| 研究課題/領域番号 |
26460303
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| 研究機関 | 金沢医科大学 |
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研究代表者 |
倉田 康孝 金沢医科大学, 医学部, 教授 (00267725)
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| 研究分担者 |
芝本 利重 金沢医科大学, 医学部, 教授 (90178921)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | バイオペースメーカー / ヒトES細胞 / HCN4 / 数理モデル / コンピュータシミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、ヒト幹細胞由来心筋細胞の分化成熟過程における電気生理学的特性を数理モデル化し、その分岐構造を解析することにより、「ヒトの発生過程における心筋自動能の発現制御機構（心臓拍動の初発機構）」を解明すると共に、「バイオペースメーカー細胞としての有用性とその機能強化方法」を検証することである。平成２６年度の目標は、（１）ヒト幹細胞由来心筋細胞の電気生理学的特性に関する実験データを収集してデータベースを作成し、分化成熟過程での電気生理学的特性の変化を分析すること、（２）ヒト幹細胞由来心筋細胞（分化早期）の数理モデルを構築することであった。
鳥取大学大学院医学系研究科（再生医療学）との共同研究により、ヒトES細胞から分化させた心筋細胞より、セルソーターによってHCN4（ペースメーカーチャネル蛋白）陽性細胞を分離同定し、パッチクランプ実験によって得られたその電気生理学的特性（活動電位と形質膜イオンチャネル電流動態）を解析した。ヒトES細胞由来HCN4陽性心筋細胞は成人の洞結節細胞と同様の自発性活動電位を呈し、その膜イオンチャネル電流は成人心筋細胞のイオンチャネル電流と本質的に同じ電気生理学的特性を示した。これらの実験データと以前に作成したヒト心室筋細胞モデルを基に、ヒトES細胞由来HCN4陽性心筋細胞の電気生理学的特性を数式化し、自動能をもつヒトES細胞由来心筋ペースメーカー細胞（分化開始１か月後）の非線形力学系モデルを作成することができた。また、次年度の目標である「モデル細胞を用いて心筋の分化成熟過程における分岐構造（自動能発現機構）を解明する」ための解析システム（MATLABプログラム群）を構築することができた。
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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
当初の予定通り、ヒトES細胞由来HCN4陽性心筋細胞の電気生理学的特性（活動電位と形質膜イオンチャネル電流動態）を数式化し、自動能をもつヒトES細胞由来心筋ペースメーカー細胞（分化開始１か月後）の数理モデルを作成することができた。また、本モデル細胞のパラメータ依存性分岐構造を解析するためのシステム（プログラム群）を構築し、次年度に予定している「モデル細胞の分化成熟過程における分岐構造の解析」の準備も整えることができた。このように平成26年度当初の研究到達目標はほぼ達成されており、本研究全体として順調に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度には、電気生理学的実験データベースをさらに拡充するとともに、ヒトES細胞由来心筋細胞の分化成熟過程（分化開始後１か月以降）における分子生物学的・電気生理学的特性の変化を追跡評価し、モデル心筋細胞の分化成熟過程での（電気生理学的特性の変化に伴う）分岐構造を理論的に解析することにより、分化成熟過程における自動能の力学的発現機構を解明する予定である。そのための方策として、鳥取大学大学院医学系研究科（再生医療学）とより密に情報交換を行うとともに、学会・研究会（生理学会大会等）に積極的に参加し、理論的解析方法に関する専門家からの助言を得ることとする。また、モデルシステムの数学的構造解析に要する時間が大幅に増加することが予想されるため、ハードウェア（ワークステーション）のスペック向上とGPUを利用した高速数値計算用ソフトウェアのバージョンアップにより、解析効率（数値計算速度）を大幅に向上させることを考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究開始当初、データベース作成とデータ分析が予定よりやや遅れたため、情報収集と成果発表のために予定していた学会・研究会への参加が生理学会大会（成果発表）１回のみとなり、旅費の支出が当初の予定より少なくなった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
２年目（平成27年度）は、成果発表および情報収集のための学会・研究会参加の回数を研究計画提出時より２回多く予定し、より積極的なデータ収集とより多くの情報発信を行う予定である。
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