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2012 年度 実績報告書

多階層データに基づく心臓電気現象の統合的機能シミュレーション

計画研究

研究領域統合的多階層生体機能学領域の確立とその応用
研究課題/領域番号 22136011
研究機関独立行政法人国立循環器病研究センター

研究代表者

中沢 一雄  独立行政法人国立循環器病研究センター, 研究所, 室長 (50198058)

研究分担者 原口 亮  独立行政法人国立循環器病研究センター, 研究所, 研究員 (00393215)
清水 渉  独立行政法人国立循環器病研究センター, 病院, 部長 (50399606)
芦原 貴司  滋賀医科大学, 医学部, 助教 (80396259)
池田 隆徳  東邦大学, 医学部, 教授 (80256734)
井尻 敬  独立行政法人理化学研究所, 生物情報基盤構築チーム, 基礎科学特別研究員 (30550347)
研究期間 (年度) 2010-04-01 – 2015-03-31
キーワード不整脈 / シミュレーション
研究実績の概要

1)不整脈の機序解明:光学マッピング実験などにより得られるデータを心臓モデルに反映させる技術開発を、本荘班(A02-4)と協力して行った。心臓モデルにおけるシミュレーションと光学マッピング実験のマッチングは、致死性不整脈現象の基本的メカニズムとなるスパイラルリエントリーの解析には特に有効であり、その成果としてKatoらから論文が掲載された。
2)慢性心房細動に対するアブレーション治療のシミュレーション:心房細動は、心房で異常な興奮旋回が起こる不整脈であり、脳梗塞や心不全の主な原因とされる。慢性心房細動に対し、心房内の双極電極で記録される分裂電位(CFAE)を標的とするカテーテルアブレーション(心筋焼灼)の有用性が報告されるようになった。線維芽細胞CFAE仮説によるヒト慢性心房細動の数学モデルを構築し、コンピュータシミュレーション実験を実施した。CFAEおよびCFAE標的アブレーションのメカニズムを解明し、その臨床有用性に理論的根拠を示した。
3)幾何制約に基づく実時間の簡易心臓拍動シミュレーション:心臓の拍動は心臓を構成する心筋細胞がそれぞれ電気的に興奮し収縮することで実現される。さらに、心臓には線維走向があり、それぞれの心筋線維が異なる方向に収縮することが積み重なって心臓全体の拍動をつくりだす。しかし、既存の力学モデルに基づくシミュレーションでは膨大な計算が要求される。そこで、心臓拍動のリアルタイムシミュレーションの実現を目指し、コンピュータグラフィックスの手法を応用した計算負荷の軽い新たなシミュレーション技法を開発した。提案法は、局所領域を変形させ、その形状を満たすよう全体形状を最適化する幾何制約モデルを応用したものである。心臓の電気興奮と収縮の関係を簡便に表現できるようになった。

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

これまでの研究成果は基本的には従来技術の延長線上であり、特に本荘班 (A02-4)と協力した光学マッピング実験データを心臓モデルに反映させる技術開発も比較的順調に進んでいると言える。その他、慢性心房細動に対するアブレーション治療のシミュレーション研究や、幾何制約に基づく実時間の簡易心臓拍動シミュレーション研究、刺激伝導系の構造を単純化した1次元の伝導モデルに基づく房室伝導解析など、関連するシミュレーション研究についても成果を出している。さらに、不整脈の機序解明の研究として、倉智班(A01-1)との連携による、Naチャネルの局在化を想定したPhase-2リエントリーのシミュレーションを行い、Brugada 症候群との関連を調べる研究がある。同じく、蒔田班(A02-1)との連携で、心筋のギャップ結合におけるコネキシン(connexin)と呼ばれる膜蛋白質遺伝子変異によるプルキンエ不整脈の発症についても精力的に進めており、近々、成果発表の予定である。一方、薬物動態とリンクした薬物性不整脈のシミュレー ション研究が実現できなかったことは、異分野連携による共同研究に対する困難さの課題として残されている。また、具体的臨床応用に向けた研究に繋げることは、依然として大きな課題である。

今後の研究の推進方策

多階層の生体機能学として、特に薬物循環動態を反映した心臓の興奮伝播過程シミュレーションの実現をめざし、最終的には研究成果を「システムバイオロジープラットフォーム」上で稼働可能とすることが目標である。今後の主な研究方針として、大きく下記の6つ程度に分類している。1)不整脈の機序解明、2)除細動メカニズム、3)刺激伝導系の解析、4)不整脈心臓収縮の簡易表現、4) 遺伝子変異による致死性不整脈の発症、6)研究成果の「システムバイオロジープラットフォーム」への貢献。そこで、「不整脈の機序解明」および「除細動メカニズム」については、心室形状モデルを用いたスパイラルリエントリーのフィラメント解析、および、2次元あるいは3次元の単純形状モデルを用いた冷却除細動シミュレーションを中心に研究を進める。「刺激伝導系の解析」は、心房細動のレートコントロールなど、より具体的な臨床応用に向けた研究に繋げる予定である。「不整脈心臓収縮の簡易表現」では、1)の心室形状モデルで計算した不整脈の興奮伝播データに対して心臓の収縮を表現し、簡易に左室駆出率などを算出したいと考えている。「遺伝子変異による致死性不整脈の発症」については、前述のように、心筋のギャップ結合における膜蛋白質遺伝子変異によるプルキンエ不整脈発症のシミュレーション研究を行う。最終年度、これらの研究成果を、「システムバイオロジープラットフォーム」上で実現できるように貢献を行う予定である。

  • 研究成果

    (55件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (23件) (うち査読あり 14件) 学会発表 (23件) (うち招待講演 3件) 図書 (7件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Clinical features of Brugada syndrome2013

    • 著者名/発表者名
      Wataru Shimizu
    • 雑誌名

      Journal of Arrhythmia

      巻: 29(2) ページ: 65-70

    • DOI

      doi.org/10.1016/j.joa.2013.01.009

  • [雑誌論文] Double tachycardia after slow pathway ablation for atrioventricular nodal tachycardia: what is the mechanism?2013

    • 著者名/発表者名
      Makimoto H
    • 雑誌名

      J Cardiovasc Electrophysiol

      巻: 24 ページ: 233-236

    • DOI

      10.1111/jce.12004

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Beneficial effects of cilostazol in a patient with recurrent ventricular fibrillation associated with early repolarization syndrome2013

    • 著者名/発表者名
      Iguchi K
    • 雑誌名

      Heart Rhythm

      巻: 10 ページ: 604-606

    • DOI

      10.1016/j.hrthm.2012.11.001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 心拍制御メカニズムの解明を目指した心房心室間興奮伝導シミュレーション2013

    • 著者名/発表者名
      小野多佳子
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: MBE2012-88 ページ: 1-6

  • [雑誌論文] Prevalence and Prognosis of Patients with Lone and Paroxysmal Atrial Tachyarrhythmias Showing Brugada-Type Electrocardiograms after Class IC Antiarrhythmic Drug Administration but no Risk-stratifying Factors2013

    • 著者名/発表者名
      Abe A
    • 雑誌名

      Journal of Arrhythmia

      巻: 29 ページ: 138-142

    • DOI

      10.1016/j.joa.2012.12.011

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 不整脈診断のためのコンピュータシミュレーション解析2013

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 雑誌名

      循環器内科

      巻: 73 ページ: in press

  • [雑誌論文] 連載「モデル解析の視点」:第5回「プルキンエ線維は電気的除細動の成否に関与するのかしないのか?」2013

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 雑誌名

      心電図

      巻: 33 ページ: in press

  • [雑誌論文] 第III部 心電図・不整脈との格闘:コンピュータモデリング:心電学・不整脈学領域のシミュレーション2013

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 雑誌名

      日本心電学会30周年記念誌

      巻: in press ページ: in press

  • [雑誌論文] Effect of sodium-channel blockade on early repolarization in inferior/lateral leads in patients with idiopathic ventricular fibrillation and Brugada syndrome2012

    • 著者名/発表者名
      Kawata H
    • 雑誌名

      Heart Rhythm

      巻: 9 ページ: 77-83

    • DOI

      10.1016/j.hrthm.2011.08.017

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Clinical impact of the number of extrastimuli in programmed electrical stimulation in patients with Brugada type 1 electrocardiogram2012

    • 著者名/発表者名
      Makimoto H
    • 雑誌名

      Heart Rhythm

      巻: 9 ページ: 242-248

    • DOI

      10.1016/j.hrthm.2011.09.053

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Clinical characteristics and risk of arrhythmia recurrences in patients with idiopathic ventricular fibrillation associated with early repolarization2012

    • 著者名/発表者名
      Watanabe H
    • 雑誌名

      International J Cardiol

      巻: 159 ページ: 238-240

    • DOI

      10.1016/j.ijcard.2012.05.091

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Seasonal and circadian distributions of cardiac events in genotyped patients with congenital long QT syndrome2012

    • 著者名/発表者名
      Takigawa M
    • 雑誌名

      Circ J

      巻: 76 ページ: 2112-2118

    • DOI

      10.1253/circj.CJ-12-0213

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pharmacological blockade of IKs destabilizes spiral-wave reentry under beta-adrenergic stimulation in favors of its early termination2012

    • 著者名/発表者名
      Kato S
    • 雑誌名

      J Pharmacol Sci

      巻: 119 ページ: 52-63

    • DOI

      10.1254/jphs.12008FP

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Kinematic Approach for Efficient and Robust Simulation of the Cardiac Beating Motion2012

    • 著者名/発表者名
      Ijiri T
    • 雑誌名

      PloS ONE

      巻: 7 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0036706

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The role of fibroblasts in complex fractionated electrograms during persistent/permanent atrial fibrillation: implications for electrogram-based catheter ablation2012

    • 著者名/発表者名
      Ashihara T
    • 雑誌名

      Circ Res

      巻: 110 ページ: 275-284

    • DOI

      10.1161/CIRCRESAHA.111.255026

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Risk stratification for serious arrhythmic events using nonsustained ventricular tachycardia and heart rate turbulence detected by 24-hour Holter electrocardiograms in patients with left ventricular dysfunction2012

    • 著者名/発表者名
      Miwa Y
    • 雑誌名

      Ann Noninvasive Electrocardiol

      巻: 17 ページ: 260-267

    • DOI

      10.1111/j.1542-474X.2012.00522.x

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Comparison of late potentials for 24 hours between Brugada syndrome and arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy using a novel signal-averaging system based on Holter ECG2012

    • 著者名/発表者名
      Abe A
    • 雑誌名

      Circ Arrhythm Electrophysiol

      巻: 5 ページ: 789-795

    • DOI

      10.1161/CIRCEP.111.969865

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Irregular wide QRS complex tachycardia without structural heart disease2012

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi K
    • 雑誌名

      Journal of Arrhythmia

      巻: 28 ページ: 307-309

    • DOI

      10.1016/j.joa.2012.05.008

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Regional cooling facilitates termination of spiral-wave reentry through unpinning of rotors in rabbit hearts2012

    • 著者名/発表者名
      Yamazaki M
    • 雑誌名

      Heart Rhythm

      巻: 9 ページ: 107-114

    • DOI

      10.1016/j.hrthm.2011.08.013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 連載「モデル解析の視点」:第4回「トンネル伝播仮説で電気的除細動の強度-反応曲線を説明できるか?」2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 雑誌名

      心電図

      巻: 32 ページ: 443-447

  • [雑誌論文] 連載「モデル解析の視点」:第3回「心室壁内部の分極を可視化して電気的除細動のメカニズムに迫る」2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 雑誌名

      心電図

      巻: 32 ページ: 363-366

  • [雑誌論文] 連載「モデル解析の視点」:第2回「電気的除細動において心室壁の内部は分極するのかしないのか?」2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 雑誌名

      心電図

      巻: 32 ページ: 249-252

  • [雑誌論文] 連載「モデル解析の視点」:第1回「電気的除細動では心臓全体が脱分極してリセットされるのか?」2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 雑誌名

      心電図

      巻: 32 ページ: 161-164

  • [学会発表] 構造的リモデリング下の心房筋における興奮伝播のシミュレーション2013

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 学会等名
      第 90回日本生理学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2013-03-27 – 2013-03-29
  • [学会発表] Simulation study of excitation conduction in human atrioventricular node using action potential models constructed from messenger RNA data2013

    • 著者名/発表者名
      Inada S
    • 学会等名
      第90回日本生理学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2013-03-27 – 2013-03-29
  • [学会発表] A theoretical study on the mechanism of complex fractionated atrial electrograms with continuous deflection during chronic atrial fibrillation.2013

    • 著者名/発表者名
      Ashihara T
    • 学会等名
      The 77th Annual Scientific Meeting of Japanese Circulation Society
    • 発表場所
      Yokohama
    • 年月日
      2013-03-15 – 2013-03-17
  • [学会発表] Functional properties of complex fractionated atrial electrograms during atrial fibrillation can be explained by structural remodeling: A computational study2012

    • 著者名/発表者名
      Ashihara T
    • 学会等名
      AHA 84th Scientific Sessions
    • 発表場所
      Los Angeles
    • 年月日
      2012-11-03 – 2012-11-07
  • [学会発表] 慢性心房細動における種々のComplex Fractionated Atrial Electrogramは構造的リモデリングの進展で説明できるか?2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 学会等名
      第28回心電情報処理ワー クショップ
    • 発表場所
      熱海
    • 年月日
      2012-10-27 – 2012-10-28
  • [学会発表] リアルタイム3次元心臓拍動シミュレータ2012

    • 著者名/発表者名
      井尻 敬
    • 学会等名
      経済産業省デジタルコンテンツEXPO 2012
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2012-10-25 – 2012-10-27
  • [学会発表] 致死性不整脈の数理:バイドメインモデルによる電気的除細動メカニズムの理論的研究2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 学会等名
      GCOEシンポジウム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2012-10-24 – 2012-10-26
    • 招待講演
  • [学会発表] 心室線維走向ねじれは心室較 差増大による催不整脈性を抑制する:3次元心室壁モデルによるシミュレーション研 究2012

    • 著者名/発表者名
      原口 亮
    • 学会等名
      第29回日本心電学会学術集会
    • 発表場所
      千葉
    • 年月日
      2012-10-12 – 2012-10-13
  • [学会発表] 心外膜面局所冷却による除細動の可能性:3次元心室壁モデルを用いたシミュレーションによる検討2012

    • 著者名/発表者名
      稲田 慎
    • 学会等名
      第29回日本心電学会学術集会
    • 発表場所
      千葉
    • 年月日
      2012-10-12 – 2012-10-13
  • [学会発表] 慢性心房細動におけるComplex Fractionated Atrial Electrogramは機能的か?:シミュレーションによる理論的検討2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 学会等名
      第29回日本心電学会学術集会
    • 発表場所
      千葉
    • 年月日
      2012-10-12 – 2012-10-13
  • [学会発表] Rotational anisotropy prevents transition of tachycardia to fibrillation in ventricles under the large transmural dispersion of repolarization2012

    • 著者名/発表者名
      Haraguchi R
    • 学会等名
      The 5th APHRS,The 8th APAFS
    • 発表場所
      Taipei
    • 年月日
      2012-10-03 – 2012-10-06
  • [学会発表] Function of dual conduction pathway in atrioventricular node during Wenckebach periodicity: a simulation study2012

    • 著者名/発表者名
      Inada S
    • 学会等名
      The 5th APHRS,The 8th APAFS
    • 発表場所
      Taipei
    • 年月日
      2012-10-03 – 2012-10-06
  • [学会発表] Mechanisms of CFAE-targeted ablation for chronic AF: A simulation study2012

    • 著者名/発表者名
      Ashihara T
    • 学会等名
      The 5th APHRS,The 8th APAFS
    • 発表場所
      Taipei
    • 年月日
      2012-10-03 – 2012-10-06
    • 招待講演
  • [学会発表] Application of biological simulations to the studies of ventricular defibrillation2012

    • 著者名/発表者名
      Ashihara T
    • 学会等名
      The 5th APHRS,The 8th APAFS
    • 発表場所
      Taipei
    • 年月日
      2012-10-03 – 2012-10-06
    • 招待講演
  • [学会発表] Dual conduction pathway in atrioventricular node acts as important roles to generate Wenckebach periodicity - A simulation study -2012

    • 著者名/発表者名
      Inada S
    • 学会等名
      8th Tawara-Aschoff-Meeting
    • 発表場所
      Munich
    • 年月日
      2012-08-29 – 2012-08-31
  • [学会発表] Epicardial cooling increases opportunity of spiral wave termination: a simulation study2012

    • 著者名/発表者名
      Inada S
    • 学会等名
      ESC congress 2012
    • 発表場所
      Munich
    • 年月日
      2012-08-25 – 2012-08-29
  • [学会発表] 持続性心房細動におけるComplex Fractionated Atrial Electrogram領域の電位 的特徴に関する理論的研究2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 学会等名
      第27回日本不整脈学会学術大会
    • 発表場所
      横浜
    • 年月日
      2012-07-05 – 2012-07-07
  • [学会発表] コンピュタシミュレーションによるウェンケバッハ現象の成因の検討 ―多重房室伝導路の役割―2012

    • 著者名/発表者名
      稲田慎
    • 学会等名
      第32回日本ホルター・ノンインベイシブ心電学研究会
    • 発表場所
      新潟
    • 年月日
      2012-06-09
  • [学会発表] 致死的不整脈防御機構としての心室較差および線維走向ねじれの電気生理学的意義2012

    • 著者名/発表者名
      原口亮
    • 学会等名
      第51回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      2012-05-10 – 2012-05-12
  • [学会発表] 心室冷却による除細動の可能性:シミュレーションによる検討2012

    • 著者名/発表者名
      稲田 慎
    • 学会等名
      第51回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      2012-05-10 – 2012-05-12
  • [学会発表] 不整脈臨床医はマルチスケールシミュレー ションに何を求めるのか?2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 学会等名
      第51回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      2012-05-10 – 2012-05-12
  • [学会発表] 心臓拍動計算のための異方性弾性を考慮したShape Matching法2012

    • 著者名/発表者名
      井尻 敬
    • 学会等名
      第51回日本生体医工学 会大会
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      2012-05-10 – 2012-05-12
  • [学会発表] Theoretical basis of optimal strategy for CFAE-targeted ablation during chronic atrial fibrillation2012

    • 著者名/発表者名
      Ashihara T
    • 学会等名
      Heart Rhythm 2012 Scientific Sessions
    • 発表場所
      Boston
    • 年月日
      2012-05-09 – 2012-05-12
  • [図書] Electrical Diseases of the Heart (Second edition): Genetics, Mechanisms, Treatment, Prevention, Part IV. Clinical rhythmology: Diagnostic methods and tools2013

    • 著者名/発表者名
      Shimizu W
    • 総ページ数
      in press
    • 出版者
      Springer
  • [図書] Electrical Diseases of the Heart (Second edition): Genetics, Mechanisms, Treatment, Prevention, Part III. Secondary Hereditary and Acquired Cardiac Channelopathies, and Sudden Cardiac Death2013

    • 著者名/発表者名
      Shimizu W
    • 総ページ数
      in press
    • 出版者
      Springer
  • [図書] 心不全をマスターする:病態を理解して治療できる医師になろう, 堀江 稔:III.心不全を治療する:心不全における不整脈を管理する2013

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 総ページ数
      100-108
    • 出版者
      文光堂
  • [図書] 不整脈概論:専門医になるためのエッセンシャルブック, 植込み型心電用データレコーダ2013

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 総ページ数
      140-147
    • 出版者
      メジカルビュー社
  • [図書] 不整脈学, 不整脈の実験モデル:不整脈のシミュレーション2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 総ページ数
      144-148
    • 出版者
      南江堂
  • [図書] シミュレーション辞典, 仮想心臓シミュレーション2012

    • 著者名/発表者名
      中沢一雄
    • 総ページ数
      p45
    • 出版者
      コロナ社
  • [図書] 成り立ちから理解する心電図波形:心筋の活動電位を読み解く, 心室細動2012

    • 著者名/発表者名
      芦原貴司
    • 総ページ数
      201-203
    • 出版者
      秀潤社
  • [備考] (A) 仮想心臓(バーチャルハート)による不整脈現象のシミュレーションと可視化の研究

    • URL

      http://www.ncvc.go.jp/res/divisions/biomedical_system/bms_001.html

  • [備考] (B) 仮想心臓(バーチャルハート)を応用した致死性不整脈の誘発性・持続性の解析

    • URL

      http://www.ncvc.go.jp/res/divisions/biomedical_system/bms_007.html

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公開日: 2018-02-02  

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