Development of primitive heart model using iPS cell derived cardiomyocytes and construction of cardiac mathematical model

利用iPS细胞来源的心肌细胞开发原始心脏模型并构建心脏数学模型

• 批准号: 21H01215
• 负责人: 東藤 貢
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01215/
• 关键词: 生体力学; 生体材料; 細胞工学; 心筋組織; バイオポンプ; エネルギー変換; 循環器; iPS細胞由来心筋細胞; 循環器モデル

本研究の第一の目的は、心筋における化学エネルギーから機械的エネルギーへのマルチスケールなエネルギー変換機構の工学利用を目指して、その機構に関する基礎的知見を得るための実験モデルとして、iPS細胞由来心筋細胞（以下、iPS心筋細胞）とポリマー系バイオマテリアルを用いて自己収縮する原始心臓型ポンプを開発することである。さらに、拍動挙動と流体循環を記述するための数理モデルとシミュレーションモデルを確立することである。本プロジェクトの初年度である2021年度に得られた主な研究成果は、以下の通りである。（１）円筒形に成形したポリマー材料の表面にiPS心筋シートを貼りつけることで、拍動する円筒状構造体の作製を行った。（２）画像相関法を用いて表面の変形挙動を計測し、その結果から主ひずみの時間変動を得ることに成功した。さらに、能動的応力の理論式を用いて主応力を評価し、ひずみと組み合わせることで応力-ひずみ挙動を得ることができた。また、得られた応力-ひずみ挙動を高精度で予測するオリジナルの粘弾性モデルの開発に成功した。（３）円筒構造体内部に微細な粒子を分散させた培地を入れることで拍動にともなう流動を生じさせ、動画撮影後に粒子の変位を計測することで流動の定量的評価に成功した。されに、流体力学に基づく簡単な理論モデルを提案し、実験との比較を行った。（４）3Dバイオプリンターを用いてポリマーゲルで原始心臓モデルの開発を試みた結果、中央部にもうけたミニ心臓弁が開閉することを確認した。（５）3D-CADで設計した単純ポンプ構造について、3Dバイオプリンターを用いた実機の作製に成功し、さらに表面に細胞シートを貼りつけて細胞親和性についても確認することができた。

The purpose of this study first の の は, heart muscle に お け る chemical エ ネ ル ギ ー か ら mechanical エ ネ ル ギ ー へ の マ ル チ ス ケ ー ル な エ ネ ル ギ ー variations in institutional の technology using を refers し て, そ の institutions に masato す る foundation of knowledge を る た め の be 験 モ デ ル と し て heart muscle cells of the origins, iPS cells (hereinafter, iPS heart muscle cells) と ポ リ マ ー Department バ イ オ マ テ リ ア ル を with い て 収 tuck your す る original heart type viscera ポ ン プ を open 発 す る こ と で あ る. Dynamic と さ ら に, flapping 挙 fluid circulation を account す る た め の mathematical モ デ ル と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル を establish す る こ と で あ る. The following are the られた main な research results な obtained in the first year of プロジェ, ト and ト in 2021. (1) has drifted back towards ¥ cylindrical に forming し た ポ リ マ の ー material surface に iPS heart muscle シ ー ト を stick り つ け る こ と で, flapping す る has drifted back towards ¥ の tubular structure body line for making を っ た. (2) phase portrait masato を with い て surface の - shaped 挙 dynamic を measuring し, そ の results か ら main ひ ず み の time - move を る こ と に successful し た. さ ら に, the theory of the dynamic force of 応 の type を using い て main force 応 を review 価 し, ひ ず み と group み close わ せ る こ と で 応 force - ひ ず み 挙 dynamic を must る こ と が で き た. ま た, ら れ た 応 force - ひ ず み 挙 dynamic を high-precision で to す る オ リ ジ ナ ル の sticky 弾 sex モ デ ル の open 発 に successful し た. (3) has drifted back towards ¥ tube structure internal に imperceptible を な particles dispersed さ せ た を culture into れ る こ と で flapping に と も な う flow を raw じ さ せ, animation, pinch of winner に particle の - a を measuring す る こ と で flow の quantitative evaluation 価 に successful し た. さ れ に, fluid mechanics に づ く Jane 単 な theory モ デ ル を proposal し, be 験 と の is line を っ た. (4) 3 d バ イ オ プ リ ン タ ー を with い て ポ リ マ ー ゲ ル で original heart viscera モ デ ル の open 発 を try み た results, central department に も う け た ミ ニ heart routine chemical が open closed す る こ と を confirm し た. (5) 3 d - CAD で design し た 単 pure ポ ン プ tectonic に つ い て, 3 d バ イ オ プ リ ン タ ー を with い た be machine の as に し success, さ ら に に surface cells シ ー ト を stick り つ け て cell affinity に つ い て も confirm す る こ と が で き た.

项目成果

ヒトiPS細胞由来心筋3次元構造体の作製と拍動にともなう変形・流動の解析

人 iPS 细胞来源的心肌 3D 结构的制备以及与搏动相关的变形和流动分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 栗田寛子;東藤貢
• 通讯作者: 東藤貢