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2016 年度 実施状況報告書

生物学的ペースメーカ細胞創成を目指した心筋細胞数理モデルの分岐解析・非線形解析

研究課題

研究課題/領域番号 15K00337
研究機関京都大学

研究代表者

土居 伸二  京都大学, 工学研究科, 教授 (50217600)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード心臓ペースメーカ / Hodgkin-Huxley型数理モデル / 非線形振動 / 双安定性 / 分岐解析
研究実績の概要

心臓ペースメーカ細胞(洞房結節細胞)に異常が生じた場合の治療法として,人工的なペースメーカ(電子機器)を埋め込むのではなく,自分の(洞房結節細胞以外の)心筋細胞に遺伝子工学的操作を施すことにより,ペースメーカ機能(律動性)を生じさせ,それを用いて心臓を治療する「生物学的ペースメーカ工学」の研究が行われている.本研究では,生物学的ペースメーカ工学に資することを目的として,心臓心筋細胞の数理モデルを用いたシステム論的研究により,心室筋細胞などの非ペースメーカ細胞にどのように遺伝子操作を施せば,ペースメーカ機能が生じるかの詳細を明らかにすることを目指している.
研究初年度である平成27年度においては,ヒト心室筋細胞の数理モデルを用いて,内向き整流カリウム電流I_K1 と過分極活性化電流I_fを変化させることでペースメーカ活動が発生することを確認した.さらに,心室筋細胞から創り出されたペースメーカ活動と洞房結節細胞のペースメーカ活動を定量的に比較し,心臓ペースメー カとしての妥当性を検討した.また,単一細胞だけではなく,2個の洞房結節細胞の結合系を用い,中心細胞と周辺細胞という洞房結節細胞の異種性も考慮して解析を行うことで,洞房結節のペースメーカ活動に及ぼすギャップ結合や細胞の異種性の影響を調べた.
平成28年度においては,ペースメーカ細胞の双安定性(振動解と心停止に対応する安定平衡点が共存)に焦点を当て,すべてのイオン電流コンダクタンスに対して2パラメタ分岐解析を徹底的に行うことで高次元パラメタ空間における双安定性領域を明らかにした.同時に,振動解のみが単安定となる領域(ペースメーカ細胞として適切な活動を行うことのできる領域)も明らかにした.これらの解析結果から,生物学的ペースメーカ細胞が適切なペースメーカ活動を行うための条件に関する有益な知見を得た.

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

研究申請書の平成28年度以降計画に記述した項目「遅い現象(イオンポンプやイオン交換体による遅いイオンの流れと細胞内外のイオン濃度変化など)を考慮したHH型モデルの解析を行う」の研究内容について,研究実績の概要に記述した通り概ね達成しており,進捗状況は「おおむね順調にしている」と言える.

今後の研究の推進方策

当初計画通りの:
・洞房結節細胞への分化誘導遺伝子がペースメーカ活性に及ぼす影響
を解明すると同時に,H27,H28年度の研究成果と合わせて,研究最終年度としての総合的検討を行う.

次年度使用額が生じた理由

本研究関連の主要な国際会議で発表を行ったが,H28年度は開催地が国内であったため,その出張旅費が当初予定より少ない額で済んだので,次年度使用額が生じた.

次年度使用額の使用計画

必要に応じて,研究を推進するための計算機等を購入し,また,学会発表をより活発に行うことで,適切に使用する.

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2016

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Bifurcation analysis of a human ventricular myocyte model for biological pacemaker engineering2016

    • 著者名/発表者名
      Yoshiki Ogawa, Shinji Doi
    • 雑誌名

      Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA), IEICE

      巻: 7 ページ: 176, 189

    • DOI

      10.1588/nolta.7.176

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Oscillations, bistabilities and bifurcations in a cardiac pacemaker cell model2016

    • 著者名/発表者名
      Takumi Nagai, Shinji Doi
    • 雑誌名

      Proc. of NOLTA2016

      巻: 1 ページ: 318, 321

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 心臓ペースメーカ細胞モデルの双安定性について(II)2016

    • 著者名/発表者名
      永井拓未, 土居伸二
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告

      巻: NLP2016 ページ: 15, 20

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] グルカゴン分泌を調整する膵α細胞モデルの解析2016

    • 著者名/発表者名
      伊藤亜以子, 土居伸二
    • 雑誌名

      電子情報通信学会2016ソサイエティ大会講演論文集

      巻: 1 ページ: 249, 249

  • [雑誌論文] 心臓ペースメーカ細胞モデルの双安定性とモデル改良に関する検討2016

    • 著者名/発表者名
      永井拓未, 土居伸二
    • 雑誌名

      電子情報通信学会2016ソサイエティ大会講演論文集

      巻: 1 ページ: 248,248

  • [学会発表] 心臓ペースメーカ細胞モデルの双安定性について(II)2016

    • 著者名/発表者名
      永井拓未
    • 学会等名
      電子情報通信学会非線形問題研究会
    • 発表場所
      中京大学 (愛知・名古屋)
    • 年月日
      2016-12-12 – 2016-12-13
  • [学会発表] Oscillations, bistabilities and bifurcations in a cardiac pacemaker cell model2016

    • 著者名/発表者名
      Takumi Nagai
    • 学会等名
      2016 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications
    • 発表場所
      New Welcity Yugawara (Shizuoka, Atami)
    • 年月日
      2016-11-27 – 2016-11-30
    • 国際学会
  • [学会発表] グルカゴン分泌を調整する膵α細胞モデルの解析2016

    • 著者名/発表者名
      伊藤亜以子
    • 学会等名
      電子情報通信学会2016ソサイエティ大会
    • 発表場所
      北海道大学 (北海道・札幌)
    • 年月日
      2016-09-20 – 2016-09-23
  • [学会発表] 心臓ペースメーカ細胞モデルの双安定性とモデル改良に関する検討2016

    • 著者名/発表者名
      永井拓未
    • 学会等名
      電子情報通信学会2016ソサイエティ大会
    • 発表場所
      北海道大学 (北海道・札幌)
    • 年月日
      2016-09-20 – 2016-09-23

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公開日: 2018-01-16  

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