナノバイオ / 分子イメージング / 心筋 / 細胞・組織 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
心臓ナノ生理学（cardiac nano-physiology）について、細胞および個体のレベルで研究を行った。
（Ⅰ）心筋細胞実験：我々は、心筋細胞内のサルコメアの挙動を高精度で測定することに成功している（SL nanometry）。H27年度、Ca濃度にともなって蛍光シグナルを変化させるCameleon-Nano140をラットの幼若心筋細胞のZ線にGFPを発現させた。この実験系は、局所のCa濃度とサルコメア長を同時に計測できる。Cameleon-Nano140によるサルコメア長の計測精度は17 nmであり、Z線局所のCa濃度に反応してサルコメアの短縮、伸展を定量的に計測することが可能となった。単一の筋原線維に沿って、Ca濃度はほぼ均一に変化するが、サルコメアの応答性にはバラツキが存在した。β受容体刺激薬を投与すると、局所Ca濃度ならびにサルコメアの変化率がいずれも上昇した。
（Ⅱ）In vivoマウス実験 ～その１～：マウスin vivo心臓において、左心室心筋細胞内のサルコメアの動きを高空間（20 nm）・時間（100 fps）分解能で捉えることに世界で初めて成功した。サルコメア長の変化分と左心室内圧とは強く相関した。また、我々は、画像再構築法を独自に開発した。実験後、画像を再構築し、心臓サイクルのすべての時点において焦点の合った動画を作成することに成功した。
（Ⅲ）In vivoマウス実験 ～その２～：（Ⅱ）の結果を基に、マウスin vivo心筋細胞における同一筋原線維のサルコメア（30個以上）の動きをリアルタイムで計測した。その結果、各サルコメアの動きには”個性”が存在することが明らかとなった。しかしながら、すべてのサルコメアの動きを平均化すると、教科書的なサルコメア応答波形が得られた。よって、個々のサルコメアが協調し、最終的な収縮応答をもたらしているものと考えられた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の初年度の目的は、申請者らが創成した「心臓ナノ生理学（cardiac nano-physiology）」を大きく展開させることである。申請者らは、SL nanometryを開発したが（Shintani et al., J Gen Physiol 2014）、この研究では心筋興奮収縮連関においてカギとなっている細胞内Ca濃度については細胞全体での平均値しか求めることができなかった。H27年度、これを大幅に改良し、心筋細胞局所のCa濃度とサルコメア長をリアルタイムに同時計測する実験系を開発し、世界に先駆けて「単一サルコメア興奮収縮連関（single sarcomere EC coupling）」研究を創成することに成功した。この実験系は、H28年以降、病態心筋を使った研究に大きな力を発揮するものと考えられる。また、マウスin vivo心筋細胞内のサルコメア長を高空間（20 nm）・時間（100 fps）分解能で計測する技術を開発することに世界で初めて成功した。この研究において独自開発した画像処理システムは非常に簡便であり、今後、病態心筋のメカニズムの解明や再生医療の効果の定量化などに幅広く応用されてゆくものと考えられる。当初の計画では、初年度においてここまでの成果を得られるとは期待しておらず、よって、「当初の計画以上に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
「心筋細胞実験」と「in vivoマウス実験」の二つに分けてまとめる。
（Ⅰ）細胞実験 ～その１～：Cameleon-Nano140を用いた「単一サルコメア興奮収縮連関」研究を推進させる。すなわち、β受容体刺激、或いは抑制下において、局所Ca濃度とサルコメアの動態がどのように変化するかを探る。さらに、omecamtiv mecarbilなどの心不全治療薬の薬理学的効果を検討する。
（Ⅱ）細胞実験 ～その２～：申請者らは、赤外光（IR）レーザーによる局所加熱がCa非依存性の心筋細胞の収縮を引き起こすという新しい現象を発見している（BBRC 2012）。最近、申請者らは、熱源を心筋細胞内のμm領域に集中させ、“任意の単一サルコメア”を収縮させることに成功した。H28年度はこれを応用し、筋原線維・筋線維、心筋細胞を用い、in vivo心筋収縮を熱で制御する実験（下参照）に向けて、基本的な細胞内分子情報を得る。
（Ⅲ）In vivoマウス実験 ～その１～：H27年度に構築した手法を代表的な心疾患の動物モデルに応用する。先ず、制御タンパク質であるトロポニンTに変異を有する拡張型心筋症マウスを用いて、ナノイメージングを行う。サルコメアの挙動のみならず、Caなどの細胞内情報を詳細に調べ、突然死の原因をin vivoで、かつ子論的に明らかにする。次に、同じくトロポニンTに変異を有する肥大型心筋症のモデルマウスを用いて同様の研究を行う。In vivo興奮収縮連関にどのような変化が見られるのかを解析する。
（Ⅳ）In vivoマウス実験 ～その２～：IRレーザーを用い、in vivoマウス心臓の各部位において加熱収縮を惹起させる。心筋細胞内のサルコメア動態に加え、心臓全体のマクロパラメーター（心電図や心臓内圧）の変化をリアルタイムに解析し、新たな心疾患治療デバイスとしての機能評価を行う。
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[Journal Article] Nano-imaging of the beating mouse heart in vivo: Importance of sarcomere dynamics, as opposed to sarcomere length per se, in the regulation of cardiac function2016
Author(s)
Kobirumaki-Shimozawa F, Oyama K, Shimozawa T, Mizuno A, Ohki T, Terui T, Minamisawa S, Ishiwata S, Fukuda N
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Journal Title
J Gen Physiol
Volume: 147
Pages: 53-62
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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