心筋細胞におけるエネルギー代謝-機能連関の研究

2005 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 15209007
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生理学一般
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 野間 昭典 京都大学, 医学研究科, 教授 (00132738)
• 研究分担者: 松岡 達 京都大学, 医学研究科, 助手 (00263096) ; 皿井 伸明 京都大学, 医学研究科, 科学技術振興講師 (00335259)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• キーワード: 心筋細胞 / Ca^<2+> / ミトコンドリア / NADH / シミュレーション

研究概要

1.心筋細胞におけるエネルギー代謝-機能連関を定量的に解析する目的で、モルモット単離心室筋細胞から、細胞膜電位・ミトコンドリアNADH蛍光・細胞収縮を同時記録した。穿孔パッチ法による電流パルス刺激で高頻度細胞収縮を誘発すると、細胞収縮は徐々に増加し、NADH蛍光は一過性減少の後に緩徐に増加した。低頻度刺激に戻すと、NADH蛍光は一過性に上昇した後コントロールレベルに回復した。高頻度収縮時のNADH蛍光増加は、Caユニポーター阻害薬(ruthenium red, Ru360)で抑制された。また、Rhod-2を用いてミトコンドリアCa(Ca_m)を測定したところ、高頻度収縮に伴いCa_mは緩徐に増加した。これらのデータから、高頻度収縮に伴いCa_mが増加し、ミトコンドリア脱水素酵素が活性化され、NADH産生が増加する機序が推測された。また、高頻度収縮の初期における一過性NADH蛍光低下は、細胞質ADP濃度増加によるフィードバックコントロールの結果であることが、サポニン透過性細胞におけるNADH蛍光測定から推測された。高頻度収縮停止時の一過性NADH蛍光増加は、NADH産生の脱活性化が緩徐に進行するためと考えられる。さらに、高頻度収縮時のNADH蛍光増加は、ラット及びマウス心室筋細胞においても起こることが確認された。すなわち、高頻度細胞収縮時にCa_mが上昇し、ミトコンドリアNADH産生が増加する機構は哺乳類心室筋細胞に共通する機構であると考えられる。
2.心筋細胞における興奮-収縮-エネルギー代謝のコンピュータモデルを作成した。NADHの産生がCa_mにより活性化されると仮定することで、上記実験データの大部分を再現することが可能であった。詳細な解析から、ミトコンドリアATP産生に関して、フィードバックコントロールの寄与は約77%、NADH産生活性化の寄与は約23%であることが明らかになった。

研究成果

• [雑誌論文] Calcium-mediated coupling between mitochondrial substrate dehydrogenation and cardiac workload in single guinea-pig ventricular myocytes. (2006)
  • 著者名/発表者名: Jo, Noma, Matsuoka
  • 雑誌名: Journal of Molecular and Cellular Cardiology 40・3 ページ: 394-404
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Modelling Cl-homeostasis and volume regulation of the cardiac cell. (2006)
  • 著者名/発表者名: Terashima, Takeuchi, Sarai, Matsuoka, Shim, Leem, Noma
  • 雑誌名: Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 364・1842 ページ: 1245-1265
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] β-adrenergic stimulation does not activate Na^+-Ca^2+ exchange current in guinea-pig, mouse and rat ventricular myocytes (2006)
  • 著者名/発表者名: Lin, Jo, Sakakibara, Tambara, Kim, Komeda, Matsuoka
  • 雑誌名: American Journal of Physiology Cell Physiology 290・2 ページ: C601-C608
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] simBio : A Java package for the development of detailed cell models. (2006)
  • 著者名/発表者名: Sarai N, Matsuoka S, Noma A.
  • 雑誌名: Progress in Biophysics and Molecular Biology. 90・1-3 ページ: 360-377
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Calcium-mediated coupling between mitochondrial substrate dehydrogenation and cardiac workload in single guinea-pig ventricular myocytes. (2006)
  • 著者名/発表者名: Jo H, Noma A, Matsuoka S.
  • 雑誌名: Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 40(3) ページ: 394-404
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Modelling Cl^- homeostasis and volume regulation of the cardiac cell. (2006)
  • 著者名/発表者名: Terashima K, Takeuchi A, Sarai N, Matsuoka S, Shim EB, Leem CH, Noma A.
  • 雑誌名: Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 364(1842) ページ: 1245-1265
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] ss-adrenergic stimulation does not activate Na^+-Ca^<2+> exchange current in guinea-pig, mouse and rat ventricular myocytes (2006)
  • 著者名/発表者名: Xue Lin, Hikari Jo, Yutaka Sakakibara, Keiichi Tambara, Bongju Kim, Masashi Komeda, Satoshi Matsuoka
  • 雑誌名: American Journal of Physiology Cell Physiology 290 ページ: C601-C608
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] simBio : A Java package for the development of detailed cell models. (2006)
  • 著者名/発表者名: Sarai N, Matsuoka S, Noma A.
  • 雑誌名: Progress in Biophysics and Molecular Biology. 90 ページ: 360-377
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Regulation of oxidative phosphorylation in intact mammalian heart in vivo. (2005)
  • 著者名/発表者名: Korzeniewski, Noma, Matsuoka.
  • 雑誌名: Biophysical Chemistry 116・2 ページ: 145-157
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Computational modelling of H^+coupled peptide transport via human PEPT1. (2005)
  • 著者名/発表者名: Irie M, Terada T, Katsura T, Matsuoka S, Inui K.
  • 雑誌名: Journal of Physiology. 565・2 ページ: 429-439
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Does the β_2-agonist clenbuterol help to maintain myocardial potential to recover during mechanical unloading? (2005)
  • 著者名/発表者名: Tsuneyoshi H, Oriyanhan W, Kanemitsu H, Shiina R, Nishina T, Matsuoka S, Ikeda T, Komeda M.
  • 雑誌名: Circulation. 112・9 ページ: 151-156
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 包括的心筋細胞モデル(京都モデル) (2005)
  • 著者名/発表者名: 皿井伸明, 松岡 達, 野間昭典
  • 雑誌名: 血管医学 6・6 ページ: 657-667
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 活動電位のシミュレーション(Kyoto model) (2005)
  • 著者名/発表者名: 松岡 達, 皿井伸明, 城 日加里, 野間昭典
  • 雑誌名: 心臓 37・6 ページ: 486-493
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Regulation of oxidative phosphorylation in intact mammalian heart in vivo. (2005)
  • 著者名/発表者名: Korzeniewski B, Noma A, Matsuoka S.
  • 雑誌名: Biophysical Chemistry 116(2) ページ: 145-157
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Computational modelling of H^+ coupled peptide transport via human PEPT1. (2005)
  • 著者名/発表者名: Irie M, Terada T, Katsura T, Matsuoka S, Inui K.
  • 雑誌名: Journal of Physiology. 565 ページ: 429-439
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Does the ss_2-agonist clenbuterol help to maintain myocardial potential to recover during mechanical unloading? (2005)
  • 著者名/発表者名: Tsuneyoshi H, Oriyanhan W, Kanemitsu H, Shiina R, Nishina T, Matsuoka S, Ikeda T, Komeda M.
  • 雑誌名: Circulation. 112(9 Suppl) ページ: 151-156
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] An in silico study of energy metabolism in cardiac excitation-contraction coupling. (2004)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka S, Jo H, Sarai N, Noma A
  • 雑誌名: Japanese Journal of Physiology. 54・6 ページ: 517-522
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Two types of spontaneous depolarizations in the interstitial cells freshly prepared from the murine small intestine. (2004)
  • 著者名/発表者名: Goto K, Matusuka S, Noma A
  • 雑誌名: Journal of Physiology. 559・2 ページ: 411-422
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Simulation of ATP metabolism in cardiac excitation-contraction coupling. (2004)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka S, Sarai N, Jo H, Noma A.
  • 雑誌名: Progress in Biophysics and Molecular Biology. 85・2-3 ページ: 279-99
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Intracellular Ca^2+ dynamics and sarcomere length in single ventricular myocytes. (2004)
  • 著者名/発表者名: Powell T, Matsuoka S, Sarai N, Nama A.
  • 雑誌名: Cell Calcium. 35・6 ページ: 535-542.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Additional gene variants reduce effectiveness of beta-blockers in the LQT1 form of long QT syndrome. (2004)
  • 著者名/発表者名: Kobori, Sarai, Shimizu, Nakamura, Murakami, Makiyama, Ohno, Takenaka, Ninomiya, Fujiwara, Matsuoka, Takano, Noma, Kita, Horie.
  • 雑誌名: J Gardiovasc Electrophysiol. 15・2 ページ: 190-9
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 創薬研究における細胞機能シミュレーション (2004)
  • 著者名/発表者名: 松岡 達, 野間昭典
  • 雑誌名: 月刊薬事 46・7 ページ: 1257-1264
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 細胞・生体機能シミュレーションプロジェクト「数理時空間に生体活動を実現する」 (2004)
  • 著者名/発表者名: 野間昭典, 松岡達, 皿井伸明
  • 雑誌名: 現代医療(現代医療社刊) 36・5 ページ: 1073-1079
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] An in silico study of energy metabolism in cardiac excitation-contraction coupling. (2004)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka S, Jo H, Sarai N, Noma A.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Physiology. 54 ページ: 517-522
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Two types of spontaneous depolarizations in the interstitial cells freshly prepared from the murine small intestine. (2004)
  • 著者名/発表者名: Goto K, Matsuoka S, Noma A.
  • 雑誌名: Journal of Physiology. 559 ページ: 411-422
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Simulation of ATP metabolism in cardiac excitation-contraction coupling. (2004)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka S, Sarai N, Jo H, Noma A.
  • 雑誌名: Progress in Biophysics and Molecular Biology. 85 ページ: 279-299
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Intracellular Ca^<2+> dynamics and sarcomere length in single ventricular myocytes. (2004)
  • 著者名/発表者名: Powell T, Matsuoka S, Sarai N, Noma A.
  • 雑誌名: Cell Calcium. 35 ページ: 535-542
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Additional gene variants reduce effectiveness of beta-blockers in the LQT1 form of long QT syndrome. (2004)
  • 著者名/発表者名: Kobori A, Sarai N, Shimizu W, Nakamura Y, Murakami Y, Makiyama T, Ohno S, Takenaka K, Ninomiya T, Fujiwara Y, Matsuoka S, Takano M, Noma A, Kita T, Horie M.
  • 雑誌名: J Cardiovasc Electrophysiol. 15(2) ページ: 190-199
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Role of individual ionic current systems in ventricular cells hypothesized by a model study. (2003)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka S, Sarai N, Kuratomi S, Ono K, Noma A.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Physiology. 53・2 ページ: 105-123
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Role of Individual Ionic Current Systems in the SA Node Hypothesized by a Model Study. (2003)
  • 著者名/発表者名: Sarai N, Matsuoka S, Kuratomi S, Ono K, Noma A.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Physiology. 53・2 ページ: 125-134
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Involvement of Ca^2+ exchange in the positive staircase of contraction in guinea-pig ventricular myocytes. (2003)
  • 著者名/発表者名: Kuratomi S, Matsuoka S, Sarai N, Powell T, Noma A.
  • 雑誌名: Pflugers Arch. 446・3 ページ: 347-355
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Estimating the active dimension of cardiac pacemaking dynamics. (2003)
  • 著者名/発表者名: Osaka M, Shinagawa Y, Matsuoka S, Noma A
  • 雑誌名: PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA 178・1-2 ページ: 118-126
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] オブジェクト指向に基づいた生体機能シミュレーションモデル構築環境 (2003)
  • 著者名/発表者名: 柴山司, 西俊文, 皿井伸明, 松岡達, 天野晃, 松田哲也, 野間昭典
  • 雑誌名: 電子情報通信学会技術研究報告(MEとバイオサイバネティックス) 103・81 ページ: 23-28
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] イオンチャンネルのバイオシミュレーション (2003)
  • 著者名/発表者名: 野間昭典, 松岡達, 皿井伸明, 松田鉄也, 天野晃
  • 雑誌名: 分子心血管病 4・5 ページ: 483-492
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Role of individual ionic current systems in ventricular cells hypothesized by a model study. (2003)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka S, Sarai N, Kuratomi S, Ono K, Noma A.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Physiology. 53 ページ: 105-123
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Role of Individual Ionic Current Systems in the SA Node hypothesized by a model study. (2003)
  • 著者名/発表者名: Sarai N, Matsuoka S, Kuratomi S, Ono K, Noma A.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Physiology. 53 ページ: 125-134
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Involvement of Ca^<2+> buffering and Na^+/Ca^<2+> exchange in the positive staircase of contraction in guinea-pig ventricular myocytes. (2003)
  • 著者名/発表者名: Kuratomi S, Matsuoka S, Sarai N, Powell T, Noma A.
  • 雑誌名: Pflugers Arch. 446 ページ: 347-355
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Estimating the active dimension of cardiac pacemaking dynamics. (2003)
  • 著者名/発表者名: Osaka M, Shinagawa Y, Matsuoka S, Noma A.
  • 雑誌名: PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA 178(1-2) ページ: 118-126
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] 心臓のフィジオーム : 電気生理現象のシミュレーション-分子から臓器まで(森北出版株式会社)(岡本良夫編著) (2003)
  • 著者名/発表者名: 野間昭典, 松岡 達, 皿井伸明
  • 総ページ数: 20-39/314
  • 出版者: 分子反応過程のモデル化
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] 心臓のフィジオーム : 電気生理現象のシミュレーション-分子から臓器まで(森北出版株式会社)(岡本良夫編著) (2003)
  • 著者名/発表者名: 野間昭典, 松岡 達, 皿井伸明
  • 総ページ数: 64-87/314
  • 出版者: 包括的心筋細胞モデル(Kyoto model)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より