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心肌细胞建模的可能性，考虑到机械电 - 电化学偶联现象。具体而言，获得了以下结果。首先，我们设计了一种使其稳定和离散化为较低的计算负载的方法，而不是以前通过更改未知数字的方法。此外，尽管固定电荷在常规的三相理论中是恒定的，但我们通过使其变量将其连接到细胞生理模型成为可能。特别是，在细胞膜中，我们认为三相理论的电气中性条件在两个细胞和细胞之间存在，我们使其与细胞生理模型一致，该模型认为膜是电容器。通过实施上述方法，我们能够解决细胞组织，细胞流体流动，压力，离子流动（电流）的所有变形，并通过耦合进行电势。然后，使用一个简单的二维模型来解决细胞组织，细胞流体流动，压力，离子流（电流）和电势的变形。 Although there is a case, the basic behavior was investigated by numerical calculations, and we confirmed that a) when a concentration gradient is applied to only one ion from a state in which multiple ions are distributed uniformly, other ions also migrate according to the potential gradient, b) the potential gradient is generated by the presence of fixed charge, c) the flow of cell fluid due to deformation of cell tissue can change the ion concentration per cell tissue.我们还检查了离子的浓度梯度，潜在梯度和对流，并讨论了这些因素结合并影响心肌细胞的行为。此外，我们进行了类似于使用电场的分离心肌细胞的激发实验的数值实验，并获得了相似的结果，尽管质量上。如上所述，我们证明，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