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バイオニック研究室

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主要なテーマと関連論文


  1. 経神経的な循環器疾患の治療
  2. 生体の詳細な数値モデル:デジタルメディシン
  3. 究極の医療:自動的な診断治療

2. 生体の詳細な数値モデル:デジタルメディシン

現代医学の構造的な限界
現代医学の構造的限界近年の医学の進歩は目覚ましい。しかしながら、医学的なエビデンスを求めるメガトライアル(大規模な臨床調査)で、今まで研究概要で理論的に良いと思われた医療の効果を検証してみると、期待に反する結果が次々と明らかになっている。

心筋梗塞後には致死的な不整脈が出現することが知られている。心筋梗塞後の不整脈を抑える薬剤が予後を改善するかどうか治験が行われた(1989)。最初に抗不整脈薬により心室性期外収縮が強力に抑制された患者を2群に分け、実薬群と偽薬群で予後を比較した。結果、驚くべきことに、実薬群で死亡者が多いことが明らかになった。
 
1991年に慢性心不全に対して強心薬が予後を改善するかどうか治験が行われた。慢性心不全は心筋の収縮力が低下する疾患である。当該薬剤は研究概要で強力な強心作用をもっていることが知られている。その結果、驚くべきことに強心薬を投与された群で優意に死亡率が高いことが示された。
これらの悲劇は実験生物学で得られた要素情報(遺伝子、分子、細胞)の羅列だけでは、複雑系である生体に特定の薬剤がどのように効くのか統合的に理解できないことがその背景にある。このような現代医学の構造的な限界を克服するために、デジタルメディシン・イニシアティブではコンピュターモデリングを積極的に導入して、研究概要で得られた要素情報を統合し、病態を再現するための精緻な数値人体モデル:デジタルペイシェント(patient in silico)の開発を目指している。
細分化された研究概要
脳を造る:バイオニックブレインによる血液制御生体は多くの物理的な仕組みにより支配されている。筋肉では機械現象が重要であり、筋肉や神経細胞は電気現象が重要になる。肝臓や腎臓では代謝現象が重要になる。これらの各種の物理量が分子レベルから、細胞、組織、システムレベルまで階層的に積み重なり生体を構成している。その結果、一つの物理量の特定の階層の情報だけでは、システムの振る舞いを予測することは困難である。
マルチスケール・マルチフィジクス戦略によるデジタルペイシャント
..このような複雑な生体のシステムとしての振る舞いを理解するために、様々な物理量を分子レベルからシステムレベルまで統合する仕組みが必要である。近年の数値モデリング技術はこのようなアプローチに可能性を開いている。現況のモデリングは、必ずしも必要なレベルに達していないが、病態を再現することのできる分子レベルから再構成された人体の精緻な数値モデルの開発は極めて重要である。これらの統合の仕組みなしには基礎研究を効率的に臨床に還元することは容易ではない。

関連業績
  1. Zheng C, Kawada T, Li M, Sato T, Sunagawa K, Sugimachi M. Reversible vagal blockade in conscious rats using a targeted delivery device. J Neurosci Methods. 2006;156(1-2):71-5.
  2. Yanagiya Y, Sato T, Kawada T, Inagaki M, Tatewaki T, Zheng C, Kamiya A, Takaki H, Sugimachi M, Sunagawa K. Bionic epidural stimulation restores arterial pressure regulation during orthostasis. J Appl Physiol. 2004; 97: 984-90. 
  3. Li M, Zheng C, Sato T, Kawada T, Sugimachi M, Sunagawa K. Vagal nerve stimulation markedly improves long-term survival after chronic heart failure in rats.  Circulation. 2004; 109: 120-4.
  4. Sato T, Kawada T, Inagaki M, Shishido T, Sugimachi M, Sunagawa K. Dynamics of sympathetic baroreflex control of arterial pressure in rats. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2003;285(1):R262-70.
  5. Sato T, Kawada T, Sugimachi M, Sunagawa K. Bionic technology revitalizes native baroreflex function in rats with baroreflex failure. Circulation. 2002; 106: 730-4.
  6. Sunagawa K, Sato T, Kawada T. Integrative sympathetic baroreflex regulation of arterial pressure. Ann N Y Acad Sci. 2001;940:314-23.
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  20. Sato T, Yoshimura R, Kawada T, Shishido T, Miyano H, Sugimachi M, Sunagawa K. The brain is a possible target for an angiotensin-converting enzyme inhibitor in the treatment of chronic heart failure. J Card Fail. 1998;4(2):139-44.
  21. Nakahara T, Kawada T, Sugimachi M, Miyano H, Sato T, Shishido T, Yoshimura R, Miyashita H, Sunagawa K. Cholinesterase affects dynamic transduction properties from vagal stimulation to heart rate. Am J Physiol. 1998;275(2 Pt 2):R541-7.
  22. Nakahara T, Kawada T, Sugimachi M, Miyano H, Sato T, Shishido T, Yoshimura R, Miyashita H, Inagaki M, Alexander J Jr, Sunagawa K. Accumulation of cAMP augments dynamic vagal control of heart rate. Am J Physiol. 1998;275(2 Pt 2):H562-7.
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  24. Sato T, Kawada T, Shishido T, Miyano H, Inagaki M, Miyashita H, Sugimachi M, Knuepfer MM, Sunagawa K. Dynamic transduction properties of in situ baroreceptors of rabbit aortic depressor nerve. Am J Physiol. 1998;274(1 Pt 2):H358-65.
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  26. Matsuura W, Sugimachi M, Kawada T, Sato T, Shishido T, Miyano H, Nakahara T, Ikeda Y, Alexander J Jr, Sunagawa K. Vagal stimulation decreases left ventricular contractility mainly through negative chronotropic effect. Am J Physiol. 1997;273(2 Pt 2):H534-9.
  27. Miyano H, Kawada T, Sugimachi M, Shishido T, Sato T, Alexander J Jr, Sunagawa K. Inhibition of NO synthesis does not potentiate dynamic cardiovascular response to sympathetic nerve activity. Am J Physiol. 1997;273(1 Pt 2):H38-43.
  28. Kawada T, Sugimachi M, Shishido T, Miyano H, Ikeda Y, Yoshimura R, Sato T, Takaki H, Alexander J Jr, Sunagawa K. Dynamic vagosympathetic interaction augments heart rate response irrespective of stimulation patterns. Am J Physiol. 1997;272(5 Pt 2):H2180-7.
  29. Ikeda Y, Kawada T, Sugimachi M, Kawaguchi O, Shishido T, Sato T, Miyano H, Matsuura W, Alexander J Jr, Sunagawa K. Neural arc of baroreflex optimizes dynamic pressure regulation in achieving both stability and quickness. Am J Physiol. 1996;271(3 Pt 2):H882-90.
  30. Ikeda Y, Sugimachi M, Yamasaki T, Kawaguchi O, Shishido T, Kawada T, Alexander J Jr, Sunagawa K. Explorations into development of a neurally regulated cardiac pacemaker. Am J Physiol. 1995; 269: H2141-6.

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  3. 究極の医療:自動的な診断治療

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