McKibben型人工筋肉を用いて心臓の構造を構築しポンプ機能の再現を目指す

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K08958
• Research Institution: Shimane University
• Principal Investigator: 織田 禎二 島根大学, 学術研究院医学・看護学系, 教授 (50448198)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴森 康一 東京工業大学, 工学院, 教授 (00333451) ; 明穂 一広 島根大学, 医学部, 臨床工学技士長 (10873515) ; 難波江 裕之 東京工業大学, 工学院, 助教 (90757171)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 心臓の構造 / 模擬心臓 / McKibben型人工筋肉 / 心筋バンド / 人工心臓 / 左室の収縮特性

Outline of Annual Research Achievements

本研究計画は細径McKibben型人工筋を用いて、Buckberg, Torrent-Guaspらの唱える”unique myocardial band”説に従って心筋バンドを作成し、これを実際の心臓と同様に巻き上げて模擬心臓を製作し、その機能を評価しつつ実際の心臓のポンプ機能を再現することで心臓の高い収縮能を理解することを目的にしている。
研究初年度である令和4年度の研究実績としては、研究分担者である東京工業大学の鈴森教授らの開発した細径McKibbne型人工筋を用いて小児（2歳前後）サイズの小型模擬心臓を製作し、模擬左心室の出入口に人工弁（逆流防止弁）を組み込み、簡易的モック回路と連結し、内部に水を充填して、人工筋に空圧を印加して人工筋を収縮させ、生理的循環条件(後負荷=100-120mmHg)に対する拍出量、発生内圧を計測した。さらに模擬左室の発生内圧ー容積関係(pressure-volume relationship)も検討した。
模擬左心室の圧発生能は十分で圧ー容積関係も実際の左室と同等のループを再現することに成功した。しかし、左室の収縮機序として重要な心尖部の捻れるような収縮動態（apical rotation)は明確には観察できず、また駆出量は実際の心臓に比べて小さい結果となった。
今後は用いる人工筋の本数アップ、各心筋バンド, apical loop (descending segment, ascending segment), basal loopの空圧印加（収縮）のタイミング調整、模擬心臓の製作法の改善(心尖部処理、房室弁周囲の処理など）、印加する空圧強化、逆流防止弁の改善、人工筋を束ねる接着剤の柔軟性などの性能改善などの効果を検討する予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度の実績として、まずは心臓のようなポンプ機能を有する模擬心臓を製作することに成功しており、残り2年の研究期間内に主要な研究目標を達成する見通しを得た。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度は、模擬心臓の性能を実際の心臓のポンプ機能に近づけるため、ブタの心臓をBuckberg, Torrent-Guaspらの方法に従って処理して心筋バンドとして解き、臨床用高性能CTで撮像してDICOMデータに変換し、東京工業大学の研究分担者に提供し、人工筋束から製作した心筋バンドの巻き上げの際の参照データとすることで、模擬心臓の収縮性能を実際の心臓の性能に近づける。
また、前年の研究成果を生かし改善するため、用いる人工筋の本数アップ、印加する空圧強化、逆流防止弁の改善、人工筋を束ねる接着剤の柔軟性などの性能改善などの効果も合わせて検討する予定である。

Causes of Carryover

研究計画の進め方について、研究分担者である東京工業大学の先生方と検討したところ、初期モデルの製作は東京工業大学が所有する余っている人工筋を用いて試作することが可能であることが判明した。このため研究初年度である令和4年度の経費を使うことなく研究を遂行することができた。
一方、当初計画では、模擬心臓の設計図面として、ヒト献体(カダバー）を用いる予定であったが、大学倫理委員会の審査でヒト献体の心臓を用いることに対して倫理委員会委員より異議があり利用が難しくなったため、動物の心臓を代わりに用いることに変更したが、それにより経費が余分にかかることが判明した。さらに当初は経費を充てていなかったCT, MRIの使用に高額の利用料がかかることが判明した。これらの研究経費増額分を、初年度に節約できた経費で充当することにより研究計画通りに研究を遂行できると考えている。