バイオスーパーコンピューティング研究会 (BSCRC)
2010.10.15 14:35 - 15:25

第二回総会・講演会

テーラーメード医療への応用を目指したマルチスケール、マルチフィジックス心臓シミュレータ
杉浦 清了, 岡田 純一, 鷲尾巧, 渡邊浩志, 久田俊明
東京大学大学院新領域創成科学研究科

1

循環器領域では早くから5.シミュレーションの例
シミュレーションの有用性が認識されていた

Circ Res 2003

2

マクロの指標に基づくシミュレーショ
ンは病態を明解に説明できる。

しかし一方で……….

3

• 薬のターゲットは分子• 疾患と遺伝子異常の関係 — 病因？
Ex.
家族性肥大型心筋症
Ex.

Linkage analysis

原因不明の心肥大
若年での突然死

収縮タンパクミオシンの点突然変異

これらの変異はタンパクの機能低下を来たす！
force

しかし…

R397Q

心肥大

F506C
G575R？

A699R
K703Q
K703W

突然死

全て説明できるわけではない。
Fujita et al. 1996

4At the benchG ene

At the bedside

GappathwayTranscripfac tiona
torl5

Creating the heart in silico
frame work of the modelortussinagellecmceloeslu

6Electrophysiology model for excitation
TenTusscher K.H.W.J. et al Am J Physiol 2003
Courtemanche M. et al Am J Physiol 1998

Iion=INa+IK1+Ito+IKr+IKs+ICaL+INaCa+INaK+IpCa+IpK+IbCa+IbNa………..

INa  GNam3  h j  (V  ENa )ICa,b ICa INaCa Ica……..

・・・・2+CaI leak  Vleak (Ca sr  Cai )JSR NSR

V max up

I up 1

K up2
CaIK1 IK INaK INa2i
Ca sr2I rel   a rel 2
 crel  dg
2brel  Ca srIrel

INa,bdV I ion  I stim
dt
CmContraction model7

Sarcomere dynamics model for contraction

N:non-permissive
P:permissive
0: Ca1: Ca+

8

Ising model by Rice J.J. et al. Biophys J2003

Virtual myocytes are coupled to build the tissue structure
Virtual myocyteIstime

Bidomain model  E   V Cm  Iion   I stime Gij
xi  x j  tEGV   I  E  I  I V  Cm
 I ion   I stimi Gij
xi x j t

Monodomain model

Eij

CmG

E

Extra-cellular liquid

ImIionVImIij

I

Gap junctions

CellmodelIstimi
Intracellular domain

9CT画像に基づいた心臓有限要素法モデル
CT images

3D reconstruction10心筋の線維方向とシート構造のモデル化

心室内膜外膜心房Streeter DD et al, Circ Res 1969;24:339
Streeter DD et al, Circ Res 1973;33:656

LeGrice, Hunter, P. J. et al.

AJP .1995.

Costa K D, et al, AJP 1999

11刺激伝導系

TawaraOne-dimensional Finite Element Network was constructed based on
anatomical data.
Cell model: DeFrancesco and Noble, 198512

力学解析用Tetrahedral FEM model

興奮伝播解析用voxel model

Torsostructure

Excitation
propagation）

電（器

導伝気度

664,334 elements
2,561,750 DOF

19,088,161
要臓nodesHeart

主fluidDeformation

30,819,249 nodes(Total 49,425,860 nodes )435,227 elements
1,668,669 DOF(total ～4.2 million DOF)

13

血管系との結合肺から ICa,bICa INaCaIca………..

体循環系から……..

左手へ脳（左）へ

2+Ca

JSR NSR

腹部・下肢など残りの体循環系へ
I I

K1 K

脳（右）と右手へ

IMyofibril
NaK INa
N.S.R

Q rel Q

Qleak

INa,bJ.S.R

pump

Q rel
Z line肺へi

ファイバー方向

Finite element
前壁側

後壁側

14

興奮伝播
房室結節
右心房

左心房

プルキンエ線維右心室

左心室

slow motion 15

16冠循環のモデル化
1. 心表面の血管 (artery and vein)17

2. 小血管 & 微小循環

arteryarteriole

network model

capillaryporous medium

venulesmall veins

network model

Biphasic theory

18

400

大動脈圧
左心室圧

200

動脈への流入量微小循環

1510
静脈からの流出量

5静脈（6+1 levels）

右冠動脈・血管壁内におけるＬＤＬ蓄積
圧力[KPa]流量[ml/min]

動脈（6+1 levels）

体積弾性圧
心筋内圧

001414.2

14.4
14.6
時間[s]

14.8

1519

20

In silico 診断＆治療-- Clinical application and verification --21

Flow rate [m/sLVP
Aoflow
M-flow

3

LVP [Pa]

1. 血行動態22

Kern MJ Hemodynamic Rounds Wiley-Liss 1994 pp10, 心臓の適応と制御 菅、堀編 3.7 心房機能 荒川ら
Kern MJ Hemodynamic Rounds Wiley-Liss 1994 pp10, 心臓の適応と制御 菅、堀編 3.7 心房機能 荒川ら

In silico 診断
2. 心電図
膜電位

体表面電位
第二誘導I
新心電図IIIII

V1

V2

V3

V4

V5V6233. 心エコー24心室細動 Ventricular fibrillation (VF)Membrane potential
Body surface map

II lead25

バーチャル心臓手術
Case#: 梗塞後の心室瘤

左室瘤

26

②modest

術前①③

Left Ventricular Pressure [KPa]？

radical－－－

10

①②
③

5040

EF

60
80
100120
Left Ventricular Volume[cc]

140

34.9
46.6
50.9
27

Optimal design of the graft

28

29

冠動脈狭窄： 流量
Normalconractility
10

LAD stenosis

0 0.15

0.6

1X (relative flow）

LCX stenosis

30

Normal

局所仕事EF 59%
LAD stenosis (EF 41%)

ＬCX stenosis(EF 46%)31

局所仕事 2Normal
EF 59%
ＬＡＤ stenosisi(EF 41%)

ＬCX stenosis(EF 46%)32

心臓シミュレーターによる新しい医学
画像情報

統計的相関
経験

臨床検査
BNP
troponin-T

症状

HbA1c

CK-MB+

臨床データベース

従来の診断

・・
・・
・

基礎医
学

全ての知識・データの統合による論理的、迅速な診断

解剖
生理
分子生
物学

個人・心臓シミュレータ

33http://www.sml.k.u-tokyo.ac.jp/34