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

慢性血液透析治疗中心肌细胞搏动的最优控制研究

基本信息

批准号：
21H03848
负责人：
濱田浩幸
金额：
$ 11.4万
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

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。

慢性血液透析治疗经常导致心脏功能障碍（心律失常、心脏骤停、心力衰竭）。迫切需要确定心脏功能障碍的机制并制定避免这种疾病的策略。第一年，我们基于电生理学对心肌细胞搏动进行了数学分析，发现由于血浆和透析液之间的钙离子浓度差异而导致Na/Ca交换器的电解质转运能力增强与收缩功能障碍相关在治疗过程中发现这是心律失常的原因之一。今年，基于这些知识，我们开始构建一种技术，通过动态控制透析液电解质浓度和 Na/Ca 交换抑制剂来优化治疗期间心肌组织搏动能力。具体来说，我们将构建一个基于计算解剖学和组织工程的计算机和体外模拟器，以1）验证当前治疗期间的心肌组织搏动能力，2）研究血浆和间质液电解质动力学以及心肌组织搏动的实际检查。动力学能力之间的关系。当前治疗期间的钙离子动力学对心肌组织的收缩力降低有很大影响，表明保持血浆和透析液之间钙离子浓度差异较小的重要性。该研究成果得到了日本人工器官学会的高度评价，并获得了最佳论文奖。此外，我们利用人工智能和数值模拟技术，创建了根据血浆电解质浓度评估心肌搏动的机器学习模型，并开发了透析治疗期间电解质浓度的最佳控制系统，为稳定心肌搏动奠定了基础。我们还设计了一个测试系统来评估 Na/Ca 交换抑制剂对小鼠心肌细胞心肌搏动能力的影响。此外，利用该测试系统，我们还设计了一个测试系统来演示透析治疗过程中电解质浓度最佳控制的概念，以稳定心肌搏动。