心臓のミクロ熱力学：局所熱パルス法を用いた心臓の機能制御と熱物性測定

• Project/Area Number: 15J10205
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Jikei University School of Medicine
• Principal Investigator: 大山 廣太郎 東京慈恵会医科大学, 医学部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2016: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2015: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 心筋細胞 / サルコメア / 蛍光イメージング / 温度計測 / 熱パルス / 心臓

Outline of Annual Research Achievements

本研究では心臓のイメージング手法と局所加熱法を組み合わせることで、細胞内Ca2+変化を伴わない心筋細胞の加熱収縮を生きたマウス内心臓で誘発し、心臓機能を熱的に制御する新たな手法の構築を目指す。そのために、心筋細胞のミクロ情報（収縮や細胞内Ca2+変化）を高時空間分解能でイメージング・解析するとともに、マクロ情報（心電図・心内圧）も同時に計測し、赤外光による心臓の局所加熱の影響を単一細胞レベルから心臓まで異なる階層で評価する。
最終年度となる2017年度では、主に以下の研究を遂行した。
①これまで開発してきた生きたマウス内心臓を局所加熱する顕微技術を用いて、心臓のマクロ機能（心内圧）の向上を試みた。水に吸収されやすい赤外光（波長1455nm）を心臓の任意の位置に集光し、局所加熱した。加熱のタイミングは心拍に同期または任意の遅延時間をもって制御することができる。照射部位や照射範囲、加熱時間や心拍との遅延時間を変化させたが、これまでのところ心臓のマクロ機能の向上は見られなかった。
②2016年度に開発した心筋細胞の局所温度計測法を用いて、心筋細胞の拍動に伴う発熱計測を行った。具体的には、単一心筋細胞に蛍光温度計色素を導入する手法や、細胞外から２次元温度分布を可視化する手法を構築し、電気刺激による拍動時の細胞の温度変化検出を試みた。特に後者の計測法においては、データを積算することで測定誤差を0.1℃より小さくすることができたが、これまでのところ拍動に伴う顕著な温度上昇は検出されなかった。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] In vivo cardiac nano-imaging: A new technology for high-precision analyses of sarcomere dynamics in the heart (2017)
  • 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
  • Journal Title: Prog. Biophys. Mol. Biol. Volume: 124 Pages: 31-40
  • DOI: 10.1016/j.pbiomolbio.2016.09.006
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Simultaneous imaging of local calcium and single sarcomere length in rat neonatal cardiomyocytes using yellow Cameleon-Nano140 (2016)
  • Author(s): Seiichi Tsukamoto, Teruyuki Fujii, Kotaro Oyama, Seine A. Shintani, Togo Shimozawa, Fuyu Kobirumaki-Shimozawa, Shin’ichi Ishiwata, and Norio Fukuda
  • Journal Title: J. Gen. Physiol. Volume: 148 Issue: 4 Pages: 341-355
  • DOI: 10.1085/jgp.201611604
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [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
• [Presentation] ラット幼若心筋細胞のZ線におけるYellow Cameleon-Nano140融合α-actinin発現を用いたサルコメア動態と局所的カルシウムの同時観測 (2017)
  • 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94回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松（静岡県浜松市）
  • Year and Date: 2017-03-28
• [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): Kotaro Oyama, Fuyu Kobirumaki, Togo Shimozawa , Norio Fukuda
  • Organizer: 第93回日本生理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2016-03-22
• [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: ロサンゼルス
  • Year and Date: 2016-02-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of cellular functions by microscopic heat pulses (2015)
  • Author(s): Kotaro Oyama, Madoka Suzuki, Shin’ichi Ishiwata
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2015-09-13