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単離心筋細胞を用いた心臓力学研究

 心臓は全身に血液を送り出すポンプとして力学的に機能しています。心臓生理学研究において力学は基本かつ重要であり、昔から摘出心標本などを用いた研究が盛んに行われてきました。

心筋細胞は心臓において統合された収縮機能としての最小単位です。よってその力学を詳細に研究することは臓器としての心臓の挙動を理解する上で非常に重要です。われわれは単離心筋細胞の長さ及び張力を自在にコントロールする技術を用いて、生体内心の圧容積関係と同じ機械環境を顕微鏡下に単離心筋細胞に再現することに成功しました。この技術を用いて、臓器レベルとしての心臓の挙動と細胞レベルの力学を統合する研究を進めています。

カーボンファイバーを用いた
心筋細胞機械負荷制御システム
上システムで再現した等張力性収縮と等尺性収縮

心筋における機械電気相互作用の解明

 心筋細胞の電気的な興奮は細胞内にカルシウムを動員し、収縮という機械的活動を起動します(興奮収縮連関)。しかし近年、逆に機械的負荷が直接または間接的にカルシウムハンドリングや電気的活動を修飾することがわかってきており、両者は双方向に影響を及ぼし合っていることが明らかになってきました(機械電気相互作用)。つまり常に収縮・弛緩を繰り返し、ダイナミックに機械的状態が変化する心臓の生理機能の解明には機械電気相互作用の研究が不可欠であるということです。
左心室伸展刺激によって誘発された不整脈(矢印)
 単離心筋細胞標本は摘出心標本ではできない様々な研究を可能としますが、これまで行われてきた心筋細胞生理研究のほとんどは機械的に無負荷な状態で行われているため、機械電気相互作用を考慮に入れていません。我々は単離心筋細胞への機械負荷技術を用いて様々な機械電気相互作用の生理的役割を解明しようとしています。
伸展刺激下での電気生理実験
伸展刺激によるカルシウムスパークの増加

心筋細胞数理モデルの開発

様々な要素が複雑に絡み合って機能している生体では、要素還元的に得られた一つの実験結果が統合生理機能にどのように関わっているかを予測するのは簡単なことではありません。我々はカルシウム動態と力学の再現に優れた独自の心筋細胞数理モデルを開発し、それに機械刺激実験結果を組み込んでコンピューターでシミュレーションすることにより、その統合機能への関与を明らかにしようとしています。
機械刺激誘発性不整脈(矢印)の再現シミュレーション
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