| 研究課題/領域番号 |
26560225
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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)
大山 廣太郎 早稲田大学, 理工学術院, 助教 (70632131)
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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 | ナノバイオ / 先端機能デバイス / 循環器・高血圧 / 分子イメージング |
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| 研究実績の概要 |
H26年度、以下の研究を行い、心疾患超早期画像診断装置の基盤技術の開発を行った。
・小動物in vivo心臓において、心筋細胞内のナノ分子情報を抽出できる顕微システムを構築した。すなわち、マウスin vivo心臓（左心室壁中央部の表面）において、心筋細胞内のサルコメアの動きや（収縮のトリガーとして働いている）Caの動きをナノレベルで捉えることに世界で初めて成功した（論文投稿中）。サルコメアについてはAcGFPをZ線（αアクチニン）に発現させることによって、CaについてはCa感受性蛍光色素を心筋細胞内に導入することによって、in vivo心筋ナノイメージングを実現した。
・心臓は、収縮と拡張を繰り返す臓器であるため、それ自体が動きを伴い、左心室内圧が比較的高い場合（>~70 mmHg）、心サイクルの異なる時点において焦点がずれてしまい、本研究申請時点の顕微システムでは明瞭な蛍光画像が得られないという欠点があった。そこで、H26年度、対物レンズに高性能のピエゾモーターを組み入れ、心臓拍動中、Z軸方向に高速で動かすことによって、左心室内圧に依らず、心サイクルの全ての時点において明瞭なサルコメア画像を取得することに成功した（空間分解能：20 nm、時間分解能：10 ms）（論文投稿中）。
・In vivo心筋細胞内のCa拡散について、従来にない新たな解析法を考案した。すなわち、細胞膜の脱分極に続く初期Ca発火を起源とするCa拡散について、定量的な解析法を開発した（論文作成中）。これにより、心疾患病態の超初期における心筋細胞内局所Ca変化の動態を定量的に明らかにすることが可能となった。
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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、光学顕微鏡をベースとした最先端のナノ計測技術を小動物in vivo心臓に応用し、時間・空間分解能のいずれの面においても従来の診断装置をはるかに上回る、心疾患超早期画像診断装置の基盤技術の開発を行うことである。多くの心疾患は進行性をともなうため、心臓突然死のリスクを低下させ、患者のQOL（生活の質）を改善するためには、出来る限り早期に発見し、適切な治療を速やかに行うことが求められる。しかしながら、臨床で現在使用されている診断装置（X線-CT、MRI、超音波など）は精度が十分でないため、心疾患の超早期の段階で生じる心筋細胞内の微小な機能・構造異常を捉えることができない。H26年度、申請者らは、最近、マウス個体の心臓から心筋細胞内の最小収縮構造ユニットであるサルコメアの動きを高空間（20 nm）・時間（10 ms）分解能でリアルタイム計測することのできる顕微システムを開発することに成功した。このシステムは、心拍という周期的な”動き”の中から心筋細胞内ナノ情報を抽出し、正常、病態時における興奮収縮連関のダイナミクスを可視化するものである。この研究から得られる知見は、心疾患の病態概念、治療方法、さらに超早期の診断技術をドラスティックに変える可能性を秘めている。本研究の申請段階においては、心臓内圧が低い場合についてのみ心筋細胞内情報の抽出が可能であったが、顕微システムに大幅な改良を加え、対物レンズをZ軸方向に高速で動かすことによって、心臓内圧が高い場合にもサルコメア動態のイメージングが可能となった（論文投稿中）。この3次元イメージング法の開発によって、心臓内圧が高くなるような疾患にも、また、それが低くなるような疾患にも、本顕微システムの適用が可能となった。したがって、本研究は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 |
H27年度、以下の三つの研究を行う。
1）H26年度の研究によって、in vivo心臓においてサルコメアの動きを20 nmの空間分解能、10 msの時間分解能で、3次元的に計測することが可能になった。申請者らは、細胞レベルの実験において、3 nmの精度でサルコメア長を計測する技術を確立している（J Gen Physiol 2014）。心疾患超初期において生じるサルコメア動態の変化は数nmのレベルである可能性が高く、精度の向上は不可欠である。よって、本年度の研究によって、5 nmの空間分解能を目指す。また、上述した3次元的な計測では扱うデータ量が多く、情報処理能力の向上が求められる。そこで、ソフトウエアを独自に開発することによって、データ処理を自動化させる。
2）H26年度は、健常マウスを使った研究、すなわち基盤システムの構築が順調に進展した。したがって、in vivo心筋ナノイメージング法を代表的な心疾患の動物モデル（①拡張型心筋症、②心肥大、③異型狭心症、など）に応用し、サルコメアの挙動や細胞内Ca動態にどのような変化がもたらされるか、それらを分子論的に定義し、病態の分類を行う。
3）iPS細胞は、将来、心臓病にも応用されることが期待されており、現在、心筋に分化させたiPS細胞を使った研究が国内外で広く行われている。しかしながら、臨床応用を目指す場合、iPS細胞による治療効果について、分子論的な裏付けが必要であることは言うまでもない。申請者らは、マウスのiPS細胞を心筋細胞に分化させることに成功しており、まずは細胞レベルで機能測定を行い、成体マウスから単離した心筋細胞と比べ、興奮収縮連関にどの程度の違いが見られるかを定量化する。その上で、iPS細胞由来心筋細胞をマウスin vivo心臓に投与し、同様の検討を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究の初期段階（初年度）において最も重要なことは、in vivo心臓イメージング用顕微システムを改良し、心筋細胞内サルコメアやCaの動態を3次元的に高時間・空間分解能で計測するシステムを構築することである。この顕微鏡システムの一部を申請者らが自作することによって、当初の計画よりも開発費用を低く抑えることに成功した。このため、49,566円の次年度使用額が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
H27年度は、H26年度に開発した顕微システムを駆使し、様々な心疾患モデルマウスを用い、in vivo心筋細胞内サルコメアやCaの解析を行う予定となっている。マウスのin vivo心筋ナノイメージング実験を行うためには、マウスはもちろんのこと、麻酔薬やその他の試薬が必要となる。これらの購入に充て、最大限の成果を得ることに努める。
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