2021 Fiscal Year Research-status Report
Measurement of oxygen transport in 3 phases of capillaries, interstitium, and cytoplasm in skeletal muscle
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21K19703
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
狩野 豊 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (90293133)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 酸素ダイナミクス / 毛細血管 / 間質 / 筋細胞 / 筋収縮 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，骨格筋組織内での酸素の時空間的な動態（酸素ダイナミクス）を解明することを目的とした．具体的には，毛細血管から細胞間質へ酸素が拡散し，細胞内に取り込まれ，ミトコンドリアの酸化的な代謝に利用されるプロセスの定量化を目標としている．先行研究では，筋収縮活動中の(1)血管内→(2)間質→(3)細胞内の3ステップでの酸素ダイナミクスを評価する研究モデルが存在していない．そこで，本研究は，「3ステップでの酸素ダイナミクスを同時に評価する測定技術を開発し，各々のステップでの酸素ダイナミクスを制御する生体システムの解明」に挑戦する．
本年度は，血管内（ステップ1）と間質内（ステップ2）の酸素ダイナミクスの同時計測モデルの構築を目的とした．実験動物モデル（ラット）を用いて，血管内（Oxygen probe R2）と間質内（Oxygen probe G4)に光学特性が異なる2つのプローブを同時に導入した．R2およびG4プローブは，一度励起されるとそのりん光は酸素分子のみによって消光される．したがって，りん光の減衰率が毛細血管または間質における酸素分圧の直接的な指標となる．プローブを導入後，酸素分圧がそれぞれ独立して，同時に観察できることが確認された．このモデルを用いて，筋収縮時の酸素ダイナミクスの定量化を実施している．
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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
本年度は，2つの酸素プローブの特性を利用した血管と間質内の同時酸素分圧測定を試みた．Oxygen probe R2 (palladium-meso-tetra(4-carboxyphenyl)porphyrin dendrimer) は，R2の部分的に露出したPd-porphyrinコアにアルブミンが結合し，負の電荷を帯びることで血管内空間にとどまる．一方，Oxygen probe G4 (palladium-meso-tetra-(3,5dicarboxyphenyl)-tetrabenzo porphyrin dendrimer) は，単体でも水溶性が非常に高いため，アルブミン非存在下の間質における酸素分圧の測定に適している．R2は524 nmの励起光 (緑色光) を照射することで690 nmのリン光を発し ，G4は637 nmの励起光 (赤色光) を照射することで813 nmのリン光を発することが報告されている ．このように，R2，G4の光学特性が異なること，異なる対象部位にR2，G4プローブをそれぞれ灌流することで，血管内と間質内の酸素分圧の同時計測が可能となると考えた．測定の結果，ラット後肢（前頸骨筋）表層での酸素分圧は，血管内が22から24torr，間質内が19から21torr程度であった．本研究のモデルでは，血管壁を介した酸素分圧勾配（ステップ１から２）がわずかであることが示された．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，筋細胞内の酸素分圧も含めた3ステップ（血管内→間質→細胞内）の酸素ダイナミクスモデルの確立を試みる．近年，酸素プローブの合成に関する知見は蓄積されており，イリジウム錯体などを利用したin vivoイメージングへの応用が提案されている．本研究では，これらの知見を活用して，筋収縮中の血管内→間質→細胞内の酸素ダイナミクス評価を実践する．
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| Causes of Carryover |
細胞内の酸素分圧測定については，昨年度は，予備検討中であるため，光学機器の選定が年度内にできなかった．2022年度では，繰り越した金額と合わせて実験用備品と薬品の購入を計画している．
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