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2015 Fiscal Year Research-status Report

簡易動物実験データを用いた薬物誘発性不整脈予測のための薬物作用推定システム

Research Project

Project/Area Number 26350520
Research InstitutionRitsumeikan University

Principal Investigator

天野 晃  立命館大学, 生命科学部, 教授 (60252491)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 野間 昭典  立命館大学, 生命科学部, 非常勤講師 (00132738)
Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords薬物作用 / 心筋細胞モデル / イオンチャネル / パラメータ最適化 / 吸引電極 / 活動電気波形
Outline of Annual Research Achievements

昨年度は,まず,動物実験データの計測方法として,現在までに行ってきたランゲンドルフかん流心を用いた方法以外に,in situ による吸引電極法による活動電位波形の計測方法を確立した.この方法を用いた計測では,体温や血圧,血流などの状態を含め,生体に極めて近い状態で活動電位波形を計測することが可能であることが確認できた.また,下肢大腿静脈から薬物を投与する方法も確立したため,薬物による活動電位波形変化が安定して計測できることも確認できた.in situ 吸引電極法の問題点としては,心臓の露出面積が少ないため,計測可能な面積が少なく,大量のデータを計測することが困難であること,また,薬物が体内を循環して濃度が変化するため,薬物の作用を見るときに,心室筋細胞そのものに対する薬物の濃度が正確にはわからないこと,さらに,心拍数が比較的高くなるため,シミュレーションモデルで想定している単離細胞の刺激頻度との間に乖離が生じる,という点が挙げられる.これらの問題に対して,まず,計測点として左心室と右心室,さらに,計測時間として短時間と長時間を設定した場合に,それぞれの組み合わせで,どのような波形が得られるかを確認した.その結果,以降の実験では,左心室に対する短時間の計測を行うことが最も安定性が高いことがわかった.次に,計測された波形を用いて,5つのイオンチャネルの阻害率を推定した.刺激頻度の調整が行われる前の予備的な解析では,特に創薬で問題になるHERGチャネルの推定はかなり高い精度で可能であることが確認できた.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画で想定していた,外注による動物実験データの計測に関しては,昨年度より,本研究でより安定した計測方法の開発を行うこととしたが,昨年度の計測方法の開発により,極めて安定した活動電位波形の計測が可能な方法が開発できた.計測された波形を用いた薬物作用の推定に関しては,開発した計測方法と,従来のランゲンドルフ系を用いた計測との差があるため,まだ予備的な評価しか行えていないが,シミュレーションモデルの調整とデータベースの再構築を行うことで,当初予定に沿った薬物作用推定が可能である目処は立っている.

Strategy for Future Research Activity

今年度は,まず,動物実験データとして,IKr, IKs, ICaL, INa の4つのチャネルを阻害する選択的ブロッカーを用いた活動電位波形の計測を行う.また,追加的に,左心室内圧の情報も計測し,薬物作用推定に利用することを考える.次に,活動電位波形からのイオンチャネル阻害の推定システムとして,心拍数の変化を良好に再現可能な最新の心室筋細胞モデルを利用し,in situ 計測において問題となる心拍数の変動に対する対応を行う.さらに,現在,高精度な推定を行う場合,1週間程度の時間を要しているシステムについて,波形照合アルゴリズムを改良することと,データベースのハードウェアを高速化することで,数時間で推定が可能なシステムを実現することを目指す.

Causes of Carryover

昨年度までに,主に計測手法の開発を行ったため,当初予定していた外注による予算は研究期間後半にまわすことになり,この部分の計画が変更になった.また,計測波形の確認ができてから計算システムの設計を行う必要があったため,昨年度までに並列計算が可能なシステムの購入を見合わせた.これらの機器は今年度整備する予定である.

Expenditure Plan for Carryover Budget

今年度は,更に,計測される情報として,活動電位以外に細胞の収縮力を表す左心室内圧を導入することを考えており,この計測に必要な装置を購入予定である.また,活動電位波形の性質が確認できたので,波形に対して薬物作用を推定するソフトウェアを実行する高速なシステムの設計が可能になり,本年度整備する予定である.

  • Research Products

    (34 results)

All 2016 2015

All Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 6 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Mechanisms Underlying the Effects of Ventricular Activation Time on Hemodynamic Parameters: a Simulation Study2016

    • Author(s)
      Kosuke Taniguchi, Hiromasa Utaki, Daichi Yamamoto, Yukiko Himeno, Akira Amano
    • Journal Title

      Advanced Biomedical Engineering

      Volume: 5 Pages: 94-104

    • DOI

      http://doi.org/10.14326/abe.5.94

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Genetic diversity of the captive Asian tapir population in Thailand, based on mitochondrial control region sequence data and the comparison of its nucleotide structure with Brazilian tapir2016

    • Author(s)
      Yuttamol Muangkram, Akira Amano, Worawidh Wajjwalku, Tanu Pinyopummintr, Nikorn Thongtip, Nongnid Kaolim, Manakorn Sukmak, Sumate Kamolnorranath, Boripat Siriaroonrat, Wanlaya Tipkantha, Umaporn Maikaew, Warisara Thomas, Kanda Polsrila, Kwanreaun Dongsaard, Saowaphang Sanannu, Anuwat Wattananorrasate
    • Journal Title

      MITOCHONDRIAL DNA

      Volume: - Pages: 1-5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.3109/24701394.2016.1149828

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A Method for Determining Scale Parameters in a Hemodynamic model incorporating Cardiac Cellular Contraction model2016

    • Author(s)
      Hiromasa Utaki, Kosuke Taniguchi, Hiroya Konishi, Yukiko Himeno, Akira Amano
    • Journal Title

      Advanced Biomedical Engineering

      Volume: 5 Pages: 32-42

    • DOI

      10.14326 / abe.5.32

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanisms underlying the volume regulation of the interstitial fluid by capillaries: a simulation study2016

    • Author(s)
      Yukiko Himeno, Masayuki Ikebuchi, Akitoshi Maeda, Akinori Noma, Akira Amano
    • Journal Title

      Integrative Medicine Research

      Volume: 5(1) Pages: 11-21

    • DOI

      10.1016/j.imr.2015.12.006

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A motion tracking method that applies a spread spectrum communication technique to tagging MR imaging.2015

    • Author(s)
      Komori Y, Amano A, Maehara K, Jin L, Narazaki M, Matsuda T.
    • Journal Title

      Magn Reson Med Sci

      Volume: 14(1) Pages: 25-34

    • DOI

      10.2463/mrms.2016-0116

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Application of the Kalman Filter for Faster Strong Coupling of Cardiovascular Simulations2015

    • Author(s)
      Yuki Hasegawa, Takao Shimayoshi, Akira Amano, Tetsuya Matsuda
    • Journal Title

      IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics

      Volume: 99 Pages: 0-0

    • DOI

      10.1109/JBHI.2015.2436212

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A human ventricular myocyte model with refined representation of excitation-contraction coupling2015

    • Author(s)
      Y. Himeno, K. Asakura, C. Y. Cha, H. Memida, T. Powell, A. Amano, A. Noma
    • Journal Title

      Biophys. J

      Volume: 109, 2 Pages: 415-427

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2015.06.017

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantitative Decomposition of Dynamics of Mathematical Cell Models: Method and Application to Ventricular Myocyte Models2015

    • Author(s)
      Takao Shimayoshi, Chae Young Cha, Akira Amano
    • Journal Title

      PLoS ONE

      Volume: 10(6) Pages: e012497

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0124970

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 心臓ペースメーカー細胞のイオン機序について2015

    • Author(s)
      姫野友紀子,天野晃,野間昭典
    • Journal Title

      循環器専門医

      Volume: 23/1 Pages: 9-17

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 複雑な計算スキームを必要とする多階層生体機能モデルのシミュレーションシステム2015

    • Author(s)
      天野 晃,プンザラン フローレンシオ ラスティ,嶋吉 隆夫,國枝 義敏
    • Journal Title

      生体医工学

      Volume: 53 Pages: 115-122

    • DOI

      10.11239/jsmbe.53.115

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Program Code Generator for Cardiac Electrophysiology Simulation with Automatic PDE Boundary Condition Handling2015

    • Author(s)
      Florencio Rusty Punzalan, Yoshitoshi Kunieda, Akira Amano
    • Journal Title

      PLoS ONE

      Volume: 10(9) Pages: e0136821

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0136821

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] オペラントシステムを用いた恒常法によるマウス限界フリッカー値の同定/The resolution of mouse flicker fusion threshold by constant method in the behaving mouse.2016

    • Author(s)
      野村 悠一郎, 三田 純平, 有村 琢磨, 生田 昌平, 瀧澤 伸剛, 鈴木慎一郎、坪泰宏、天野 晃, 下ノ村 和弘、瀬谷 安弘、小池 千恵子
    • Organizer
      日本薬学会第136年会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2016-03-27
  • [Presentation] A Teaching Material for Cardiac Physiology - systematic compilation of biophysical simulation models of cardiac cellular function (e-Heart project)2016

    • Author(s)
      Noma Akinori, Himeno Yukiko, Trevor Powell, Amano Akira
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-24
  • [Presentation] Development of a couplon model based on data from experimental and simulated Ca2+ sparks2016

    • Author(s)
      Himeno Yukiko, Trevor Powell, Amano Akira, Noma Akinori
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-24
  • [Presentation] A Mathematical Modeling of Phase-2 Reentry Attributable to Changes in Subcellular Expression of Nav1.5 Channel2016

    • Author(s)
      Tsumoto Kunichika, Ashihara Takashi, Naito Narumi, Amano Akira, Nakazawa Kazuo, Kurachi Yoshihisa
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-23
  • [Presentation] ATP consumption by the cardiac muscle contraction implemented in a Huxley-based contraction model2016

    • Author(s)
      Muangkram Yuttamol, Taniguchi Kosuke, Noma Akinori, Amano Akira
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-22
  • [Presentation] Developmento of a microcirculation model to calculate glucose supply to meet the cellular requirement2016

    • Author(s)
      Maeda Akitoshi, Himeno Yukiko, Noma Akinori, Amano Akira
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-22
  • [Presentation] NA-induced Automaticity of the Rat Pulmonary Vein Cardiomyocyte demonstrated in a Matehmatical Model2016

    • Author(s)
      Umehara Shohei, Himeno Yukiko, Ono Kyoichi, Noma Akinori, Amano Akira
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-22
  • [Presentation] Measurement of cardiac action potential in anesthetized guinea pig for estimating drug action on ion channel conductance2016

    • Author(s)
      Maekawa Saki, Watanabe Risa, Himeno Yukiko, Noma Akinori, Amano Akira
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-22
  • [Presentation] Ionic mechanisms underlying ventricular fibrillation examined in a one-dimensional array of human ventricular myocyte model2016

    • Author(s)
      Ujihara Mirei, Yamamoto Natsuki, Noma Akinori, Amano Akira
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-22
  • [Presentation] The ionic mechanism of electrocardiogram examined using a one-dimensional array of human ventricular cell model2016

    • Author(s)
      Yamamoto Natsuki, Ujihara Mirei, Noma Akinori, Amano Akira
    • Organizer
      日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-22
  • [Presentation] 非線形方程式求根アルゴリズムの宣言的形式言語の設計2016

    • Author(s)
      嶋吉 隆夫, 天野 晃
    • Organizer
      情報処理学会プログラミング研究会
    • Place of Presentation
      ARKビル(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2016-01-13
  • [Presentation] 3次元位置合わせ機構を実装した光ピンセットの開発2015

    • Author(s)
      野原有実,天野晃,杉浦忠男
    • Organizer
      電気関係学会関西支部大会
    • Place of Presentation
      摂南大学( 大阪府寝屋川市)
    • Year and Date
      2015-11-14
  • [Presentation] 詳細な心筋細胞モデルから構築する心臓モデル2015

    • Author(s)
      天野晃
    • Organizer
      生理学研究所 研究会「心臓・血管系の包括的な機能統合研究」
    • Place of Presentation
      生理学研究所(愛知県岡崎市)
    • Year and Date
      2015-10-30
  • [Presentation] ヒト心室筋細胞モデル一次元配列を用いたJ波の成因メカニズム解析2015

    • Author(s)
      山本菜月, 氏原美玲, 野間昭典, 天野晃
    • Organizer
      近畿生理談話会
    • Place of Presentation
      近畿大学(大阪府東大阪市)
    • Year and Date
      2015-10-24
  • [Presentation] ヒト心室筋細胞モデルの一次元配列による心室細動の再現とイオン機序2015

    • Author(s)
      氏原美玲, 山本菜月, 野間昭典, 天野晃
    • Organizer
      近畿生理談話会
    • Place of Presentation
      近畿大学(大阪府東大阪市)
    • Year and Date
      2015-10-24
  • [Presentation] 毛細血管における体液交流とグルコース供給モデルの構築2015

    • Author(s)
      前田陽俊, 姫野友紀子, 野間昭典, 天野晃
    • Organizer
      近畿生理談話会
    • Place of Presentation
      近畿大学(大阪府東大阪市)
    • Year and Date
      2015-10-24
  • [Presentation] CaRUを導入したラット肺静脈心筋細胞モデルにおけるノルアドレナリン誘発自動能の再現2015

    • Author(s)
      梅原象平,姫野友紀子,尾野恭一,野間昭典,天野晃
    • Organizer
      近畿生理談話会
    • Place of Presentation
      近畿大学(大阪府東大阪市)
    • Year and Date
      2015-10-24
  • [Presentation] The evaluation of visual temporal resolution in the behaving mouse2015

    • Author(s)
      J. Mita, S. Yokota, S. Ikuta, S. Takizawa, Y. Nomura, T. Arimura, A. Amano, K. Shimonomura, Y. Seya, Y. Tsubo, C. Koike
    • Organizer
      SFN annual meeting 2015
    • Place of Presentation
      Chicago, USA
    • Year and Date
      2015-10-15
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] モデル変数と数値計算スキームとの半自動対応付け機能を持つ生体機能シミュレーションツール: CellCompiler2015

    • Author(s)
      有田健, 多々良泰基, 小見山繁, 鈴木洋平, 國枝義敏, 天野晃
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      岡山国際交流センター(岡山県岡山市)
    • Year and Date
      2015-09-26
  • [Presentation] The Influence of Activation Time on the Hemodynamic Parameters: a Simulation Study2015

    • Author(s)
      Kosuke Taniguchi, Hiromasa Utaki, Daichi Yamamoto, Akira Amano
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      岡山国際交流センター(岡山県岡山市)
    • Year and Date
      2015-09-26
  • [Presentation] Analysis of Glycolytic ATP Production Rate and the Rate Limiting Step under ischemic ATP/NAD concentration2015

    • Author(s)
      Manami Fuchigami, Akira Amano
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      岡山国際交流センター(岡山県岡山市)
    • Year and Date
      2015-09-26
  • [Presentation] Analysis of Relation between Cardiac Cellular Characteristics and Hemodynamics Parameters using Hemodynamics Model incorporating2015

    • Author(s)
      Hiromasa Utaki, Kosuke Taniguchi, Hiroya Konishi, Akira Amano
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      岡山国際交流センター(岡山県岡山市)
    • Year and Date
      2015-09-26
  • [Presentation] 生体機能シミュレーションにおけるPCクラスタ環境での計算結果収集手法2015

    • Author(s)
      中川貴裕,桑原寛明,國枝義敏,天野晃
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム
    • Place of Presentation
      岡山国際交流センター(岡山県岡山市)
    • Year and Date
      2015-09-26

URL: 

Published: 2017-01-06  

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