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。

这项研究的主要目的是开发一种原始的心脏泵，该泵使用IPS细胞衍生的心肌细胞自动收缩（以下简称IPS型心肌细胞）和基于聚合物的生物材料作为实验模型，以获得有关机制的基本知识，旨在利用Myarcardium在Myardium中。此外，它是建立一个数学模型和仿真模型，以描述脉动行为和流体循环。在2021年该项目的第一年获得的主要研究结果如下：（1）通过将IPS心肌板连接到圆柱体成型聚合物材料的表面来产生脉动圆柱结构。 （2）使用图像相关方法测量表面的变形行为，并使用结果来获得主应变中的时间变化。此外，使用主动应力的理论方程式评估了主应力，并通过将其与应变结合，获得应力 - 应变行为。此外，我们已经成功开发了一种原始的粘弹性模型，该模型以高精度预测所获得的应力应变行为。 （3）通过在圆柱结构内部含有细颗粒的培养基，产生了伴随脉冲的流动，并通过在移动图片后测量颗粒的位移，对流量进行了定量评估。然后，提出了基于流体力学的简单理论模型，并将其与实验进行了比较。 （4）由于尝试使用3D生物生产剂使用聚合物凝胶开发原始的心脏模型，因此可以证实，中央部分中的迷你心脏阀将打开并关闭。 （5）关于使用3D-CAD设计的简单泵结构，我们使用3D BioProinter成功地制造了一台实际的机器，并且我们能够通过将细胞板连接到表面来确认细胞亲和力。

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