2019 Fiscal Year Annual Research Report
難治性不整脈の病態解明・診断・治療における位相分散解析に基づく戦略的制御技術開発
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18H04161
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐久間 一郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50178597)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本荘 晴朗 名古屋大学, 環境医学研究所, 准教授 (70262912) [Withdrawn]
中沢 一雄 森ノ宮医療大学, 保健医療学部, 教授 (50198058)
芦原 貴司 滋賀医科大学, 情報総合センター, 教授 (80396259)
山崎 正俊 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (30627328)
富井 直輝 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 助教 (00803602)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生体制御・治療 / 心房細動 / カテーテルアブレーション / スクロール / 光学マッピング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
心筋細胞の電気生理学的特性や解剖学的特徴によって規定される興奮波面の破綻によって渦巻き型旋回興奮波（スパイラル・リエントリー：SW）が形成され、心房細動や心室細
動などの重篤な不整脈を発生させることが報告されている。近年、心臓の複雑な興奮を蛍光シグナルとして観察する光学マッピングの技術が進み、生体心におけるSWの可視化に成功している。しかし、動物実験においてもSW制御は困難を極め、未だ確立された手法は存在しない。本研究では、我々が一貫して取り組んできた光学マッピング・3次元シミュレーション研究の結果たどり着いた画期的なSW制御手法の開発につながる位相分散解析技術を発展させ、臨床応用するための技術基盤を構築することを目標とする。加速する高齢化とストレス社会の中で、爆発的に増加する心房細動患者や致死性心室性不整脈による心臓突然死を大幅に減らすことに貢献できると確信している。具体的には当該年度で①-②を実施した。
①局所電位情報の集合である電極マッピング情報から心臓電気現象の時空間的な位相情報を抽出するために電極・光学の同時マッピング装置を作成した。同装置を用いてウサギ心室頻拍/細動を駆動するSWの動態を観察した。多電極マッピングシステムは、時空間的に安定したSW検出に優れるが、複雑な挙動を示すSW検出と追跡に難があることを国際学会誌であるCirc J 2020に報告した。
②今年度の実験成果で、「SW存在領域・通過経路を適切に遮断ないし修飾することで重篤な不整脈（心房細動・心室細動）を治療することが可能か？」という問いに対する一つの回答を得ることが出来た。SWの存在領域から解剖学的障壁に向かって空間的電気生理学的勾配を形成（局所冷却を用いて）することでSWを解剖学的障壁に誘導しその停止を促す作用があることを国際誌であるJMBE2020に報告した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
①ウサギ心室における光学・多電極同時マッピングシステムの構築と2次元心室頻拍/細動モデルでの評価：光学と電極の同時マッピングを実施するには、光学マッピングの視野を遮ることのない多電極マッピングシステムの作成が必須である。我々は上記の問題を解決するために、心表面に20局の極小電極を配置することが可能なtissue bathを自作し、ウサギ2次元心室頻拍/細動(VT/VF)モデルで誘発したVT/VF中の興奮様式を観察した。20局の極小電極から得られた電極信号はExTRa Mapping（臨床で使用される多電極から得られたデータから興奮様式を表示するシステム）の解析ソフトを使用して興奮様式を描出した。多電極マッピングシステムでは、時空間的に安定したSW検出に優れるが、複雑な挙動を示すSW検出と追跡に難があることをあきらかにした。既に、これらの結果を国際学術誌であるCirc J2020に報告した。予定を上回る進捗状況で有り、翌年度以降に予定していたブタ圧負荷心房細動モデルを用いた光学・電極同時記録の予備実験を前倒しで開始している。
②心房細動・心室細動に対する革新的な治療法開発に向けた取り組みとして実施している「局所冷却によるSW修飾実験」の進捗状況だが、予定を上回る成果が得られている。局所冷却と細動停止に関するこれらの成果を国際学会誌であるJMBE2020に報告した。翌年度以降に予定していた心房細動治療に対する高周波通電焼灼領域最適化に向けた新規実験システムを構築するために高周波通電装置を購入した。既に予備実験を実施し、実験システム構築を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
多電極マッピングシステムを用いた心房細動・心室細動の興奮様式同定の試みは、光学・電極同時マッピングシステム構築が順調であることから予想以上に進展している。今年度から渦巻き型旋回興奮波（SW）の停止を目標として、我々が掲げる「SWの存在領域・通過経路を適切に遮断もしくは修飾することが心房細動・心室細動を停止させる」という仮説の検証実験（大型動物）を実施していくことを研究のメインとする。
①申請者らは、独自に開発した解析システム（位相分散解析）を用いて、心筋組織内局所での位相のばらつきを示す位相分散という全く新しい指標を提案した。前記を用いることで、「さまよい運動する複雑なSWの追跡が可能であること（Tomii et al.
IEEE Trans.2015）」、「SWがさまよい運動をする領域と、位相分散が高い領域の間に相関性があること」等を報告している。位相分散値が高値の領域を描出することで、より有効な高周波通電焼灼領域の決定が可能になると考えている。
②更に、心房細動・心室細動を駆動するSWを停止に導く低侵襲治療法を報告（Seno et al. JMBE2020）している。同理論と位相分散解析の結果を応用し臨床応用可能な治療法を確立することを目指し、心筋局所冷却その他(高周波通電)の手法を用いた細動停止装置の試作機作成も同時に進めていく。
③当年度は大型動物であるブタ圧負荷心房細動モデルを使用した我々の仮説検証実験をメインと考えていたが、昨今の社会情勢を踏まえ動物実験は当年度後半に予定していく。我々の研究ももう一本の柱であるコンピュータシミュレーションを用いた複雑な解剖学的構造物を有する心房・心室モデルの構築に関する研究の進展を加速させる。
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