電気機械帰還現象を利用した数値計算と実験による心筋細胞膜の力学特性の調査

利用机电反馈现象通过数值计算和实验研究心肌细胞膜的机械特性

• 批准号: 09J10630
• 负责人: 朝原 智子 (平林 智子)
• 金额: $ 0.9万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2009
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2009 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J10630/
• 关键词: バイオメカニクス; 有限要素法; 非線形問題; 連成問題; 三相理論; 心筋細胞; 細胞膜; イオンチャネル

心臓における機械電気帰還現象の解明を目的とし、力学・電気化学連成現象を考慮した心筋細胞モデル化への三相理論適用の可能性を検討した.具体的には下記の成果が得られた.まず,未知数の取り方を変更することで,安定かつ従来よりも低計算負荷に離散化する手法を考案した.また従来の三相理論では固定電荷は一定であったが,これを可変とすることで細胞生理学モデルと接続する工夫を行った.特に細胞膜においては,これをはさんだ細胞内外で三相理論の電気的中性条件が成立すると考え,膜をコンデンサとみなす細胞生理学モデルと整合させた.以上の手法を実装することにより,細胞組織の変形,細胞液の流れ,圧力,イオンの流れ(電流),電位を総て連成して解くことが出来るようになった.そして,2次元の簡単なモデルではあるが,基礎的な挙動を数値計算により調べ,a)複数のイオンがそれぞれ均一に分布している状態からある一つのイオンのみに濃度勾配を与えた際に他のイオンも電位勾配に従って移動する,b)固定電荷の存在によって電位勾配がうまれる,c)細胞組織の変形による細胞液の流動は細胞組織あたりのイオン濃度を変化させ得る,などを確認した.またイオンの濃度勾配,電位勾配,移流に関する考察を行い,心筋細胞の挙動にはこれらの因子が複合して影響を及ぼすことを論じた.更に,電場による単離心筋細胞の興奮実験と類似の数値実験を行い,定性的にではあるが同様の結果を得た.以上のように,極めて簡単な2次元モデル化やパラメータ設定の下でも三相理論を応用することにより心筋細胞の基本的特性を表せることを実証した.

为了阐明心脏中的机械和电反馈现象，我们研究了将三相理论应用于考虑机械和电化学耦合现象的心肌细胞建模的可能性。具体来说，获得了以下结果：通过改变未知数的获取方式，我们设计了一种稳定的离散化方法，并且比传统方法需要更少的计算。此外，在传统的三相理论中，固定电荷是恒定的，但我们将其设为可变的细胞生理学。经过我们设计了将模型与模型联系起来的方法。特别是，我们认为三相理论的电中性条件是在细胞膜和细胞外部之间建立的，并使这与细胞生理学模型一致：通过实施这种方法，可以通过耦合细胞组织的变形、细胞液的流动、压力、离子的流动（电流）和电势来解决该问题。模型然而，我们通过数值计算研究了基本行为，发现a）当从多个离子均匀分布的状态仅对一个离子施加浓度梯度时，其他离子也会根据电位梯度移动；我们证实b） ) 固定电荷的存在会产生电位梯度，并且 c) 由于细胞组织变形而导致的细胞液流动可以改变每个细胞组织的离子浓度。我们考虑了分布、电位梯度和平流，并认为这些因素对心肌细胞的行为有综合影响。此外，我们进行了类似于使用电场的离体心肌细胞激发实验的数值实验，我们获得了定性相似的结果。如上所述，我们证明了即使在极其简单的二维建模和参数设置下，也可以通过应用三相理论来表达心肌细胞的基本特征。

项目成果

Effects of Wall Stress on the Dynamics of Ventricular Fibrillation. A computer simulation study of mechanoelectric feedback

壁应力对心室颤动动力学的影响。

• 发表时间: 2009
• 期刊: Mechanosensitivity in Cells and Tissues : Mechanosensitivity of the Heart
• 作者: Satoko Hirabayashi;Masashi Inagaki;Toshiaki Hisada;Masaru Sugimachi
• 通讯作者: Masaru Sugimachi