怖いときや、昔会ったばかりの恋人に突然会ったときなど、心臓が「ドキッとする」ことはあるかもしれませんが、現実世界では不整脈は危険な場合があります。心臓が十分な血液を全身に送り出せなくなると、臓器不全や脳卒中を引き起こす可能性があります。また、特定の処方薬は、適切な検査を受けていないと、心臓の自然なリズムを乱す可能性があります。
新薬がこうした致命的な副作用を引き起こさないことを確実にするため、科学者たちは人間の心臓の3Dモデルを構築しました。2,200万個の「細胞」で構成されるこのモデルは、分子レベルから臓器レベルまで、例えば細胞膜のイオンチャネルから血液を送り出す筋肉の収縮まで、心臓の活動をシミュレートします。このシステムは、新薬が不整脈を引き起こすかどうかを科学者が予測するのに役立つ可能性があります。現在、この種のテストは動物実験で行われていますが、これは必ずしも薬が人間にどのように作用するかを反映しているわけではありません。また、被験者にリスクをもたらす可能性のある臨床試験も行われています。このモデルの開発者たちは、このモデルによって将来、薬の試験がより安価で、より迅速で、より効果的なものになると考えています。
しかし、心臓シミュレーションが新薬の試験に信頼できるものになる前に、科学者たちはそれが既存の薬にも有効であることを確認する必要があります。Science Advances誌に掲載された論文で、東京大学の研究者たちは12種類の薬剤がデジタル心拍に及ぼす影響をモデル化することに成功しました。
まず、研究者たちは、ペトリ皿内のハムスター細胞における6種類のイオンチャネルの活性を、それぞれの薬剤がどのように変化させるかを調べました。これらのイオンチャネルは、心臓の拍動を引き起こす、あるいは停止させる電荷を制御するのに役立ちます。研究者たちはイオンチャネルのデータをモデルに入力し、様々な薬剤投与量において、シミュレーションの心拍にどのような影響を与えるかを観察しました。
シミュレーションの結果は、各薬剤について既に知られている事実とほぼ一致しました。不整脈を引き起こすことが知られている8種類の薬剤については、モデルは異常な心拍も再現しました。不整脈を引き起こさない4種類の薬剤については、シミュレーション上の心拍は正常でした。
「この研究の本当の目新しさは、分子レベルでの薬物作用から心臓全体のレベルでの電気伝播の危険な変化までをメカニズム的に結び付けている点です」と、この研究には関わっていないオックスフォード大学の計算生物学者ゲイリー・ミラムズ氏は言う。
研究者たちは高性能コンピューターを使い、心拍を一つずつシミュレートするのに3時間を要しました。時間がかかったため、ほとんどの場合、1回のテストで5つの心拍しかシミュレートできませんでした。
他にも制限事項があります。論文では、シミュレーションには依然として組織コンポーネントが必要であると指摘されています。これは、生細胞で事前に評価されていないイオンチャネルへの影響を再現できないためです。その代わりに、モデルは組織データを統合し、それが心拍への影響という全体像にどのように当てはまるかを検討します。また、ミラムズ氏は、心臓の形状は個人によって大きく異なり、心臓の異なる領域の細胞はそれぞれ異なる電気的特性を持つ可能性があることを指摘しています。このような詳細な情報を取り入れることで、モデルの精度は時間とともに向上する可能性があります。
このシミュレーションは、他の種類の心臓疾患の研究にも間違いなく役立つでしょう。「本論文では示していませんが、私たちのモデルは心臓の活動のあらゆる側面を再現できます」と、本研究の筆頭著者である岡田潤一氏は述べています。「ポンプ機能、代謝、冠血流も評価できます。」
このモデルの仕組みや使用目的について詳しくは、以下のビデオをご覧ください。
