2019 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 / 数理モデル / シミュレーション / 反応性充血 |
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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ている。動脈硬化症の初期段階においては、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手法である。FMD反応は血流に伴う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等の細胞内物質を直接測定することに困難があり、一連の反応の詳細は不明な点も多い。一方、FMD検査は、血流速度や血管径を経時的に観測するものであることから、血管径の拡張度合いだけなく、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。また、全身の血管系のシミュレーション解析を行うため、血管の流体力学的特性に基づいた1次元血流動態モデルの開発も進めている。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。その結果、FMD検査時の動脈系の特性変化が血流、血圧波形に及ぼす影響を解析することが可能になった。そこで、モデルによる生体内パラメータ推定の妥当性を評価したところ、モデルによって推定された末梢抵抗が予想された変化をすることが実験的に検証された。また、1次元血流動態モデルのシミュレーション解析によって、血管の狭窄部位を推定し得ることもわかった。こうした結果は、細胞内イオン動態メカニズムに基づいたミクロスケールなモデルと全身レベルのマクロスケールなモデルの統合によって、FMD等の観測データから、局所的、細胞レベルの特性変化を明らかとし得ることを示唆するものである。
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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。令和元年度は、前年度に引き続きマルチスケールモデルの開発を進めた。また、FMDをはじめ、動脈硬化指標CAVIの計測データについても分析を進めることができた。血管内皮細胞の細胞内イオン動態に関する数理モデル開発とシミュレーションも進めることができており、研究はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
血管動態の数理モデル化には、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でのイオン拡散などを含めた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とシミュレーション技術の確立を進めていく。
モデルの妥当性検証やパラメータ推定を行うための生理実験も進めていく。また、FMD計測や血流計測等の非侵襲的な計測によって得られるマクロなデータと、細胞レベルのミクロな特性を結びつけ、マクロな計測データからミクロな生理・物理特性を推定し、疾病に関わるメカニズム解明につながる新しい解析手法の開発も進めていく。
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| Causes of Carryover |
年度末に予定していた学会、研究会への出張参加が社会情勢により困難になったため、未使用額が生じた。次年度使用額は研究補助と消耗品補充にあてる予定である。
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Research Products
(2 results)
