心臓発作を起こした患者を治療する時、時間が最も重要です。心臓外科医達は、バルーンとステントを使って、閉塞した血管を広げることで、心臓に酸素を送り込む、再かん流という技術を適用することで、心臓を素早く安定さることを試みます。再かん流が、心機能を回復することが可能である一方で、そういったいきなりの酸素注入が、心臓の著しく劣化した領域を、さらに傷つける可能性もあります。
アデノシン三リン酸
Study predicts heart cell’s response to dwindling oxygen
“It’s a double-edged sword,” says Anthony McDougal, a graduate student in MIT’s Department of Mechanical Engineering. “The rapid return of oxygen is necessary for the heart to survive, but it could also overwhelm the heart.”
“それは、両刃の剣でもあります。”と、マサチューセッツ工科大学(MIT)機械工学部の院生アンソニー・マクドゥーガル氏は語ります。”急速な酸素回復は、心臓が生き残るには必要不可欠ではあるのですが、その一方で、その事が、心臓を圧倒してしまう可能性もあるのです。”
Now McDougal has developed a model that predicts a single heart cell’s response to dwindling supplies of oxygen. Specifically, it evaluates a cell’s ability to keep producing ATP — a cell’s primary fuel source — and stay alive, even as it is increasingly deprived of oxygen.
今回、マクドゥーガル氏は、先細りする酸素供給に対する、単一心臓細胞の反応を予測するモデルを開発しています。特に、酸素をどんどん奪われていく状況下での、細胞の主要燃料源であるATP(アデノシン三リン酸)を生産し続けて生き永らえる、細胞の脳力を評価しています。
The model is a first step in predicting whether reperfusion techniques will aid or further harm a depleted heart. It may also help to determine the optimal amount of oxygen to apply, given the degree of a heart’s deterioration.
そのモデルは、再かん流法が、劣化した心臓を救済するのか、それとも、さらに傷付けるのかどうかを予測するための第一歩になっています。それは、心臓の劣化度合いを鑑みて、最も効果的な適用酸素量を判断することにも役立つかもしれません。
Surprisingly, the model’s simulations show that heart cells can continue generating ATP, even with oxygen levels as low as 10 percent of the optimal concentration in healthy cells.
驚くべきことに、本モデルのシミュレーションが、心臓細胞が、酸素濃度が、正常細胞の最適濃度の10％程度でも、ATPを生成し続ける事ができることを示しています。
アデノシン二リン酸
With healthy supplies of oxygen, ATP is produced via glycolysis, an aerobic process that requires oxygen to kick off a cascade of chemical reactions involving various molecular species, all ending in the healthy production of ATP. To release useful energy, the cell uses an enzyme to snap off a phosphate molecule from the three-phosphate ATP structure, leaving ADP (adenosine diphosphate) and using the single phosphate to feed various cellular activities.
酸素の正常供給時、ATPは、全てが正常なATP生産に帰する、多種多様な分子種が絡む連鎖化学反応を開始するために、酸素を必要とする好気的プロセスである、解糖によって生産されます。有用なエネルギーを放出するために、細胞は、リン酸塩分子を、3つのリン酸塩ATP構造から切り離して、ADP(アデノシン二リン酸)をそのまま残し、単一リン酸塩を、さまざまな細胞活動に動力を供給するのに利用します。
クレアチンリン酸
As oxygen supplies plummet to around 10 percent, these oxygen-dependent reactions produce less and less ATP. That’s when anaerobic “backup” processes come online. For example, the molecular species creatine phosphate combines with an enzyme to cleave its phosphate group, attaching it to ADP to form more ATP. When reserves of creatine phosphate run low, a cell’s glycogen steps in to fill its role, maintaining ATP levels.
酸素供給が、大体10％ぐらいに落ち込むと、こういった酸素依存反応によるATP生産は、次第に減少していきます。その時、嫌気性のバックアッププロセスがオンライン化されます。分子種クレアチンリン酸は、例えば、自身のリン酸基を開裂するのに酵素と結合し、ATPを形成するために、それをADPにくっつけます。クレアチンリン酸の予備が欠乏すると、細胞中のグリコーゲンが、ATPレベルを維持するために、それの役割を担うために介入します。
グリコーゲン
“Glycogen is just a big hair ball of glucose, and at a certain point, with even more pressure on ATP, the cell can pull individual glucose molecules off that hair ball and turn it into energy,” McDougal says.
“グリコーゲンは、ただのグルコースの毛玉であり、ある時点で、ATPにさらにプレッシャーがかかると、細胞は、そのヘアボールから個々のグルコース分子を引っ張り出して、それをエネルギーに変えることができます。”と、マクドゥーガル氏が言っています。
However, eventually, as oxygen approaches zero, even backup reserves shut down, causing levels of ATP to crash — a point of no return for a fatigued cell. Interestingly, McDougal observed an intermediate stage, in which a heart cell’s ATP levels drop but have not yet crashed.
しかし、最終的に、酸素供給がゼロに近付けば、予備の蓄えさえなくなり、疲れ果てた細胞にとっての回復不能点である、ATPレベルの崩壊を引き起こします。面白いことに、マクドゥーガル氏は、心臓細胞のATP値が下がっても破綻はしない、中間段階を観測しています。