仮想的時空間に細胞の活動を実現する電子教材(e-Heart)開発

~体のメカニズムを理解!創薬研究にも利用可能な実用ソフトウェア~

生命科学部 生命情報学科

教授 天野 晃

総合科学技術研究機構

客員研究員 野間 昭典

共同研究者

株式会社 知能情報システム

研究内容

コンピューター技術を駆使して様々な数理モデルを動かし、心臓・細胞・イオンチャネル等の働きをコンピューター画面にわかりやすく展開し、誰でもどこからでも、簡単にアクセスし、利用することができるソフトウェアの電子教材「e-Heart」を開発した。このシステムを使えば、通常の医学部や薬学部における教育に加え、開発途上国でも、動物を使った実習に比べて、格段に廉価に最新の研究成果に基づいた高度教育が可能になる。また、臓器モデル等のシミュレーションを通じて創薬分野への応用や異分野融合による医学生物学的研究の効率化につながる。

e-Heartとは?

  • ・細胞や心臓などの生体現象を数理モデル化したソフトウェア
  • ・数理モデルを用いて生体現象を仮想的にシミュレーションできる
  • ・現象の予測が可能になり動物実験にかかるコスト削減が可能
  • ・シミュレータを用いた現象の理解が可能



●Modelsフォルダには4つのテーマに分類

  • 1.電気生理学総論
  • 2.細胞モデル
  • 3.不整脈関連
  • 4.血液循環


●Textsフォルダには実習で使える解説書

1.はじめに(詳細ヒト心室筋細胞モデル)
2.VBによる数値計算の基礎
3.入門編


※ 「e-Heart」のWebサイトよりダウンロードができる。
※ Solution(.sln)でモデルを改変する場合、Microsoft Visual Studio 2010または Visual Basic 2010 Express版(無償)のインストールが必要である。

水柱モデル Hydraulic Pmodel

水槽とマノメーターからなる物理モデルを用いて、電流や電圧・抵抗・電池・電気容量の関係性を理解する。

簡略モデルで作る自発活動電位 Action Potential 07

電気的等価回路のKチャネルとCaチャネル部分が実際のチャネルの電気生理学モデルで置き換えられており、自発活動を発生するモデル。

単一L型Caチャネル活動シミュレーション Single Ca Channel Kyoto

Kyotoモデルに実装されているL型Caチャネル(ICaL)の単一チャネルモデル。
電位を変化すると、それぞれの電位で、チャネル活動(開閉遷移と平均開口状態)を観察できる。

心電図シミュレーション ECGHVC cable

心臓を構成するすべての細胞(ヒト心室筋細胞モデル)の電気的活動の総和として、体表面から記録される微小な電圧変化を計算し、心電図として示す。

セールスポイント

バイオシミュレーションは今後ますます重要な研究分野となることが予測される。生体数理モデルは世界で開発されているが、本研究で目指すような体系的な教科書はまだ存在しない。電子教科書にすることで、学習効率を大幅に向上させるノウハウを盛り込んでいる。既にシンポジウムでデモ版CDを作成して配布しフィードバックを得ており、近々製品化を目指している。

応用例

・生理学の高度教育教材
・創薬開発ツール
・臓器等のシミュレーションプラットホーム

研究キーワード

シミュレーション ・数理モデル ・心臓 ・循環 ・生理学 

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