2020 Fiscal Year Annual Research Report
Fundamental research on cardiac nanophysiology for clinical application
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20H03421
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| Research Institution | Jikei University School of Medicine |
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Principal Investigator |
福田 紀男 東京慈恵会医科大学, 医学部, 准教授 (30301534)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
照井 貴子 東京慈恵会医科大学, 医学部, 講師 (10366247)
小比類巻 生 東京慈恵会医科大学, 医学部, 助教 (40548905)
大山 廣太郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主任研究員(定常) (70632131)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 筋肉生理学 / 分子・細胞生理学 / 病態生理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目標は、心臓拍動を、微視的な分子・細胞レベルの力学特性・熱特性と関連付けて理解し、病態メカニズムの解明、ならびに新たな診断・治療法の基盤技術の開発に挑むことである。2020年度、1）力学特性、2）熱特性のいずれにおいても一定の成果を得た。
1）力学特性：申請者は、in vivoマウスの左心室において、心筋細胞内の一本の筋原線維の連続した約30個のサルコメアの動きを高空間（20 nm）・時間（100 fps）分解能で解析した。その結果、個々のサルコメアの動きにはヘテロ性が見られ、平均化すると安定した収縮・弛緩動態が出現することが分かった。そして、筋原線維全体（細胞）の動きと相関するサルコメアの数が多いほど左心室内圧が高いこと、すなわち、サルコメア動態の同調性が心筋の力発生に関与していることを見出した（論文投稿中）。また、単一サルコメアの動態解析を行い、個々のサルコメア間には内因性の力学的エネルギー配分機構が存在し、互いに相互作用しつつ協働して心臓拍動を創り出していることを明らかにした。
2）熱特性：申請者は、温度によって明るさが変わる蛍光色素と、温度に明るさが依存しない蛍光色素の2種類の蛍光色素を混合した高分子溶液を細胞培養用ディッシュの上にスピンコートし、新たな温度感受性蛍光シート（厚さ：約50 nm）を開発した。この蛍光温度計シートはpHやイオン強度に影響されず、温度だけに応答する理想的な蛍光特性を有していた。このシート上に心筋細胞のみならず、神経細胞やがん細胞を培養し、温度計測・温度イメージングを行った。その結果、様々な細胞において、活動時、細胞内局所における発熱源（ATPase）のごく周辺において温度上昇が見られるが、細胞全体の温度が１℃オーダーで上昇することはないことを明らかにした（J Gen Physiol 2020）。
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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
国内外を問わず、多くの心臓研究は依然として「生物学」に基づいて行われている。そのため、心筋細胞内における分子パラメーターが普遍化・体系化されていない。また、心臓の「階層性」を考慮せず、細胞や組織で得られた知見をそのまま個体に当てはめて考察している研究が大半を占める。2020年度の研究において申請者は、in vivoマウス左心室の心筋細胞内のサルコメア動態を高速高精度で観察し、1）サルコメア動態にヘテロ性が存在すること、2）筋原線維を通して個々のサルコメアにわたる内因性の力学的エネルギー配分機構が存在すること、3）2）によってサルコメア動態が平滑化され、結果として安定した収縮・弛緩波形が出現することを明らかにした。これは、心臓拍動を例とし、生理学が目指す「分子論に基づく個体の統合機能の解明」を具現化するものであり、心臓生理学における画期的な知見であると確信する。
申請者は、恒温動物の「体温」は、心臓が有効に機能する上で必須の役割を果たしていることを報告している（J Gen Physiol 2019; Front Physiol 2021）。2020年度、温度変化のみに反応する理想的な感受性蛍光シートの開発に成功し、心筋細胞のみならず、神経細胞やがん細胞を培養した。その結果、細胞内の発熱源（ATPase分子）のごく近傍において温度上昇が見られるが、ATPase分子の大きさは細胞に比べてごく小さいため、細胞全体の温度が１℃オーダーで上昇することはないことを明らかにした。この結果は、細胞全体ではなく、細胞内局所レベルにおいて、ATPase活動の際に発生した熱が活用されていることを示唆している。この成果は、Journal of General Physiology誌の表紙を飾るとともに、雑誌のコメンタリーに取り上げられた。
以上より、「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度、以下の二つの研究を行う。
1）申請者は、マウスin vivo心筋細胞内局所のCa動態を高速画像化する技術を開発している（Prog Biophys Mol Biol 2017）。2021年度、in vivo心臓の様々な部位での心筋細胞内局所Ca濃度と心筋細胞の膜電位を計測する。Ca濃度の測定にはCal520を、膜電位の測定にはdi-4-ANEPPS（もしくはdi-8-ANEPPS）を用いる。また申請者は、Ca濃度依存的に蛍光強度を変化させるFRET型Caセンサー（YC-Nano140）を心筋細胞のZ線に発現させ、細胞内Ca濃度上昇とサルコメア長の変化を単一サルコメアのレベルで高精度同時計測することに成功している（J Gen Physiol 2016）。これをin vivo心臓に適用し、心臓各部位における「単一サルコメア興奮収縮連関」を系統的に解析する。なお、申請者の顕微システムには2光路系が組み込んであり、二つの蛍光波長を同時に観測することが可能である。
2）In vivo心筋ナノイメージングを病態解析に応用する。【拡張型心筋症】：研究協力者の森本幸夫（国際医療福祉大学）は、ヒトにおいて多発する心筋トロポニンT遺伝子ΔK210ノックインマウスを作出した。本研究では、in vivo興奮収縮連関、すなわち、サルコメアの収縮性・サルコメア間同調性の他、心筋細胞の膜電位や細胞内局所Ca濃度を調べ、拡張型心筋症において多発する心室細動の発生機序を分子論的に明らかにする。【肥大型心筋症】：森本は最近、心筋トロポニンT遺伝子ΔE160トランスジェニックマウスと同遺伝子S179Fノックインマウスを作出することに成功している。これらの変異も、ヒトにおいて多発する。本研究では、これらのマウスにおける「in vivo興奮収縮連関」を詳細に調べ、心室細動の発生機序を分子論的に明らかにする。
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Research Products
(3 results)
