Development of Mathematical Model of hiPSC-CMs for Drug Discovery and Analysis of Genetic Diseases

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K17560
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 53020:Cardiology-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Kohjitani Hirohiko 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (90823013)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: コンピュータ・シミュレーション / 数理モデル / hiPSC-CMs / イオンチャネル / 数理最適化 / 機械学習

Outline of Final Research Achievements

This research project achieved the development of a simulation model that reproduces action potential waveforms (APs) in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). By adjusting the ionic conductance (Gx), cell-specific models were constructed to generate APs that overlap with actual recorded data. A pattern search optimization method was employed, and by decreasing the mean square error (MSE), it was confirmed that the population of Gx values converged to the vicinity of the correct values for the cell-specific models.
We successfully constructed precise simulation models by optimizing parameters in electrophysiological biological simulation models, thereby contributing to groundbreaking advancements in the understanding and application of cellular electrophysiology and cardiac electrical phenomena.

Free Research Field

循環器内科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の学術的意義は、hiPSC-CMsの活動電位波形を再現する精密なシミュレーションモデルの開発に成功し、またこれまで困難とされていた電気生理学的生体シミュレーションモデルのパラメータ最適化による精密なシミュレーションモデルの実現可能性を示した点と考える。本モデル・手法を用いて創薬研究や個別化された治療法の開発が促進されることで、より効果的で安全な治療法の実現が可能となり、心臓病の診断や治療における新たなアプローチの提供が可能になること、心臓病による死亡率の低下や医療費の削減につながることが期待される点が社会的意義であると考えられる。