| 研究課題/領域番号 |
23300146
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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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| 研究分担者 |
照井 貴子 東京慈恵会医科大学, 医学部, 助教 (10366247)
小比類巻 生 東京慈恵会医科大学, 医学部, 助教 (40548905)
大槻 磐男 東京慈恵会医科大学, 医学部, 教授 (70009992)
大山 廣太郎 早稲田大学, 理工学術院, 助教 (70632131)
栗原 敏 東京慈恵会医科大学, 医学部, 教授 (90057026)
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| 研究期間 (年度) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 筋肉生理学 / 分子・細胞生理学 / 分子心臓学 / 生物物理学 / バイオイメージング / ナノバイオシステム |
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| 研究概要 |
細胞、個体の両面から研究を行った。
心筋細胞：ラットの幼若心筋細胞のZ線にAcGFPを発現させ、サルコメアの自励振動現象（SPOC）の特性を解析した。単一サルコメア長の計測精度は3 nmであり（カメラ速度：50 fps）、Gアクチン分子の直径（~5 nm）よりも小さな値であった。イオノマイシン処理した幼若心筋細胞にSPOC溶液（pCa 6.0; 10 mM EGTA）を加えると、自励振動が観察された（cell-SPOC）。Cell-SPOC中のサルコメア振動は、ゆっくりとした短縮相と素早い伸展相から成る鋸波であった。また、インタクトの幼若心筋細胞に電気刺激を加え、波形解析を試みた。刺激頻度が低い場合（1 Hz）、収縮にともなうサルコメア長変化はSPOCと逆位相であり、素早い短縮相とゆっくりとした伸展相が観察された。ところが、刺激頻度を生理的なレベル（3～5 Hz）に上げると、伸展速度の上昇とともに短縮／伸展の位相が変化し、波形がイオノマイシン処理細胞におけるcell-SPOCと類似した。よって、生理的な拍動条件下、心筋細胞においてSPOC特性が駆使されていることが示唆された。
In vivo心臓：マウス心臓において、単一サルコメアの動きを共焦点下に観察した（カメラ速度：100 fps）。すなわち、α-actinin-AcGFP発現組み換えアデノウイルスベクター（ADV）を作製し、これを麻酔・開胸したマウスの心臓に投与した。ADV投与2～3日後に心臓を摘出し、表面から共焦点観察すると、横紋構造が確認された。摘出した心臓における心筋細胞内単一サルコメア長の計測精度は20 nmであり（カメラ速度：100 fps）、拡張期から収縮期へのサルコメア長変化を捉えることに成功した。また、マウスより心臓を摘出し、Ca蛍光指示薬を用いて心臓の表面から心筋細胞内Ca動態を観察することに成功した。
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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
本研究の目的は、最先端のナノ計測技術をin vivo心臓に応用することにより、心筋細胞の興奮・収縮と心臓のポンプ機能との関係を分子レベルで明らかにすることである。これにより、心筋細胞内のナノ情報と心臓全体のマクロ情報（圧情報や電気情報）を融合させ、心筋生理学分野に新しい研究領域（in vivo心筋興奮収縮連関）を創成する。申請者らは、蛍光タンパク質（AcGFP）を利用し、心筋細胞において3 nmの精度（カメラ速度：50 fps）でサルコメア長変化を計測することのできる系の構築に成功した（サルコメア長ナノ計測）。これは、我が国発のナノ計測技術を心筋生理学に始めて本格的に適用したものであり、申請者らの論文（Shintani et al., 2014）は、Journal of Cell Biologyに紹介されるなど、世界的に高く評価されている。さらに、in vivo心臓において、心筋細胞内のCa動態やサルコメア長変化を20 nmの精度（カメラ速度：100 fps）で捉える基盤技術を構築することに成功した。これらの技術を基盤としデータを積み重ねれば、申請者が目指す「In vivo心筋興奮収縮連関」研究を創成することが可能となる。よって、現在までのところ、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 |
H26年度、以下の研究を行う。
１）In vivo興奮収縮連関研究の創成：In vivo心筋細胞内のCaならびにサルコメア情報を積み重ね、それらをマクロ情報（心電図、心臓内圧）と組み合わせる。Ca濃度上昇とそれに伴うサルコメアの収縮が心臓各部でどのようになっているかを系統的に理解する。また、膜電位感受性色素を使って、in vivoにおいて心筋細胞の膜電位を測定する。さらに、心筋弛緩時に重要な役割を担っているKについても情報を得る。近年、心筋の再分極過程（Kチャネルが主に寄与）の異常が致死的な不整脈を惹起することが明らかにされている。各心疾患モデルを用いて、致死的な不整脈が出現する仕組みを生理学的に明らかにする。
２）心臓拍動の数理解析：申請者らは最近、アクトミオシン分子の結合・解離に基づいたサルコメアの自励振動（SPOC）の数理モデルを開発することに成功している（Prog Biophys Mol Biol 2011）。現在のところ、このモデルはサルコメア一個を単位とした“ユニット”モデルであるが、これを直列化するとともに、CaやKなどのイオン情報も組み入れる。さらに、2次元、3次元化し、合胞体としての心臓モデルを完成させる。その上で、in vivoイメージングの実験結果をシミュレートし、アクトミオシン分子の結合・解離速度の変化やイオン拡散速度の変化がどのように心拍のリズム破綻をもたらすかを計算機の上で明らかにする。「心臓数理生理学」の創成に必要な基本的なシミュレーションを行う。
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