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

基本信息

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

项目摘要

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。

本研究的第一个目的是使用iPS细胞来源的心肌作为实验模型以获得有关机制的基础知识，旨在设计心肌中从化学能到机械能的多尺度能量转换机制。利用细胞（以下简称iPS心肌细胞）和聚合物基生物材料开发一种自收缩原始心脏型泵。此外，目的是建立数学和仿真模型来描述脉动行为和流体循环。 2021年，即该项目的第一年，取得的主要研究成果如下。 (1)通过将iPS心肌片附着到圆柱形聚合物材料的表面来创建搏动圆柱形结构。 (2)我们成功地利用图像相关方法测量了表面的变形行为，并从结果中获得了主应变的时间变化。此外，我们能够使用主动应力的理论公式来评估主应力，并将其与应变相结合，我们能够获得应力-应变行为。我们还成功开发了一种原始的粘弹性模型，可以高精度预测应力应变行为。 (3)通过在圆筒结构内部放置分散有细小颗粒的介质，产生脉动流，并通过拍摄视频后测量颗粒的位移，成功地定量评估了流动。接下来，我们提出了一个基于流体力学的简单理论模型，并与实验进行了比较。 (4) 尝试使用3D生物打印机使用聚合物凝胶开发原始心脏模型，结果证实中心的微型心脏瓣膜可以打开和关闭。 (5) 利用 3D-CAD 设计的简单泵结构，我们成功地使用 3D 生物打印机制造了实际装置，并通过将细胞片附着到表面来确认细胞亲和力。