アプリケーションノート | ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bioを用いた心臓組織の機械的特性の測定
はじめに
心臓が血液を送り出す能力は、その電気的活動だけでなく、組織の力学的特性にも依存しています。弾性、剛性、粘弾性といったこれらの特性は、心周期を通じて心筋がどのように伸展、収縮、弛緩するかを決定づけています。 これらの力学的特性における微細な変化は疾患の初期兆候を示す可能性があり、一方、より顕著な変化は、心臓が血液を取り込み、送り出す能力を損なう。これらを研究することで、科学者や臨床医は、健康な心臓がどのように機能するかをより深く理解し、疾患の初期兆候を検出し、心臓の機能を回復または維持するための治療法を考案することができる。
心臓の主要な力学的特性
弾性
弾性とは、心筋が変形後に元の形状に戻る能力を指します。これは拡張期の充満に不可欠であり、心室が流入する血液を受け入れ、次の収縮に向けて効率的に元に戻ることを可能にします。
剛性
剛性とは、変形に対する抵抗力を指し、多くの場合、弾性係数や圧力－体積関係などのパラメータによって定量化される。これは心周期を通じて動的に変化し、拡張期には剛性が低く、収縮期には剛性が高くなる。
コンプライアンス
コンプライアンスは、剛性の逆数であり、心臓が血液を受け入れた際に拡張する能力を表します。コンプライアンスの低下は、充満能を制限し、拡張期機能不全の特徴的な所見となります。
粘弾性
心臓は弾性的な挙動と粘性的な挙動の両方を示し、その反応は伸張の程度だけでなく、変形の速度にも依存します。この粘弾性により、収縮および弛緩の際に心筋がエネルギーを消費するか、あるいは蓄えるかが左右されます。
異方性
心筋は、その複雑な繊維構造のため、異方性を示します。つまり、加えられる力の方向によってその力学的挙動が異なります。この異方性は、効率的な心壁の肥厚と協調的な拍動に寄与しています。
疾患と心臓組織の力学的特性との関連性
駆出率保持型心不全（HFpEF）
HFpEFは、心筋の硬さの増加およびコンプライアンスの低下と強い関連性がある。これらの変化により拡張期充満が損なわれ、駆出率が正常であるにもかかわらず、循環需要を満たす心臓の能力が制限される。
線維化
過剰なコラーゲン沈着を特徴とする心線維化は、細胞外マトリックスを硬化させ、異方性を変化させる。このリモデリングは正常な力学特性を損ない、収縮機能障害および拡張機能障害の両方に寄与する。
虚血・再灌流障害
虚血およびその後の再灌流の過程において、心筋の硬さは動的に変化する。せん断波エラストグラフィーの研究によると、収縮期および拡張期の硬さに変化が認められ、これは損傷を受けた組織における収縮能および弛緩能の低下を反映している。
拡張型心筋症
拡張型心筋症では、コンプライアンスの増加や粘弾性の変化など、受動的および能動的な力学的特性の変化が、心腔の拡張、収縮能の低下、そして進行性の心不全を引き起こす。
心臓組織の力学特性の評価方法
生体内技術（臨床）
臨床的には、心臓の硬さは侵襲的および非侵襲的な手法の両方を用いて評価することができる。カテーテル検査による圧-容積ループ解析は、依然として心腔の硬さを評価するゴールドスタンダードである。 非侵襲的アプローチはますます一般的になっており、心筋内の波の伝播を追跡するせん断波エラストグラフィ（SWE）や、磁気共鳴エラストグラフィ（MRE）、音響放射力インパルスイメージング（ARFI）などの高度な画像診断技術が含まれる。 これらの手法は、拡張期および収縮期の機能に関する貴重な知見を提供し、疾患に関連する変化の早期発見において重要な役割を果たしています。
エク・ヴィヴォ法（研究）
研究において、ex vivo法を用いることで、心組織の力学特性を詳細に解析することが可能となる。 代表的な手法としては、引張試験、せん断レオメトリー、および圧痕測定（ナノ～マイクロスケール）があり、単離細胞から心臓全体までのサンプルに適用される。これらの手法により、制御された条件下での弾性、粘性、および粘弾性挙動が明らかになり、研究者が分子レベルの変化と心筋全体の力学的挙動との関連性を解明するのに役立っている。
事例研究：ElastoSens™ Bioを用いた心臓組織の力学的特性評価
心臓生体力学の分野において、 ElastoSens™ Bio は、ex vivo試験に対する先進的なアプローチを提供します。この装置は、粘弾性特性の連続的かつ非破壊的な測定を可能にし、実験を通じて組織の完全性を維持します。その技術により、軟らかい心臓サンプルの正確な特性評価が可能となり、さまざまな環境条件下での長期にわたる反復試験をサポートすることで、従来の機械的アッセイでは得られなかった情報を提供します。
ElastoSens™ Bioの性能を実証するため、心臓組織サンプルを用いたex vivo試験を実施しました。以下のセクションでは、この実験で用いた材料と方法について説明し、続いて本装置の応用例を示す結果を紹介します。
材料および方法
豚および羊の心臓は、地元の農場から入手した。生検用のパンチを用いて、おおよそ円筒形（内径23 mm、高さは変動あり）の組織標本を切除した。 各試料は、ElastoSens™ Bio装置のマクロホルダーに慎重にセットした。測定は室温下で行われ、各試料について1分間の測定を実施した。
この装置は、せん断貯蔵弾性率（G′）や減衰比（Tan𝛿）といった粘弾性パラメータをリアルタイムで測定した。各条件について、結果は5つの異なる心臓（n=5）の同一解剖学的部位から採取した5つの独立したサンプルから得られた平均値として示された。
図1. 非破壊的な機械的特性評価のための、ElastoSens™ Bio マクロホルダーに収められた心臓組織のサンプル。
結果と考察
ElastoSens™ Bio 非破壊検査システムを用いた結果、図2に示すように、ブタの心臓組織はヒツジ（4.1 ± 1.3 kPa）と比較してより高いせん断貯蔵弾性率（G′ = 7.8 ± 1.3 kPa）を示し、これはより高い剛性と弾性エネルギーの貯蔵能力があることを示している。 一方、ヒツジの組織はより高い減衰比（Tanδ = 0.42 ± 0.05 対 0.36 ± 0.05）を示し、より大きな粘性エネルギー散逸を反映しています。 これらの種特有の粘弾性特性は、ブタの心筋が機械的に剛性が高く、一方、ヒツジの心筋はより散逸性が高いことを浮き彫りにしている。
我々の豚の心臓に関する測定値は、Kolipakaら（2010）およびNenadicら （2009）が報告した値と一致している。彼らは、磁気共鳴エラストグラフィーおよびせん断波振動法を用いてブタの心筋を測定し、せん断弾性率が7.69～12.7 kPaの範囲にあると報告している。 羊の心筋については、二軸引張試験により、4.4～10.2 kPa の範囲（平均約 6.5 kPa）の等価せん断貯蔵弾性率が報告されており（Pandelani et al., 2025）、これは心室全体の部位や方向による変動を反映しています。 全体として、ElastoSens™ Bioは、制御された水和および荷重条件下で、最小限の操作によるex vivo組織測定を可能にする。この制御された設定により、外部要因による変動が低減され、心筋組織固有の粘弾性応答を捉えることができる。
図2：ヒツジおよびブタの心臓組織の粘弾性特性：ElastoSens™ Bio非破壊検査システムを用いて測定したせん断貯蔵弾性率（G′）（左）および減衰比（Tan𝛿）（右）（平均 ± 標準偏差、n=5）。
結論と展望
弾性、剛性、粘弾性、異方性といった心臓組織の力学的特性は、生理学的機能と病理学的リモデリングの両方を理解する上で極めて重要です。 本研究では、ElastoSens™ Bioを用いた非破壊粘弾性試験により、せん断貯蔵弾性率（G′）や減衰比（Tan𝛿）といった主要なパラメータを捉え、心臓組織の力学特性を信頼性高く測定できることが確認された。 この手法により、正確かつ再現性の高いデータが得られ、種や病態を超えた比較研究のための強固な基盤が提供される。
これらの結果に加え、ElastoSens™ Bioは、心血管および生体材料の研究において独自の利点をもたらします：
- 準備とセットアップが簡単であるため、取り扱いの手間が最小限に抑えられ、心筋の水分保持と構造が維持されます。
- 高い感度と再現性により、心臓の各部位（心房、心室、中隔）にわたって一貫した測定が可能となり、臓器内の変動を捉えることができます。
- 種間ベンチマークにより、動物モデルとヒトの心臓力学を直接比較することで、トランスレーショナル研究が可能となる。
- このプラットフォームの汎用性により、同一条件下で多様な心臓組織や生体材料の試験が可能であり、心臓パッチ、スキャフォールド、あるいは弁代替材の開発に有用です。
- 人工組織の応用においては、生体工学的に構築された心筋構造の動的な変化を捉える、非破壊的で反復可能な測定が有用である。
- 制御された培養環境と反復試験により、虚血、薬理学的介入、あるいは疾患の進行に起因するものであれ、経時的な粘弾性特性の変化をモニタリングすることが可能となる。
これらの機能を総合することで、ElastoSens™ Bioは、心臓組織の研究、比較生理学、および人工生体材料の開発を推進するための貴重なツールとしての地位を確立しています。
参考文献
Villalobos Lizardi, J. C., Baranger, J., Nguyen, M. B., Asnacios, A., Malik, A., Lumens, J., … & Villemain, O. (2022). A guide for assessment of myocardial stiffness in health and disease. Nature Cardiovascular Research, 1(1), 8-22.
Emig, R., Zgierski-Johnston, C. M., Timmermann, V., Taberner, A. J., Nash, M. P., Kohl, P., & Peyronnet, R. (2021). Passive myocardial mechanical properties: meaning, measurement, models. Biophysical reviews, 13(5), 587-610.
Caenen, A., Keijzer, L., Bézy, S., Duchenne, J., Orlowska, M., Van Der Steen, A. F., … & Vos, H. J. (2023). Continuous shear wave measurements for dynamic cardiac stiffness evaluation in pigs. Scientific Reports, 13(1), 17660.
Kolipaka, A., Araoz, P. A., McGee, K. P., Manduca, A., & Ehman, R. L. (2010). Magnetic resonance elastography as a method for the assessment of effective myocardial stiffness throughout the cardiac cycle. Magnetic Resonance in Medicine, 64(3), 862–870.
Nenadic, I., Urban, M. W., & Greenleaf, J. F. (2009). Ex vivo measurements of myocardial viscoelasticity using shearwave dispersion ultrasound vibrometry (SDUV). Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2895–2898.
Pandelani, T., Mashosho, E., Walker, C., Scheffer, C., & Franz, T. (2025). Passive biaxial mechanical and microstructural characterization of adult ovine heart ventricles. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 13, 1500585.
当社の技術が、微小な量の試料を用いて、軟らかい生体材料や組織の粘弾性特性を非破壊的に測定する仕組みをご覧ください。
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