| 研究課題/領域番号 |
21K19929
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分90:人間医工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東京慈恵会医科大学 |
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研究代表者 |
福田 紀男 東京慈恵会医科大学, 医学部, 准教授 (30301534)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
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| キーワード | ナノ計測 / イメージング / 心臓・循環器 / 心臓 / 循環器 / 生体制御 / ナノバイオシステム / 心疾患 / 生理学 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
申請者は基礎生理学研究において、赤外光レーザーによる熱パルスを照射すると、心筋収縮タンパク質がCa非依存性の収縮を示すことを報告している。本研究では、この知見に基づき、致死的不整脈の原因である心筋細胞内Ca過負荷を惹起させずに心機能を高める「次世代心疾患治療デバイス」の基盤技術を開発する。熱パルスを利用した心臓の収縮機能増強法は世界初の試みであり、心疾患治療における新しいアプローチを提起する。
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| 研究実績の概要 |
2023年度、以下の成果を得たので簡潔にまとめる。
Ⅰ）申請者らは、in vivoマウス心筋細胞内の筋原線維のZ線にGFPを発現させ、サルコメア運動の同調性が心筋収縮力を制御していることを報告している（J Gen Phyiol 2021）。2023年度、マウスin vivo心筋細胞におけるサルコメアと細胞内Caの同時計測システムの改良を試みた。この方法では、Z線に局在するACTN2に、Caセンサー蛍光タンパク質GCaMPを融合したアデノウイルスベクター「Ad-α-ACTN2-GCaMP」と橙色蛍光タンパク質を融合した「Ad-α-ACTN2-TagRFP」を心筋細胞に発現させる。さらに申請者らは、時期特異的にACTN2-AcGFPを発現するマウスの作出に成功した。このマウスでは、心筋特異的プロモーター下流にCre遺伝子を持つマウスを掛け合わせ、心筋のZ線を標識する。これらのマウスモデルは、加温がサルコメアの同調性、マクロの心機能に与える影響を検討する上で有益となる。
Ⅱ）骨格筋、心筋の精製タンパク質を用い、両者の性質の違いを赤外線（IR）レーザーを用いて一分子レベルで検討した（J Gen Phyiol 2023）。その結果、骨格筋の筋収縮システムが、心臓の筋収縮システムよりも約2℃高くないと活性化しない一方、体温付近では、温度の上昇に対して心臓よりも1.6倍ほど鋭敏に応答した。この結果は、骨格筋には「不要な時は動かず、必要な時は必要な力を瞬時に出す性質」が備わっていることを示すとともに、運動前のウォーミングアップが筋肉のパフォーマンスを高めるメカニズムをタンパク質のレベルで新たに説明する。
Ⅲ）量子ビーム架橋凹凸ゲル上にラット幼若心筋細胞やヒトiPS心筋細胞を培養すると、心筋細胞やサルコメアの配向性が正常化され、サルコメアの短縮率や同調性が向上することを見出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
Ⅰ）2021年度、in vivoマウス心臓において、心筋細胞内のサルコメアの同調性が上昇（低下）すると左心室内圧が上昇（低下）することを明らかにした。これは、サルコメア運動の「同調性」が筋収縮力を制御していることを示す初めての知見である。IRレーザーの照射によって局所心筋のサルコメアの同調性を上げ、心臓のポンプ機能を向上させることが出来るものと期待される。
Ⅱ）2022年度の研究において、in vivoマウス心筋細胞におけるサルコメア長とCa濃度の同時イメージングの最適条件を見出した。これによって、心筋興奮収縮連関の研究をin vivoにおいて遂行することが可能になった。2023年度、時期特異的にACTN2-AcGFPを発現するマウスの作出に成功した。この遺伝子改変マウスを用い、心臓の各部位に熱パルスを与え、どこにどの程度の加温を行えば心臓機能を向上させることができるかを系統的に検討することが可能となった。
Ⅲ）2023年度、申請者らは心筋・骨格筋からミオシンと細いフィラメントを抽出し、in vitro motility assayを使って赤外線（IR）レーザーの照射による細いフィラメントの滑り速度への影響を検討した。その結果、体温付近の温度領域での温度依存性を、ミオシンと細いフィラメントに分離して定量化することに成功した。すなわち、温度依存性は以下のとおりである。ミオシン：心筋＞骨格筋、細いフィラメント：骨格筋＞心筋、ミオシン＋細いフィラメント：骨格筋＞心筋。これらの情報は、in vivo心臓における加温の効果を分子レベルで理解する上で有益である。
Ⅳ）量子ビーム架橋凹凸ゲル上にヒトiPS心筋細胞を培養すると、サルコメアの短縮率や同調性が向上したが、この手法は心筋再生医療に大きな変革をもたらす可能性がある。
以上より、「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
以下の研究を遂行する予定である。
Ⅰ）マウスin vivo心臓のどの部位にどの程度の範囲と強度でIRレーザーを照射すれば効果的に心臓内圧を上昇させることができるかを調べる。心筋細胞内Ca濃度の過度な上昇は不整脈を誘発させる。そこで、Caセンサー蛍光タンパク質GCaMPを融合したアデノウイルスベクター「Ad-α-ACTN2-GCaMP」と橙色蛍光タンパク質を融合した「Ad-α-ACTN2-TagRFP」をin vivo心筋細胞に発現させ、サルコメア動態のみならずCa濃度についても計測する。正常マウスについて実験を行った後、肥大型心筋症や拡張型心筋症のモデルマウスの心臓にIRレーザーを照射し、心機能に及ぼす影響を検討する。
Ⅱ）2023年度、申請者らは時期特異的にACTN2-AcGFPを発現するマウスを作出した。このマウスでは、心筋特異的プロモーター下流にCre遺伝子を持つマウスを掛け合わせることによって心筋のZ線を標識することができる。マウスの様々な成長過程において、in vivo心臓の各部にIRレーザーを照射し、心筋サルコメアの短縮率や同調性がどの程度向上するかを検討する。
Ⅲ）量子ビーム架橋凹凸ゲルを使った心筋細胞の培養実験を加速させ、IRレーザーの照射によって、ラット幼若心筋細胞やヒトiPS心筋細胞のサルコメアの短縮率や同調性がどのように変化するかを探る。
Ⅳ）本研究は、熱パルス照射により心筋収縮力を増強することで心機能改善を実現することを目的としている。熱が心筋サルコメアに与える分子メカニズムを理解するためには、心筋の成熟過程を観察することが重要である。胎生期の心筋は、成熟心筋のように秩序立ったサルコメア構造が完成していない。そこで、加温によってサルコメアを形成する分子がどのような動態反応を起こすのかを明らかにする。
Ⅰ）～Ⅲ）は代表者の福田が行い、Ⅳ）は分担者の劉が担当する。
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