2019 Fiscal Year Research-status Report
培養HL-1心筋細胞とその数理モデルを用いた心筋システム制御理論の構築と実証
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19K07290
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| Research Institution | Kanazawa Medical University |
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Principal Investigator |
倉田 康孝 金沢医科大学, 医学部, 教授 (00267725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
九田 裕一 金沢医科大学, 医学部, 講師 (50566916)
津元 国親 金沢医科大学, 医学部, 准教授 (70353331)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | システム生理学 / 非線形力学 / 分岐理論 / 生物・生体工学 / 生物物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、培養HL-1マウス心筋細胞の実験系とその電気生理学的特性を記述する数理モデルを用い、非線形システムである心筋細胞・組織の電気現象を理論的解析データに基づいて合理的に制御できることを証明することである。初年度（2019年度）は、培養HL-1心筋細胞・組織の膜電位（活動電位）、興奮伝播、細胞内Caイオン濃度の測定・解析が可能なパッチクランプおよび蛍光測光の実験システムを確立し、イオンチャネル修飾薬（Kチャネルブロッカーなど）投与およびイオンチャネル遺伝子発現制御により、異常自動能（脱分極誘発自動能・早期後脱分極）、興奮伝播異常（リエントリー性不整脈）を再現できる実験システムであることを証明した。また、HL-1マウス心筋細胞の数理モデルを作成し、実験結果との整合性を解析した結果、Kチャネル電流抑制による脱分極誘発自動能、早期後脱分極を再現できることが証明され、その発生条件をコンピュータシミュレーションにて明らかにすることができた。さらに、2020-2021年度に予定している細胞モデルの分岐制御解析（異常自動能の発現制御解析）に用いる細胞モデル分岐構造の解析システム（MALTABプログラム）も構築した。
興奮伝播異常の解析については、蛍光測光システムによる実験的解析を進めており、イオンチャネル修飾薬による興奮伝播異常の誘発と抑制が可能であることを証明した。また、組織モデルの構築も進めており、興奮伝播異常の理論的解析も可能にした。
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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
初年度（2019年度）の到達目標は、（１）培養HL-1心筋細胞・組織の活動電位、興奮伝播、細胞内Caイオン濃度の測定・解析が可能な実験システムを確立し、イオンチャネル修飾およびイオンチャネル遺伝子発現制御による異常自動能、興奮伝播異常の誘発が可能であることを証明すること、（２）HL-1マウス心筋細胞・組織の数理モデルを作成して、Kチャネル電流抑制による異常自動能、興奮伝播異常を再現できることを証明し、その発生条件・機序をコンピュータ・シミュレーションにて明らかにすることであった。
研究実績の概要に記載した通り、培養HL-1心筋細胞・組織の活動電位・興奮伝播、細胞内Caイオン濃度の測定・解析が可能で異常自動能・興奮伝播異常を再現できる実験システムの構築、異常自動能を再現できるHL-1マウス心筋細胞の数理モデルの構築、異常自動能の発生条件・機序のコンピュータ・シミュレーションによる解明、組織レベルでの興奮伝播異常の誘発・抑制が可能であることの証明など、当初の到達目標を概ね達成している。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に必要な実験系（異常自動能・興奮伝播異常を誘発・制御できる実験系）を確立し、異常自動能・興奮伝播異常の再現と分岐現象の解析が可能な細胞・組織モデルを構築することができた。2020-2021度にはこれらの実験系と理論的解析システムをフル活用し、実験結果とシミュレーション結果の整合性を検証するとともに、異常自動能・興奮伝播異常の発現条件・機序をさらに精密に解析し、その発現制御方法を解析する予定である。今後は蛍光測定装置などの実験系を改良してより精密な解析を可能にするとともに、数理モデルの実験的検証に基づく改良、モデル細胞の分岐解析による異常自動能のパラメータ依存性に関するより体系的な解析などを進めていく予定である。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症拡大により、第97回日本生理学会大会（2020年3月、大分）が中止（誌上発表のみ）となり、予定していた旅費が不要となった。残額は2020年度に実験設備拡充のために使用する。
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