A multiscale model of the vascular system based on cell physiology and biophysics

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K00412
• Research Institution: Aichi Prefectural University
• Principal Investigator: 神山 斉己 愛知県立大学, 情報科学部, 教授 (70233963)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 血管内皮細胞 / 血流動態モデル / 反応性充血 / シミュレーション / FMD / RH-PAT

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おり、これを評価する方法として、FMD検査やRH-PAT検査がある。FMD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。RH-PAT検査は、片側上腕部の駆血による指尖容積変化を両指で計測し、その増加率に基づいて評価するものである。
本研究では、血管内皮細胞や平滑筋細胞の生理学的特性を含め、血流動態を再現する数理モデルを構築し、FMDやRH-PATに関わる一連の反応の再現に取り組んできた。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きた。本年度は、これまで簡略化してきた末梢動脈を導入し、指尖容積脈波を含めたシミュレーション解析が可能なモデルへと拡張した。すなわち、従来モデルの橈骨動脈セグメントに約23万個のセグメントから構成される末梢動脈モデルを接続し、血流動態モデルを構築した。安静時の血流動態の計測及びシミュレーションを行ったところ、各動脈における血圧の変化特性、指尖容積脈波について、計測データを再現していることを確認した。さらに、内皮機能検査時に末梢動脈のシミュレーション結果を評価するため、FMD検査とRH-PAT検査を同時に行い、計測データをモデルにフィードバックしデータ同化を行った。その結果、駆血解放後の指尖での血流増加も再現され、指標であるRHI値もほぼ一致することが確認された。これらの結果は、FMD検査、RH-PAT検査をモデル上で再現できることを意味している。従って、個人の計測データから数理モデルのパラメータを推定することで、動脈硬化を早期診断できる可能性が期待される。