2021 Fiscal Year Research-status Report
Neural and Humoral Regulation of Circulatory and Metabolc Systems during exercise
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20K20622
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| Research Institution | Osaka Sangyo University |
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Principal Investigator |
宮本 忠吉 大阪産業大学, スポーツ健康学部, 教授 (40294136)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遠山 岳詩 九州大学, 大学病院, 医員 (00828197)
川田 徹 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 室長 (30243752)
杉町 勝 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 非常勤研究員 (40250261)
朔 啓太 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 室長 (40567385)
上田 真也 岐阜大学, 教育学部, 准教授 (40616926)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | システム定量解析 / 13C グルコース安定同位体 / 小動物 / エネルギー代謝 / 糖質代謝 / 呼吸 / 循環 / 運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はシステム生理学的研究手法を用いて、運動ストレスに対する骨格筋・末梢循環及び糖代謝の神経性・体液性調節メカニズムの解明に取り組んだ。2021年度は、我々が先行研究にて開発した小動物実験モデルを用いて運動時の骨格筋末梢循環及び糖代謝の神経性・体液性調節メカニズムの解明に取り組んだ。
8週齢のオスSDラット(n=12)を対象に、αクロラロース及びウレタンを腹腔内投与し、麻酔人工呼吸下で坐骨神経遠心路にbipolar電極を装着しプログラム通電刺激を用いた運動負荷実験を行った。呼気流量をbreath-by-breath法にて連続測定し、呼気ガス濃度は質量分析計を用いた。電気刺激の強度は5Hzの周波数にて0.5V（低強度）、3.0V（高強度）の2段階を実施した。通電刺激の時間は24分間とした。心拍数はテレメータ心電図計を用いて、血圧は圧力センサーを用いて1拍毎に連続モニターし測定した。糖質の代謝動態を定量評価するために、13C 安定同位体を標識したグルコースを動脈及び静脈へ投与し，呼気より排出されるCO2 から経口投与した基質の酸化量を求めた。安静状態にて、大腿静脈から低濃度及び高濃度の13C-グルコース液を投与した結果、濃度に依存して13C-グルコース代謝が亢進した。低強度および高強度運動刺激時の心拍数、血圧及び酸素摂取量もまた先行研究同様強度依存性に増加、13C-グルコース液投与後は，速やかに13C-グルコースの代謝が亢進し，その代謝増加率は高強度運動が低強度運動に比べて，有意に高値を示した．この次の実験の段階として測定予定であった、頸動脈洞への圧入力条件を用いた実験システムのセットアップに必要な機器や薬剤の調達が、新型コロナウイルス感染症拡大によって滞り、実験の実施、進行において困難を極め、当初予定していた段階までの実験が思うようにできなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年度は、我々が先行研究にて開発した小動物実験モデルを用いて運動時の骨格筋末梢循環及び糖代謝の神経性・体液性調節メカニズムの解明に取り組んだ。8週齢のオスSDラット(n=12)を対象に、αクロラロース及びウレタンを腹腔内投与し、麻酔人工呼吸下で坐骨神経遠心路にbipolar電極を装着しプログラム通電刺激を用いた運動負荷実験を行った。呼気流量をbreath-by-breath法にて連続測定し、呼気ガス濃度は質量分析計（ARCO-2000, ARCO社, 千葉）を用いた。電気刺激の強度は5Hzの周波数にて0.5V（低強度）、3.0V（高強度）の2段階を実施した。通電刺激の時間は24分間とした。心拍数はテレメータ心電図計を用いて、血圧は圧力センサーを用いて1拍毎に連続モニターし測定した。糖質の代謝動態を定量評価するために、13C 安定同位体を標識したグルコース（100mg）を動脈もしくは静脈へ投与し，呼気より排出されるCO2 から経口投与した基質の酸化量を求めた。安静状態にて、大腿静脈から低濃度及び高濃度の13C-グルコース液を投与し、濃度依存性に13C-グルコース代謝が亢進する現象を確認した。低強度および高強度運動刺激時の心拍数、血圧及び酸素摂取量も先行研究で得られた結果と同様、強度依存性に増加することを確認した。13C-グルコース液投与後，速やかに13C-グルコースの代謝が亢進し，13C-グルコースの代謝量は高強度運動が低強度運動に比べて，有意に高値を示した．新型コロナウイルス感染症拡大によって、当初の計画にあった本実験モデルを用いた実施回数が制限され、採血実験を思ったように進めることができなかった。必要な実験機材の業者からの搬入や、薬剤の調達等も滞り、動物実験の継続的な実施が困難を極め、当初予定していた段階までの実験が思うようにできなかったためである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、昨年度までの動物実験モデルをベースに13C-グルコースの代謝量測定を行いつつ、交感神経活動のコントロール下にて同様の実験を実施する。すなわち、頚動脈洞を体循環から分離する手術を施した後、循環調節系（圧受容器反射）の外部コントロール制御（開ループ解析）する方法を用いる。昨年度準備を進める予定であった、外部コマンドによる動脈圧制御が可能な吐出量制御ポンプシステムを早急に設置する。実験のアプローチは頚動脈洞内圧を変化させ、腎臓交感神経活動及び体血圧を変化させる。これにより、頸動脈洞への段階的（60mmHg、100mmHg、160 mmHg）な圧入力操作を用いて神経性・体液性調節メカニズム(出力)が運動時の骨格筋血流調節及び糖代謝調節のダイナミクスに及ぼす影響を明らかにする。実験が予定よりも遅れているため、急ピッチで実験を前に進める。また、初年度のヒトを対象に行った実験で追加実験や検証が必要と思われる実験も同時に進めていく。「生命の恒常性維持機構の解明研究」をさらに突き詰めるために必要不可欠な、末梢循環、代謝系を含む、生体の統合的な呼吸循環代謝システムの連関機構が説明できるヒト、及び小動物実験モデルの開発に取り組む。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた主な理由は、予定していた国内、国際学会がすべてオンラインで行われたことや、コロナ禍で、夏季期間に予定していた動物実験の実施回数も少なかったなどが主たる理由である。
最終年度は、夏季期間に動物実験の遅れを取り戻すことと、あわせて、1年目のヒトを対象とした研究にて得られた成果にもとづくメカニズムの再検証に必要な追加実験を実施する。そのため自転車エルゴメータ1台の購入とワイヤレス筋電計および、心臓エコ―の画像キャプチャに必要なデバイスを購入する予定である。さらに、実験データを用いて、統計や数理モデルを構築するため、それに必要なソフトウェアーの購入に予算を充てる予定である。
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