2020 Fiscal Year Annual Research Report
Measuring the mechanics of cardiomyocyte beating with feedback control using MEMS sensors and actuators
| Project/Area Number |
18H03759
|
|---|
| Research Institution | Toyama Prefectural University |
|---|
Principal Investigator |
下山 勲 富山県立大学, 工学部, その他 (60154332)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | MEMSセンサ / 心筋細胞 / フィードバック制御 / 拍動力学 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、心筋細胞外部の境界条件として、外部弾性率を時間変化も許して計測対象となる心筋細胞に与えながら、心筋細胞の力と長さの関係（Force-Length-Relation；FLR）を計測する。境界条件として弾性率を与える方法は、心筋細胞の力と変形量を計測しながら、外部弾性率に対応する力と変位になるようリアルタイムでフィードバック制御する。計測の結果として生理的条件下での心筋細胞の拍動をFLRダイアグラム上の軌跡として表現し、それが、外部弾性率＝負荷の強さとどのような相関関係にあるかを正確に解析する。
これらの目的を果たすため、令和元年度までに、心筋細胞の伸縮量と収縮力を同時に計測可能であり、心筋細胞に強制的な伸展刺激を与えることのできるセンサシステムを構築した。動物の心臓は温度とともに拍動力や拍動周期が変化することが知られており、心筋細胞の拍動を調べる際にも周囲の環境パラメータをどのように設定するかが重要な要素となる。そこで令和2年度は、心筋細胞の拍動力学的ふるまいが温度などの環境パラメータによってどのように変化するかを調べた。環境温度を20～40℃の範囲で変化させ、心筋細胞の拍動力を計測したところ、拍動力・拍動周波数ともに温度とともに増大することがわかった。また、30℃前後で拍動が不規則になる現象が見られた。心筋細胞レベルの拍動力を直接計測し、その温度依存性を議論した研究はほとんどなく、貴重なデータが得られたものと考えている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
MEMS力センサを応用して心筋細胞の前負荷に対する応答を解析するという本研究の目的に対し、計測に必要なハードウェアを前年度までに確立することができた。これを受け、本年度は外部環境に応じて心筋細胞の力学的応答がどのように変化するかを詳細に調べた。ヒトの心筋細胞を実験に用いることは現実的に難しいため、実際にはiPS細胞由来の心筋細胞を利用しているが、両者の生理的機能がどこまで共通しているかには常に疑問が生じる。そこで、周囲の温度などの環境条件を変化させながらiPS細胞由来の心筋細胞の拍動がどのように変化するかを詳細に調べ、臓器としての心臓の応答と比べてどのような点が共通しており、どこが異なるのかを分析した。
心筋細胞を培養する基板は心筋細胞の拍動に応じて変位できるように設計されている。具体的には、基板が10 uｍ×10 uｍ×1.1 mmという細長いシリコンの梁2本で支持されており、心筋細胞が拍動すると梁が変形して基板が変位する。さらに、基板はMEMS力センサと接するように配置されており、基板が変位するとセンサによって力や変位量が測定できるようになっている。
培地の温度を20℃から40℃まで変化させて、心筋細胞の拍動を測定したところ、温度とともに拍動が単調に速くなることがわかった。拍動の周波数（拍動周期の逆数）は温度と線形な関係にあり、約20℃でゼロになる。このことは哺乳類の心臓のはたらきに共通している。一方、拍動力が温度とともに強くなることも概ね期待される結果であったが、心臓に見られる低温での拍動力強化がiPS由来心筋細胞には見られなかった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、心筋細胞の前負荷に対する応答を解析するためのハードウェアを確立し、計測データを用いて前負荷をフィードバック制御するためのソフトウェアも開発した。これらを用いて、心筋細胞に等尺収縮をさせることに成功した。また、心筋細胞の力学的応答が前負荷や環境温度に応じてどのように変化するかを詳細に調べることで、臓器としての心臓とiPS由来心筋細胞の共通点と相違点についても一定の知見が得られた。
今後の研究では、上記フィードバック制御を高度化して、等尺収縮以外の制御も行えるようにする。これによって、実際の心臓を構成する心筋細胞と同様に、力と長さがともに増大していく過程（血液流入過程）や力が一定のまま長さが短くなる等張過程（血液流出過程）が実現できるようにする。このように、心臓に近い力学的過程の中で、前負荷に対する応答を調べることによって、心臓のフランク・スターリング則が細胞レベルで成立するかどうかを確認する。私たちは、成立するかしないかという単純なものではないと予想しており、その場合にはどの程度成立するのか、あるいはどの側面（要素）は成立するのかといった定量的・分析的な結果をできるかぎり提示したいと考えている。
また、今年度の進捗の中で心筋細胞の応答の温度依存性を調べることによって、低温での拍動力が心臓とは異なる傾向を示すこと、30℃前後で不規則な拍動が現れることなど、新たな知見が得られた。これらの現象がどのようなメカニズムで発生するのか、心臓の機能においてどのような意味をもつのか、といった疑問にも答えたい。そのため、フランク・スターリング則を確認するための計測も、温度などの環境要素を変えながら実施し、より多角的な分析を進めるようにする。
|
