代謝細胞モデルから冠循環動態までを統合した全心臓マルチスケール解析

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本研究は細胞内の分子構造から心臓の臓器レベルまでマルチフィジックスな現象を統合的に解析することを目標とし,昨年度においては心筋の主要な細胞内器官の微細構造を精緻に再現した有限要素解析を実現した.本年度はそのモデルを用いて応用解析を行った.細胞内Ca勾配がミトコンドリアの代謝に与える影響,膜の陥没構造T管の欠損による収縮能への影響,ミトコンドリアの形態変化が代謝に及ぼす影響,に関する解析はそれぞれ論文として発表した.並行して更なるモデルの精緻化を試みた.昨年度構築した細胞モデルでは、計算コストやモデル化・実装の困難さを著しく増大させる流体運動と移流・電位勾配がイオンに及ぼす影響を無視した解析を行ったが,これらは微小な領域での精緻なモデル化においては必要であると考えられる.本年度はこれらを考慮した解析の実現手法として三相理論の定式化とその細胞モデルへの適用を行った.具体的には流体の速度と圧力・電位と電化を考慮したイオンの濃度の自由度を新たに加え,連成した平衡方程式を解いた.解析結果より,流体や電位勾配の影響は十分に小さく,細胞の一般的な電気生理現象に関しては従来のモデル化で十分に再現できることを確認し,正常な細胞全体の挙動の解析における昨年度のモデル化の妥当性の再評価がなされている.その上で,脱分極時に起こる微小な電位勾配の影響や、T管など微細構造内の流体現象が細胞挙動に及ぼす影響等,実験的な時間・空間解像度の限界を超えて現象を評価・考察することを可能とし,医学的に有用な知見を得た.