哺乳類心筋細胞のT管膜構造の維持機構の解明と進化的意義の探求

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H03794
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 氏原 嘉洋 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80610021)
• 研究分担者: 毛利 聡 川崎医科大学, 医学部, 教授 (00294413) ; 中村 匡徳 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20448046) ; 杉田 修啓 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20532104) ; 西辻 光希 福井県立大学, 海洋生物資源学部, 准教授 (60770823) ; 花島 章 川崎医科大学, 医学部, 講師 (70572981) ; 橋本 謙 川崎医科大学, 医学部, 准教授 (80341080) ; 重松 大輝 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (50775765)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 哺乳類 / 脊椎動物 / 心筋細胞 / 心臓

研究実績の概要

本研究では，T管膜を保持する哺乳類と保持しない脊椎動物（両生類，爬虫類，鳥類）の心筋細胞を階層的・多面的に比較することで，T管膜構造の維持機構と崩壊機序を明らかにするとともに，哺乳類がT管膜構造を獲得した進化的意義を探求することを目的とする．
鳥類（T管膜なし）と哺乳類（T管膜あり）および哺乳類（T管膜破壊）の心筋細胞のCa2+濃度の時空間変化を比較した結果，T管膜はCa2+濃度変化の迅速化よりも空間的な均一化に重要な役割を果たすことが示唆された．鳥類の成体の心筋細胞が哺乳類の成体よりも細い形状をしているのは，細胞短軸方向のCa2+濃度の空間的不均一性を軽減するためと考えられる．このことから，哺乳類がT管膜を獲得することで細胞の幅が増大可能になったとの仮説が導かれた．
この仮説を検証するために，ラットの新生児を用いて，T管膜の形成と細胞の幅の関係を調べた．具体的には，大動脈から膜染色液を流し入れることで細胞を単離することなく心筋細胞の膜を染色し，共焦点レーザー顕微鏡で心臓表面の心筋細胞膜を観察した．その結果，T管膜形成前の心筋細胞の幅は鳥類と同程度であり，T管膜の発達した成体の心筋細胞よりも顕著に細かった．
さらに，T管膜の形成過程において，T管膜面積と細胞の形態の関係を調べた結果，細胞幅とT管膜面積の間には正の相関が見られたのに対し，細胞の長さとT管膜面積には相関が見られなかった．このことは，T管膜形成と細胞幅が強く関連していることを示唆しており，仮説を裏付ける結果となった．
今後はさらにデータを増やすとともに，異なる手法を用いた多角的な解析により，T管膜獲得の進化的意義について探求していきたい．

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

心筋細胞の形態情報とT管膜の関係性について新たな知見が得られたため．

今後の研究の推進方策

原子間力顕微鏡を用いて，哺乳類と非哺乳類の膜の構造・力学特性を明らかにし，T管膜の維持機構の解明に挑む．

研究成果

• [雑誌論文] Exploring the Differences in Avian and Mammalian Hearts through the Unique Membrane Structures of Cardiomyocytes: Calcium Concentration Management and Cardiac Resilience (2024)
  • 著者名/発表者名: Ujihara Yoshihiro
  • 雑誌名: MEMBRANE 巻: 49 ページ: 82～86
  • DOI: 10.5360/membrane.49.82
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mathematical modeling and experimental analysis of the relationship between ventricular size and diastolic function of trabecular ventricles (2023)
  • 著者名/発表者名: Ito Megumi、Ujihara Yoshihiro、Sugita Shukei、Nakamura Masanori
  • 雑誌名: Journal of Biorheology 巻: 37 ページ: 96～104
  • DOI: 10.17106/jbr.37.96
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison of changes in Ca<sup>2+</sup> concentration in quail and rat cardiomyocytes using Fura-4F (2023)
  • 著者名/発表者名: Ogura Yuhei、Sugita Shukei、Nakamura Masanori、Ujihara Yoshihiro
  • 雑誌名: Journal of Biorheology 巻: 37 ページ: 138～144
  • DOI: 10.17106/jbr.37.138
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Second harmonic generation signal imaging of the membrane damage due to electroporation (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Masanori、Takagi Reiya、Wada Haruka、Shinoda Yuya、Ujihara Yoshihiro、Sugita Shukei、Shigematsu Taiki
  • 雑誌名: Journal of Biorheology 巻: 37 ページ: 145～154
  • DOI: 10.17106/jbr.37.145
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nuclear deformability of cancer cells with different metastatic potential (2023)
  • 著者名/発表者名: Ujihara Yoshihiro、Ono Daichi、Ito Megumi、Sugita Shukei、Nakamura Masanori
  • 雑誌名: Journal of Biorheology 巻: 37 ページ: 56～63
  • DOI: 10.17106/jbr.37.56
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hamster Sperm Possess Functional Na+/Ca2+-Exchanger 1: Its Implication in Hyperactivation (2023)
  • 著者名/発表者名: Takei Gen L.、Ogura Yuhei、Ujihara Yoshihiro、Toyama Fubito、Hayashi Keitaro、Fujita Tomoe
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 24 ページ: 8905～8905
  • DOI: 10.3390/ijms24108905
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ラット心筋細胞におけるT管膜形成と細胞形態の関係性の調査 (2024)
  • 著者名/発表者名: 剣持 唯舞，杉田 修啓，中村 匡徳，氏原 嘉洋
  • 学会等名: 日本機械学会東海学生会 第55回学生員卒業研究発表会講演会
• [学会発表] 細胞内部の力学特性分布の評価を目指した走査型超音波顕微鏡による培養平滑筋細胞の音響インピーダンス測定 (2024)
  • 著者名/発表者名: 渡邊 翔太，杉田 修啓，中村 匡徳，氏原 嘉洋
  • 学会等名: 日本機械学会東海学生会 第55回学生員卒業研究発表会講演会
• [学会発表] 上陸に駆動された心室の力学特性変化の解明を目指した現生両生類の心室のバイオメカニクス解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 氏原 嘉洋，伊藤 愛，杉田 修啓，中村 匡徳
  • 学会等名: 日本動物学会 第94回大会 2023
  • 招待講演
• [学会発表] 特殊膜構造から探る鳥類と哺乳類における心筋細胞の高出力化戦略の違い (2023)
  • 著者名/発表者名: 氏原 嘉洋
  • 学会等名: 日本膜学会「第45年会」・「膜シンポジウム2023」合同大会
  • 招待講演
• [備考] 名古屋工業大学 医用生体工学研究室
  • URL: https://biomech.web.nitech.ac.jp/