2016 Fiscal Year Research-status Report
ナノ計測を用いた心疾患画像診断装置の基盤技術の開発
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26560225
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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 東京慈恵会医科大学, 医学部, 特別研究員 (70632131)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノバイオ / 先端機器デバイス / 循環器・高血圧 / 分子イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（1）In vivo動物実験：申請者らは、in vivoにおけるサルコメア動態のナノイメージングに成功している（空間分解能：20 nm、時間分解能：100 fps）。H28年度、このシステムに改良を加えることによって空間分解能を10 nmに上げることに成功した。その結果、心臓サイクルのすべての時点においてサルコメアの挙動を10 nm、100 fpsの空間・時間分解能で観察できるようになった。これを用いて、マウスin vivo心筋細胞内の一本の筋原線維における約30個の連続したサルコメアの動きを計測した（Z線にGFPを発現）。すると、個々のサルコメアの動的特性には個性が存在し、それらが統合されることによって安定した心臓拍動がもたらされるというまったく新しい知見を得た。この統合の仕組みを解析することによって、心臓拍動の仕組み、ならびにリズム破綻のメカニズムを解明することができると考えられる。
（2）細胞実験：細胞内Ca濃度にともなって蛍光シグナルを変化させるCameleon-Nano140をラット幼若心筋細胞のサルコメアのZ線に発現させた。その結果、局所のCa濃度とサルコメア長を同時に計測できる実験系を開発することに成功した。β受容体刺激薬の投与により、細胞内局所Ca濃度が上昇するとともにサルコメアの収縮性が増大した。一方、アクトミオシンの活性を選択的に上昇させることが知られているomecamtiv mecarbilは、Ca動態に影響を与えずにサルコメアの収縮性を増大させた。よって、この実験系は強心薬の薬効評価系として有用である。
（３）申請者らは、単離心筋細胞において、赤外レーザーによる局所加熱がCa非依存性の収縮を引き起こすことを報告している（BBRC 2012）。マウスin vivoにおいて、左心室中央部に赤外レーザ―を照射すると、拍動中の心筋細胞の収縮率が増大した。
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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
臨床現場において汎用されている心疾患の診断装置（X線CT、MRI、超音波など）は精度が十分でないため（空間分解能：~100 μm）、心疾患超早期の段階で生じる心筋細胞内の微小な機能・構造異常を捉えることができない。本研究の目的は、光学顕微鏡をベースとしたナノイメージング技術を駆使し、既存の装置を凌駕する新しい診断装置の基盤技術を開発することである。H28年度、H27年度に開発した技術を大きく発展させ、空間分解能を10 nmにすることに成功した（時間分解能：100 fps）。この手法を駆使すれば、正常心臓の拍動の仕組みを解き明かすとともに、様々な心疾患の病態について分子論に基づいた厳密な診断基準を得ることができると期待される。したがって、本研究は、「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 |
1）上述したように、申請者らは、in vivoマウス心筋細胞内の一本の筋原線維における約30個の連続したサルコメアの動きを計測することに成功している。H29年度、心臓の様々な部位についてこの実験を行い、サルコメア動態が心臓において統合されている仕組みを明らかにする。その上で、申請者が有している制御タンパク質トロポニンTに変異（一個のアミノ酸残基：K210）をノックインした拡張型心筋症マウスや高血圧由来の肥大型心筋症マウスを用い、サルコメア動態の「統合の仕組み」がどのように変化して病態につながっているかを明らかにし、疾患の診断基準を定量化する。また、心筋症のみならず、申請者らが開発した、突然死を惹起しやすい異型狭心症モデルにも適用し、心臓リズム破綻がどのように生じるかを明らかにする。
2）H28年度、拍動しているマウス心臓に対して加熱収縮を惹起させることに成功した。臨床現場では、心不全患者に対して強心薬が度々用いられるが、これらは細胞内Ca濃度の過負荷を生じ、致死的不整脈を惹起させる危険性があることが知られている。それに対して、細胞内Ca濃度を上げない本手法は、副作用の少ない新たな心疾患治療法の開発の道を切り拓くものと期待される。よって、in vivoマウス心臓の様々な部位に赤外レーザーを照射し、細胞内Ca動態や膜電位といったミクロパラメーターと心臓全体のマクロパラメーター（心電図や心臓内圧）を同時計測し、新たな心臓刺激法としての機能評価を行う。また、1）の病態マウスに本技術を適用し、どこまで心臓機能を回復させることができるのかを定量化する。
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| Causes of Carryover |
H28年度、申請者が独自開発したin vivo心筋ナノイメージング装置を大幅に改良し、空間分解能を20 nmから10 nmにすることに成功した。その結果、in vivoにおいて、心筋細胞内分子情報を正確に抽出することが可能になった。この装置の大部分は申請者らが自作し、また、ソフトウエアも独自開発したため、当初の計画よりも大幅に予算を削減することに成功した。そのため、766,004円の次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H29年度、申請者らのin vivo心筋ナノイメージング装置を様々な心疾患モデルマウスに適用し、心筋細胞内のサルコメアやCaの動態を抽出する。申請者らは拡張型心筋症モデルマウスを有しているが、これらの動物は侵襲に弱く、正常動物よりも多くの実験を必要とする。また、申請者らは、H28年度の実験において、in vivo拍動中の心臓に赤外レーザーを照射し、心筋細胞の収縮率を増強させることに成功している。この技術は、新たな心臓治療法としての応用が期待される。この実験を完遂させるためには、マウス心臓についてのマッピングを行い、様々な部位に異なる強度の赤外レーザーを照射し、心筋細胞の短縮率とバイタルパラメーターとの比較を行う必要がある。さらに、治療への応用の可否を探るためには病態動物を用いた実験が必須となる。
以上、H29年度、本経費を、マウスはもちろんのこと、様々な試薬や麻酔薬の購入に充て、最大限の成果を得ることに努める。
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[Journal Article] In vivo cardiac nano-imaging: A new technology for high-precision analyses of sarcomere dynamics in the heart2017
Author(s)
Togo Shimozawa, Erisa Hirokawa, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Kotaro Oyama, Seine A. Shintani, Takako Terui, Yasuharu Kushida, Seiichi Tsukamoto, Teruyuki Fujii, Shin'ichi Ishiwata, and Norio Fukuda
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Journal Title
Prog. Biophys. Mol. Biol.
Volume: 124
Pages: 31-40
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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