2018 Fiscal Year Annual Research Report
心臓原始形態モデルを用いた循環器システムの開発とエネルギー変換機構のモデル化
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18H01338
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
東藤 貢 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (80274538)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生体力学 / 心筋細胞 / エネルギー変換 / 細胞工学 / 数値解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の第一の目的は、iPS細胞由来心筋細胞（以下iPS心筋細胞）を用いて作製した細胞シートと、生体適合性ポリマーを用いて作製した足場構造とを組み合わせて、1心房、1心室および弁から構成される基本的な原始心臓モデルを開発することである。次に生体内の循環器を模擬した実験システムを構築し、細胞内で生成された化学エネルギーが心臓モデルの拍動および流体の循環という機械的エネルギーへと変換されるエネルギー変換機構を実験的に評価するとともに、理論モデルを用いてその詳細について理解することである。研究の初年度である2018年度では、心臓モデル構築のための基礎研究として、iPS心筋細胞の集合体の開発と、その拍動挙動の確認および定量的評価を行った。また、動的有限要素法と心筋モデルを組み合わせたシミュレーション法を用いて、心筋組織モデルの拍動解析を試みた。得られた研究成果は以下の通りである。
(1) 心筋細胞の集合体としてスフェロイドを作製し、自律的に拍動する心筋集合体の作製に成功した。
(2) 本年度の研究費で導入した高速撮影装置と画像解析装置を組み合わせることで、動的心筋拍動解析システムの構築を行い、本システムを応用して、心筋細胞集合体の拍動挙動の定量的評価に成功した。さらに、心筋細胞の拍動メカニズムにおいて重要な役割を担うカルシウムイオンを定量的に評価するために、特殊な遺伝子を導入したiPS心筋細胞を用いて作製した集合体の実験から、拍動にともなうカルシウムイオン変動の定量的評価に成功した。
(2) 球状の心筋数値モデルを作成し、心筋モデルを組み込んだ動的有限要素法を行った結果、自律的な収縮挙動の再現に成功した。
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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
iPS細胞由来心筋細胞を用いて、その集合体を作製することで、自律的に拍動する心筋組織様集合体を作製する技術を確立することができた。さらに、本研究課題の研究費で導入した高速撮影装置と画像解析技術を用いることで、心筋組織の拍動挙動を定量的に測定する動的心筋拍動解析システムを構築することができた。また、動的有限要素法とサルコメア力学に基づく心筋モデルを組み合わせたシミュレーション法を用いることで、球状心筋モデルが自律的に圧縮変形する挙動を再現することができた。これらの成果は、本研究課題の最終目標を達成するために必要不可欠な要素であり、初年度にこれらの成果を得られたことから、本研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目の最大の目標は、iPS細胞由来心筋細胞と、生体適合性ポリマーを用いて作製した原始心臓形態の構造を模擬した足場構造体を複合化させることで、自律的に拍動する原始心臓様構造体を開発することである。そのための第一段階として、ポリマーを用いて球状あるいは円筒状の3次元構造体を作製する。次に、iPS細胞由来心筋細胞に細胞シート工学の技術を応用して心筋細胞シートを作製し、足場構造体を組み合わせることで、拍動する3次元構造体の作製を試みる予定である。また、初年度に構築した動的心筋拍動解析システムを用いて、拍動挙動の定量的評価を試みる。一方、数値解析については、3次元中空心臓様モデルの作成と拍動挙動（収縮と弛緩）の再現を行う。さらに、実験から得られた結果とシミュレーション結果を比較検討し、数値解析で必要となる各パラメータを調整して、実験結果との整合性が保てるようなモデル開発を検討する。
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Research Products
(1 results)
