2019 Fiscal Year Annual Research Report
Measuring the mechanics of cardiomyocyte beating with feedback control using MEMS sensors and actuators
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18H03759
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| Research Institution | Toyama Prefectural University |
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Principal Investigator |
下山 勲 富山県立大学, 工学部, その他 (60154332)
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2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | MEMSセンサ / 心筋細胞 / フィードバック制御 / 拍動力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、心筋細胞外部の境界条件として、外部弾性率を時間変化も許して計測対象となる心筋細胞に与えながら、心筋細胞の力と長さの関係（Force-Length-Relation；FLR）を計測する。境界条件として弾性率を与える方法は、心筋細胞の力と変形量を計測しながら、外部弾性率に対応する力と変位になるようリアルタイムでフィードバック制御する。計測の結果として生理的条件下での心筋細胞の拍動をFLRダイアグラム上の軌跡として表現し、それが、外部弾性率＝負荷の強さとどのような相関関係にあるかを正確に解析する。
これらの目的を果たすため、平成31（令和元）年度は、センサ信号をフィードバックしてピエゾアクチュエータを制御することが可能な実験セットアップおよび制御プログラムを用いて、実際に心筋細胞のFLR計測を行った。心筋細胞の拍動や刺激への応答を十分な精度で測定できるであろうサンプリング周波数10 kHzに対して、40 kHz相当のサンプリング周波数を実現し、この条件の下でノイズの抑制やセンサ性能の見積もりを行った。正確には、100 kHzのサンプリング周波数で計測を行い、得られたデータに40 kHzのローパスフィルタを適用することで、ノイズを抑制した。力を計測するためのカンチレバーは、バネ定数が0.76 N/mであり、変形に対しては14 nm、力に換算すると57 nNの分解能を示した。
前年度に顕微鏡下にインキュベート機能を設けることで、心筋細胞が健康な状態で長時間の計測ができるようになっていた。これに加えて今年度は、微分干渉や蛍光染色による観察を高度化し、あるいは高速度カメラを利用して、計測中に細胞の状態を精細に観察できるようになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画において平成31（令和元）年度に実施予定だった項目は概ね実施することができた。目標とする10 kHzのサンプリングレートに対して、40 kHz相当を実現した上でノイズを十分に抑制できたことは特筆に値する。また、前年度に前倒しで実施していたピエゾアクチュエータのフィードバック制御についても、制御方法を改良することによって等尺収縮の精度を0.32 μmにまで向上することができた。
心筋細胞のFLR計測にアクチュエータのフィードバック制御を組み合わせた実験セットアップを、ソフト・ハードの両面で確立するという本年度の目標に対して、これを文字通りに達成するのみならず、蛍光顕微鏡観察などの可視化方法の高度化にも注力したことで、より多角的な細胞計測ができるようになった。このこと自体は、次年度以降の成果に貢献するものと期待している。
今後の心筋細胞計測への布石として、センサシステムの基本性能を網羅的に明確化した点も大きな成果と考えられる。私たちが専ら利用するピエゾ抵抗型力センサは、力だけでなく温度変化や光にも反応してしまう。そこで、こうした環境ノイズに対する補償用センサを併置し、力由来の信号だけを検出できるようにしている。また、サンプリング周波数とノイズ対策はトレードオフの関係にあるが、両者の折り合いをつけて40 kHz相当の高速計測を実現した。さらに、センサの力分解能やバネ定数、心筋細胞の出力やヤング率といった基礎データが得られたことにより、今後の計測データに対して多面的な解析を施すことが可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成31（令和元）年度までに開発したフィードバック制御システムを活用して、心筋細胞の等張収縮および等尺収縮をともに高精度で行えるようにする。その上で、臓器としての心臓と同様の生理的条件下でのFLR計測を行い、心筋細胞の拍動特性を詳細に調べる。こうした生理的条件を実現するためには、フィードバック制御用のプロトコルやプログラムをさらに高性能化する必要がある。具体的には、ある瞬間のセンサ信号だけでなく、それ以前の履歴も利用すること、細胞や培地の材料力学的性質を考慮した制御関数の最適化を行うこと、などが考えられる。
心筋細胞の生理的条件が高精度に実現できるようになったら、心臓のフランク・スターリング則がどの程度細胞レベルでも成立するかを定量的検証する。臓器と細胞との間に違いがある場合には、それが何に由来するかという仮説を立て、その正当性を実験的に示す。また、心筋細胞の拍動特性がカルシウム阻害剤などの薬物的刺激に対してどのように変化するかを調べ、生体の外因性調節が心臓機能に及ぼす影響について議論する。
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