Study on the optimal control of cardiomyocytes beating in chronic hemodialysis treatment

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慢性血液透析療法では、心機能障害（不整脈・心停止・心不全）が多発している。その心機能障害の機序を特定し、その障害を回避する方策を構築することが強く求められている。我々は、初年度に電気生理学に基づく心筋細胞拍動能の数理解析を実践し、血漿と透析液の間のカルシウムイオン濃度の較差に伴うNa/Ca exchangerの電解質輸送能亢進が治療中の収縮不全と催不整脈の要因の１つであることを特定した。今年度は、その知見に基づき、透析液電解質濃度の動的制御ならびにNa/Ca exchangerの阻害薬を用いて、治療中の心筋組織拍動能を最適制御する技術の構築に着手した。具体的には、計算解剖学と組織工学に基づく in silico & in vitro simulatorを構築し、１）現行の治療中の心筋組織拍動能の検証、２）血漿ならびに間質液電解質動態と心筋組織拍動能の関係の精査を実践した。現行の治療中のカルシウムイオン動態は心筋組織の収縮力低下に強い影響を持ち、血漿と透析液の間のカルシウムイオン濃度の較差を小さく保つことの重要性が示された。この研究成果は日本人工臓器学会より高く評価され、論文賞を受賞した。さらに、人工知能と数値シミュレーション技術を用いて、血漿電解質濃度から心筋拍動能を評価する機械学習モデルを作成し、心筋拍動能の安定化を目的とする透析治療中の電解質濃度の最適制御システムの基盤を構築した。また、マウス心筋細胞を用いてNa/Ca exchangerの阻害薬が心筋拍動能に及ぼす影響を評価する試験系を設計した。さらに、その試験系を用いて、心筋拍動能の安定化を目的とする透析治療中の電解質濃度の最適制御の概念実証を行う試験系も設計した。