2018 Fiscal Year Research-status Report
A multiscale model of the vascular system based on cell physiology and biophysics
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17K00412
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| Research Institution | Aichi Prefectural University |
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Principal Investigator |
神山 斉己 愛知県立大学, 情報科学部, 教授 (70233963)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 血管 / 血管内皮細胞 / FMD / 数理モデル / シミュレーション解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
血管内皮細胞は循環系の恒常性維持に重要な役割を果たし、動脈硬化症の初期段階でその血流調整機能が低下することが知られている。FMD(Flow-Mediated Dilation)検査は、前腕部の駆血操作による反応性充血に起因する血管壁の拡張反応(FMD反応)を計測し、拡張度合いから内皮機能を評価するものである。FMD反応は血流刺激であるずり応力が内皮細胞を機械的に刺激し、血管拡張物質NOが産生され、中膜を構成する平滑筋細胞に作用することで引き起こされる。しかし、NO等を直接測定することに困難があり、一連の反応の詳細は、信号伝達経路の複雑さから不明な点も多い。一方、FMD検査は、血流速度や血管径を経時的に観測していることから、血管径の拡張度合いに留まらず多くの情報を含んでいると考えられる。
本研究では、血管内皮細胞と平滑筋細胞の統合モデルを構築し、ずり応力から血管径までFMDの一連の反応の再現に取り組んでいる。これまで、内皮NO産生の生理学的メカニズムを詳細に記述した数理モデルの構築に成功した。このモデルは、広範囲なずり応力に対する細胞内の生理物質動態についてシミュレーションが可能である。平滑筋細胞モデルでは、内皮細胞で産生されたNOに対する4つの経路、血管壁応力モデルでは血管径や血管内血圧等の情報が組み込まれている。これらのモデルを統合することで、ずり応力による細胞膜変形量や血管径変化のようなマクロスケールと細胞内イオン動態のようなミクロスケールを組み合わせたマルチスケールなシミュレーション解析が行える新しいモデルが開発された。マルチスケールモデルのシミュレーション結果の妥当性は、FMD検査時の観測データと比較することで確認した。今後、このモデルを用いることで、内皮細胞と平滑筋細胞がFMDに及ぼす影響の解析や個々の生理反応の可視化などを進める予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、血管機能を解析するための技術開発を行うため、血管系について精密な数理モデルの開発とその評価を進めている。平成30年度は、前年度に引き続きマルチスケールモデルの開発を進め、その妥当性について、実験データに基づいた評価を行うことができた。FMD検査をはじめとする実験環境や数理モデル開発環境の整備も順調であり、研究は順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
血管系の数理モデリングを進めるためには、血管皮細胞に存在する血流センシングの仕組みをはじめ、血管皮細胞及び血管平滑筋細胞の細胞内情報伝達や細胞膜イオンチャネルの生理機構のモデル化が必要である。今後もこれら細胞の詳細な数理モデルの開発を進めていく。
モデルの妥当性検証やパラメータ推定を行うため、培養細胞を用いた生理実験も進めていく。また、ヒトを対象としたFMD計測や血流計測等の非侵襲的な計測と細胞レベルの特性を結びつけ、計測データから生理・物理特性を数理的に推定するための新しい解析手法の開発も進めていく。
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| Causes of Carryover |
細胞を利用した実験補助のため、学生アルバイトを雇用予定であったが、研究代表者の実験計画と学生アルバイトの学事日程で調整がつかなかったため、研究代表者が必要な作業を一人でやるような計画への変更で対応した。次年度使用額は実験補助と消耗品補充にあてる予定である。
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