Elucidation of the heart's functions by in vivo nano-imaging

• Project Area: Molecular Science for Nanomedicine
• Project/Area Number: 23107003
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Jikei University School of Medicine
• Principal Investigator: Norio Fukuda 東京慈恵会医科大学, 医学部, 准教授 (30301534)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): TERUI TAKAKO 東京慈恵会医科大学, 医学部, 講師 (10366247) ; KOBIRUMAKI FUYU (SHIMOZAWA FUYU) 東京慈恵会医科大学, 医学部, 助教 (40548905) ; OYAMA KOTARO 東京慈恵会医科大学, 医学部, 特別研究員 (70632131) ; 栗原 敏 東京慈恵会医科大学, 医学部, 教授 (90057026) ; 橋本 和弘 東京慈恵会医科大学, 医学部, 教授 (30172860) ; 本郷 賢一 東京慈恵会医科大学, 医学部, 准教授 (00256447) ; 草刈 洋一郎 東京慈恵会医科大学, 医学部, 講師 (80338889)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥97,760,000 (Direct Cost: ¥75,200,000、Indirect Cost: ¥22,560,000); Fiscal Year 2015: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2014: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2013: ¥22,620,000 (Direct Cost: ¥17,400,000、Indirect Cost: ¥5,220,000); Fiscal Year 2012: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2011: ¥21,840,000 (Direct Cost: ¥16,800,000、Indirect Cost: ¥5,040,000)
• Keywords: ナノバイオ / 細胞・組織 / 循環器・高血圧 / 分子イメージング / 生理学 / 再生医学 / 生物物理 / ナノバイオシステム / 生体情報・計測 / 医用画像・バイオイメージング / バイオイメージング / 分子・細胞生理学 / 筋肉生理学 / 分子心臓学 / 生物物理学 / 生体分子

Outline of Final Research Achievements

1) We developed an experimental system for simultaneous nanoscale analysis of single sarcomere dynamics and Ca changes via the expression of AcGFP in Z disks in primary-cultured rat neonatal cardiomyocytes. The averaging of the lengths of sarcomeres along the myocyte caused marked underestimation of sarcomere lengthening speed because of the superpositioning of different timings for lengthening between sequentially connected sarcomeres. We also found that a rapid increase in temperature to >~38°C induced Ca-independent high-frequency (~10Hz) sarcomeric auto-oscillations (HSOs).
2) We developed a high-speed (100 fps) high-resolution (20 nm) imaging system for myocardial sarcomeres in living mice. It was found that (i) the working range of sarcomere length existed on the shorter resting distribution side and (ii) the left ventricular developed pressure was linearly correlated with the sarcomere length change between diastole and systole on the order of 100 nm.

Research Products

• [Journal Article] Nano-imaging of the beating mouse heart in vivo: Importance of sarcomere dynamics, as opposed to sarcomere length per se, in the regulation of cardiac function. (2016)
  • Author(s): Kobirumaki-Shimozawa F, Oyama K, Shimozawa T, Mizuno A, Ohki T, Terui T, Minamisawa S, Ishiwata S, Fukuda N
  • Journal Title: Journal of General Physiology Volume: 147 Issue: 1 Pages: 53-62
  • DOI: 10.1085/jgp.201511484
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-frequency sarcomeric auto-oscillations induced by heating in living neonatal cardiomyocytes of the rat (2015)
  • Author(s): Shintani, S., Oyama, K. Fukuda, N., and Ishiwata, S.
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 457 Issue: 2 Pages: 165-170
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2014.12.077
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sarcomere length nanometry in rat neonatal cardiomyocytes expressed with α-actinin-AcGFP in Z-discs (2014)
  • Author(s): Shintani, S., Oyama, K., Kobirumaki, F., Shimozawa, F., Ohki, T., Ishiwata, S., and Fukuda, N.
  • Journal Title: J. Gen. Physiol. Volume: 143 Issue: 4 Pages: 513-524
  • DOI: 10.1085/jgp.201311118
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cardiac thin filament regulation and the Frank-Starling mechanism (2014)
  • Author(s): Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Inoue, T. Shintani, S., Oyama, K., Terui, T. Minamisawa, S., Ishiwata, S., and Fukuda, N.
  • Journal Title: J. Physiol. Sci. Volume: 64 Issue: 4 Pages: 221-232
  • DOI: 10.1007/s12576-014-0314-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Clinical definition and diagnostic criteria for sarcopenia (2014)
  • Author(s): Udaka J, Fukuda N, Yamauchi H, Marumo K.
  • Journal Title: The Journal of Physical Fitness and Sports Medicine Volume: 3 Issue: 3 Pages: 347-352
  • DOI: 10.7600/jpfsm.3.347
  • NAID: 130004972984
  • ISSN: 2186-8123, 2186-8131
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Depressed Frank-Starling mechanism in the left ventricular muscle of the knock-in mouse model of dilated cardiomyopathy with troponin T deletion mutation ΔK210 (2013)
  • Author(s): Inoue T, Kobirumaki-Shimozawa F, Kagemoto T, Fujii T, Terui T, Kusakari Y, Hongo K, Morimoto S, Ohtsuki I, Hashimoto K, Fukuda N
  • Journal Title: J Mol Cell Cardiol. Volume: 63 Pages: 69-78
  • DOI: 10.1016/j.yjmcc.2013.07.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Qualitative changes in sarcomeric ultrastructure in skeletal muscle atrophy (2013)
  • Author(s): Udaka J, Fukuda N, Kurihara S, Marumo K
  • Journal Title: Bone Joint Nerve Volume: 3 Pages: 33-38
  • NAID: 40020260964
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microscopic heat pulses induce contraction of cardiomyocytes without calcium transients (2012)
  • Author(s): Kotaro Oyama
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 417 Issue: 1 Pages: 607-612
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2011.12.015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sarcomere imaging by quantum dots for the study of cardiac muscle physiology. (2012)
  • Author(s): Kobirumaki-Shimozawa, F., Ishiwata, S., et al.
  • Journal Title: J. Biomed. Biotech. Volume: 2012 Pages: 313814-313814
  • DOI: 10.1155/2012/313814
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thin filament-reconstituted skinned muscle fibers for the study of muscle physiology. (2011)
  • Author(s): Higuchi S
  • Journal Title: J Biomed Biotechnol. Volume: 2011 Issue: 1 Pages: 486021-486021
  • DOI: 10.1155/2011/486021
  • Peer Reviewed
• [Presentation] In vivoナノイメージングによる心筋収縮の可視化と熱による制御 (2016)
  • Author(s): 大山 廣太郎、小比類巻 生、下澤 東吾、福田 紀男
  • Organizer: 第93回日本生理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道
  • Year and Date: 2016-03-22
  • Invited
• [Presentation] Yellow Cameleon-Nano140を用いたラット幼若心筋細胞のサルコメア長と細胞内カルシウムの同時観測系の開発 (2016)
  • Author(s): 塚本 精一、大山 廣太郎、藤井 輝之、小比類巻 生、石渡 信一、福田 紀男
  • Organizer: 第93回日本生理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] マウス心臓上における移植ラット幼若心筋のサルコメア動態の定量的解析 (2016)
  • Author(s): 櫛田 康晴、塚本 精一、藤井 輝之、大山 廣太郎、小比類巻-下澤 生、福田 紀男
  • Organizer: 第93回日本生理学会年会
  • Place of Presentation: 北海道
  • Year and Date: 2016-03-22
• [Presentation] High-speed, high-performance real-time imaging of physiological sarcomere dynamics in the beating heart in vivo (2016)
  • Author(s): Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Kotaro Oyama, Togo Shimozawa, Takako Terui, Shin'ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Organizer: Biophysical Society 60th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles, California
  • Year and Date: 2016-02-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SIMULTANEOUS HIGH-PRECISION IMAGING OF LOCAL CALCIUM AND SINGLE SARCOMERE LENGTH IN RAT NEONATAL CARDIOMYOCYTES VIA EXPRESSION OF YELLOW CAMELEON-NANO140 IN Z-DISCS (2016)
  • Author(s): Seiichi Tsukamoto, Kotaro Oyama, Teruyuki Fujii, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Togo Shimozawa, Seine A. Shintani, Shin’ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Organizer: Biophysical Society 60th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles, California
  • Year and Date: 2016-02-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ナノイメージングによるマウス心臓のin vivoサルコメア動態解析 (2015)
  • Author(s): 小比類巻生、大山廣太郎、下澤東吾、新谷正嶺、広川恵里沙、照井貴子、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス、金沢市
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] High-frequency sarcomeric auto-oscillations in living cardiomyocytes under hyperthermal conditions (2014)
  • Author(s): Shintani, S.A., Oyama, K., Fukuda, N., Ishiwata, S.
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] ナノスケール高速ライブイメージングによるin vivoサルコメア計測 (2014)
  • Author(s): 小比類巻生、大山廣太郎、下澤東吾、照井貴子、南沢享、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 第12回ナノ学会大会
  • Place of Presentation: 京都大学宇治キャンパス
  • Year and Date: 2014-05-22 – 2014-05-24
• [Presentation] サルコメア長ナノ計測による心筋細胞内収縮ダイナミクスの系統的解明 (2014)
  • Author(s): 新谷正嶺、大山廣太郎、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 第12回ナノ学会大会
  • Place of Presentation: 京都大学宇治キャンパス
  • Year and Date: 2014-05-22 – 2014-05-24
• [Presentation] 高精度分子イメージングを用いた心臓拍動メカニズムの解析 (2014)
  • Author(s): 福田紀男
  • Organizer: 革新的分子イメージングで拓く医学新領域
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2014-04-22
  • Invited
• [Presentation] Real-time imaging of single sarcomeres in the mouse heart in vivo (2014)
  • Author(s): Norio Fukuda
  • Organizer: International Symposium on Nanomedicine Molecular Science
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Invited
• [Presentation] THERMAL ACTIVATION OF CARDIAC THIN FILAMENTS INDUCES CONTRACTION WITHOUT INTRACELLULAR CA2+ CHANGES: STUDIES WITH CARDIOMYOCYTES AND AN IN VITROMOTILITY ASSAY (2014)
  • Author(s): Kotaro Oyama, Shuya Ishii, Tomomi Arai, Seine A. Shintani, Hideki Itoh, Norio Fukuda, Madoka Suzuki, Shin’ichi Ishiwata
  • Organizer: 米国生物物理学会
  • Place of Presentation: San Francisco, Moscone Center
• [Presentation] SIMULTANEOUS IMAGING OF LOCAL CALCIUM AND SINGLE SARCOMERE LENGTH IN RAT NEONATAL CARDIOMYOCYTES VIA EXPRESSION OF CAMELEON-NANO IN Z-DISCS (2014)
  • Author(s): Seiichi Tsukamoto, Kotaro Oyama, Seine A. Shintani, Norio Fukuda, Shin’ichi Ishiwata
  • Organizer: 米国生物物理学会
  • Place of Presentation: San Francisco, Moscone Center
• [Presentation] SARCOMERE LENGTH NANOMETRY IN CARDIOMYOCYTES EXPRESSEDWITHα-ACTININ-ACGFP IN Z-DISCS (2014)
  • Author(s): Seine A. Shintani, Kotaro Oyama, Takashi Ohki, Shin’ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Organizer: 米国生物物理学会
  • Place of Presentation: San Francisco, Moscone Center
• [Presentation] REAL-TIME IMAGING OF SARCOMERE DYNAMICS IN THE MOUSE HEART IN VIVO (2014)
  • Author(s): Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Kotaro Oyama, Akari Mizuno, Takako Terui, Togo Shimozawa, Takashi Ohki, Shin’ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Organizer: 米国生物物理学会
  • Place of Presentation: San Francisco, Moscone Center
• [Presentation] 局所熱パルス法を用いて細胞の温度感受性を解明する (2014)
  • Author(s): 大山廣太郎 、新谷正嶺、伊藤秀城、石井秀弥、福田紀男、鈴木 団、石渡信一
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Invited
• [Presentation] 高速ライブイメージングを用いたマウス in vivo 単一サルコメア計測 (2014)
  • Author(s): 小比類巻 生、大山廣太郎、広川恵里沙、下澤東吾、照井貴子、南沢 享、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
• [Presentation] Yellow Cameleon-Nano を用いたラット幼若心筋細胞のサルコメア長とカルシウムの同時観測 (2014)
  • Author(s): 塚本精一、大山廣太郎、新谷正嶺、小比類巻 生、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
• [Presentation] α-actinin-AcGFP を Z 線に発現させた心筋細胞におけるサルコメア長のナノ精度計測系 (2014)
  • Author(s): 新谷正嶺、大山廣太郎、大木高志、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
• [Presentation] ストレスファイバー様構造を形成したラット幼若心筋細胞のサルコメア動態の解析 (2014)
  • Author(s): 藤井輝之、新谷正嶺、塚本精一、石渡信一、福田紀男 、南沢 享
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
• [Presentation] SIMULTANEOUS IMAGING OF LOCAL CALCIUM AND SINGLE SARCOMERE LENGTH IN RAT NEONATAL CARDIOMYOCYTES VIA EXPRESSION OF CAMELEON-NANO IN Z-DISCS. (2014)
  • Author(s): Seiichi Tsukamoto, Kotaro Oyama, Seine A. Shintani, Norio Fukuda, Shin’ichi Ishiwata
  • Organizer: 米国生物物理学会
  • Place of Presentation: San Francisco, Moscone Center
• [Presentation] 高精度分子イメージングを用いたin vivo心収縮メカニズムの解析 (2013)
  • Author(s): 福田紀男
  • Organizer: 第21回JSPPPEC ミーティング
  • Place of Presentation: 東京慈恵会医科大学
  • Invited
• [Presentation] 生きたマウスの心臓における単一サルコメア長解析 (2013)
  • Author(s): 小比類巻生、大山廣太郎、照井貴子、水野紅理、影本達也、下澤東吾、 石渡信一、福田紀男
  • Organizer: ナノ学会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
• [Presentation] nm 精度のサルコメア収縮動態イメージングによる新規実験系の構築 (2013)
  • Author(s): 新谷正嶺、大山廣太郎、大木高志、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: ナノ学会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
• [Presentation] 高精度分子イメージングによる心筋収縮機序解明 (2013)
  • Author(s): 福田紀男
  • Organizer: 高精度分子イメージングで拓く医学新領域
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学
  • Invited
• [Presentation] High-resolution analysis of sarcomeric auto-oscillations in rat neonatal cardiomyocytes (2013)
  • Author(s): Seine A. Shintani, Kotaro Oyama, Shin’ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Organizer: 日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
• [Presentation] Simultaneous imaging of intracellular Ca2+ and sarcomere length in neonatal cardiomyocytes via expression of cameleon-Nano in Z-discs (2013)
  • Author(s): Seiichi Tsukamoto, Kotaro Oyama, Seine Shintani, Fuyu Kobirumaki , Shin’ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Organizer: 日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
• [Presentation] Real-time high-resolution cardiac imaging in vivo (2013)
  • Author(s): Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Kotaro Oyama , Seine A. Shintani2 , Erisa Hirokawa , Togo Shimozawa, Takako Terui, Shin'ichi Ishiwata, Norio Fukuda
  • Organizer: 日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
  • Invited
• [Presentation] Real-time imaging of single sarcomeres in the mouse heart in vivo (2013)
  • Author(s): 福田紀男
  • Organizer: ナノメディシン分子科学国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Invited
• [Presentation] In vivoナノイメージングによる心筋収縮機構の解析 (2013)
  • Author(s): 福田紀男
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会
  • Place of Presentation: 東京都、タワーホール船堀
  • Invited
• [Presentation] 心筋サルコメアイメージングの試み (2012)
  • Author(s): 照井貴子、小比類巻生、水野紅里、影本達也、下澤東吾、石渡信一、栗原敏、福田紀男
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 長野県松本市
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] 幼若ラット心筋細胞におけるサルコメア自励振動(SPOC)特性と電気刺激応答拍動の関係性 (2012)
  • Author(s): 新谷正嶺、山根光智、大山廣太郎、栗原敏、石渡信一、福田紀男
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 長野県松本市
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] 局所熱パルスはカルシウム濃度上昇を伴わずに心筋細胞の収縮を誘発する (2012)
  • Author(s): 大山廣太郎、水野紅里、新谷正嶺、伊藤秀城、芹澤隆博、福田紀男、鈴木団、石渡信一
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 長野県松本市
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] スキンド標本を用いた拡張型心筋症マウスにおける筋長効果減弱のメカニズム (2012)
  • Author(s): 井上天宏、草刈洋一郎、本郷賢一、森本幸生、大槻磐男、栗原敏、福田紀男
  • Organizer: 日本生理学会
  • Place of Presentation: 長野県松本市
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Book] 曽我部正博編：メカノバイオロジー（第12章：横紋筋のメカノバイオフィジックス：マクロからミクロへ） (2015)
  • Author(s): 石渡信一、島本勇太、福田紀男
  • Total Pages: 368
  • Publisher: 化学同人
• [Book] メカノバイオロジー（第12章：横紋筋のメカノバイオフィジックス：マクロからミクロへ） (2015)
  • Author(s): 石渡信一、島本勇太、福田紀男
  • Total Pages: 13
  • Publisher: 化学同人