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研究室だより Vol.12 和田研究室

生体工学領域 生体機械科学講座 バイオメカニクスグループ

医学と工学をむすぶ生体力学シミュレーション

教授・和田成生、講師・越山顕一朗、特任准教授・伊井仁志

kentayori_v12 当研究室では、生体計測と様々な計算力学シミュレーションを組み合わせて、細胞から組織、器官に至る生体のマルチスケールな物理現象とそれに関わる生物 現象を統合的に理解する研究を行っています。これにより、生体の機能発現の基礎となる力学特性だけでなく、生体特有の力学的適応現象やリモデリングのメカ ニズムの解明を目指しています。また、得られた知見をもとに、病気の診断や治療、進行予測に生体力学シミュレーションを活用する新しい医療支援システムの開発を行っています。
 今回紹介するのは、血液の主成分である“赤血球”の膜破断に関する分子シミュレーション研究です。赤血球は心臓を出発して肺で酸素を獲得して心臓に戻り、次に全身を回って酸素を体の至る所に輸送して心臓に戻り,再び肺へと出発する循環をしています。赤血球の通過する血管は狭いところではそのサイズよりも小さく、また循環中に血流は様々に変化します.このため,循環中に赤血球は様々な力学的負荷 (つぶされたり、ひっぱられたり)を受けます。時には、過度な力学的負荷によって赤血球を覆う膜が破れて内容物がでてしまう“溶血”が生じます。溶血は、特に弱くなった心臓の働きを補助するための医工学技術の一つである補助人工心臓ポンプの設計において問題となります。しかし、溶血はナノ(10-9)メートルサイズの膜のナノ秒での構造変化を伴うため、通常の実験装置などでは観察することができません。そこで、我々は膜の構造変化を分子レベルで追うことが可能な生体膜分子動力学シミュレーションを利用して研究を進めています。最新の研究では、赤血球膜の主成分の一つであるコレステロールが力学的負荷下での膜構造変化に与える影響を分子レベルで詳細に明らかにしています(図参照)。

図:力学負荷前後のコレステロールを含む生体膜分子モデルの側面図。力学負荷によって二重層構造から組み込み一重層構造への相転移が観察される。

和田研究室
https://sites.google.com/site/biomechwadalab/

参考論文
http://www.nature.com/articles/srep15369

Last Update : 2016/04/26