循環動態制御部は設立より一貫して、循環の物理的・工学的成り立ちと心臓が消費するエネルギーに着目した研究を行い、成果を繋いでいる。

本年度、特に注力した研究分野は、

1. 循環動態を巨視的・システム的に記述し、介入ポイントを探索する基礎研究
2. 循環動態を操るための手法を探る基礎研究
3. 臨床にいきる医療機器開発

の3つである。その過程において、臨床医への教育講演や企業への開発コンサルテーションを行い、基礎研究成果だけでなく、多くのアカデミアおよび企業との共同研究や外部への発信につながった。

以下に各項目について、その意義を記し、本年度の成果の概要を列挙する。

1. 循環動態を巨視的・システム的に記述し、介入ポイントを探索する基礎研究
   循環器疾患では心臓や血管系自体の異常に加え、これらの恒常性を維持する制御機構にも破綻をきたしている。このような病態を理解するために、循環がどのような原理で制御されているのかを数理的・工学的に解明する研究を行っている。端的に言えば、これまでに培った循環の数理モデル上で異常がどのように記述されるかを探ることによって、将来的な循環制御上の介入ポイントを検索している。また、それらの知見を統合したシミュレーターを開発し、臨床患者管理における有用性を検証している。
2. 循環動態を操り最適化を行う手法を探る基礎研究
   ほとんどの治療は循環の何らかのパラメタを変化させることで、循環動態を改善させる。例えば、β遮断薬は、一過性には心臓の心拍数を抑制し、心収縮力を低下させることで、ポンプ機能の悪化から循環悪化を招きうるが、心臓のエネルギー代謝の改善によって、慢性期においては、心収縮力が改善し、ポンプ機能が向上したり、保たれたりすることがある。このような変化は、循環に介入するポイントや介入する時期を、エネルギー代謝や制御の観点から把握しなければ、理解することができない。これまでの研究から、生体の循環調節機構に外部より介入することにより、生体自身の調節を超える制御が可能であり、各種循環器疾患の予後を改善できることが明らかとなった。この原理をもとにした治療法の開発を推進している。特に、迷走神経の電気刺激や薬物による刺激により重症慢性心不全の予後が改善することが明らかになったが、その機序解明、心筋梗塞縮小に関する研究を行っている。また、左室補助装置や神経刺激、薬物投与の自動制御による新しい心不全治療の研究を行っている。
3. 循環制御につながる医療機器開発
   循環制御研究は患者につながることを最終目標としている。1で把握している、循環制御機能のパラメタを臨床で捕捉するためには、現状の機器では十分とは言えず、特に血圧計の開発には注力をしている。また、2で培った基礎研究を生かすために、迷走神経刺激を行うカテーテルや左室補助が可能なカテーテルの開発を行っている。

1. 循環動態を巨視的・システム的に記述し、介入ポイントを探索する基礎研究
   循環調節の生理機能について、動脈圧反射による迷走神経と交感神経調節の非線形特性の比較、哺乳類生体内心外膜の力学特性の解明に関する研究を行った。薬物が循環動態に及ぼす影響について、選択的徐脈薬イバブラジンが心臓迷走神経からのアセチルコリン放出に与える影響、中枢性降圧薬クロニジンが動脈圧反射に及ぼす影響の平衡線図解析に関する研究を行った。また、循環シミュレーション研究としては、産科医療を支える胎児-妊婦の心血管モデルシミュレーションの開発を行った。
2. 循環動態を操り最適化を行う手法を探る基礎研究
   迷走神経の電気刺激による生体内在性再生能力の賦活化を利用した新規心血管再生治療法の開発、迷走神経刺激時の心臓アセチルコリン放出における求心路の役割、腎除神経が圧利尿に及ぼす影響に関する研究を行った。また、薬物治療について、ドネペジル投与による心筋梗塞後重症心不全ラットにおける心臓保護作用の中枢機序の解明、ドネペジルの投与による心筋梗塞後重症心不全治療における心保護作用にα7-ニコチン性アセチルコリン受容体が果たす役割、ドネペジル長期投与による肥満性高血圧を合併した重症心不全ラットにおける心臓リモデリングの抑制作用及び心機能改善作用、再潅流後心筋梗塞縮小薬の研究開発を行った。視点を変え、循環機能を測定する手法として、心エコーによる至適心拍数推定法を検証する研究を開始した。
3. 循環制御につながる医療機器開発
   医療機器開発は、測定機器と治療機器の開発を両輪として、いずれも企業との共同研究の中で推進された、低侵襲循環機能モニターの開発、機械学習を応用した経食道心臓エコー（TEE）による心拍出量（CO）モニターの開発、特殊構造カフ式血圧計による、低カフ圧血圧推定法の開発、心筋梗塞後の心不全発症を予防するカテーテル型治療装置の開発に関する研究を行った。経皮的補助循環の血行動態の基礎的検証も開始した。

1. Uike K, Saku K, Nishikawa T, Yamamura K, Nagata H, Muraoka M, Ohga S, Tsutsui H, Sunagawa K. Prediction of hemodynamics after atrial septal defect closure using a framework of circulatory equilibrium in dogs. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 319, H938-H947, 2020.
2. Kawada T, Sonobe T, Nishikawa T, Hayama Y, Li M, Zheng C, Uemura K, Akiyama T, Pearson JT, Sugimachi M. Contribution of afferent pathway to vagal nerve stimulation-induced myocardial interstitial acetylcholine release in rats. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 319, R517-R525, 2020.
3. Iwakami N, Aiba T, Kamakura S, Takaki H, Furukawa TA, Sato T, Sun W, Shishido T, Nishimura K, Yamada-Inoue Y, Nagase S, Shimizu W, Yasuda S, Sugimachi M, Kusano K. Identification of malignant early repolarization pattern by late QRS activity in high-resolution magnetocardiography. Annals of Noninvasive Electrocardiology. 25, e12741, 2020.
4. Kawada T, Sata Y, Akiyama T, Shimizu S, Sonobe T, Pearson JT, Sugimachi M. Threshold and saturation pressures of baroreflex-mediated myocardial interstitial acetylcholine release in rats. Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical. 225, 102657, 2020.
5. Nishikawa T, Saku K, Uike K, Uemura K, Sunagawa G, Tohyama T, Yoshida K, Kishi T, Sunagawa K, Tsutsui H. Prediction of haemodynamics after interatrial shunt for heart failure using the generalized circulatory equilibrium. ESC Heart Failure. 7, 3075-3085, 2020.
6. Kakino T, Saku K, Nishikawa T, Sunagawa K. The Partial Support of the Left Ventricular Assist Device Shifts the Systemic Cardiac Output Curve Upward in Proportion to the Effective Left Ventricular Ejection Fraction in Pressure-Volume Loop. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 7, 163, 2020.
7. Uemura K, Nishikawa T, Kawada T, Sugimachi M. Comprehensive analysis of effective reflection distance and its association with wave reflection strength under diverse hemodynamic conditions in anesthetized dogs. Journal of Biomechanics. 104, 109753, 2020.
8. Hayama Y, Shimizu S, Kawada T, Negishi J, Sakaguchi H, Miyazaki A, Ohuchi H, Yamada O, Kurosaki K, Sugimachi M. Impact of delayed ventricular wall area ratio on pathophysiology of mechanical dyssynchrony: implication from single-ventricle physiology and 0D modeling. Journal of Physiological Sciences. 70, 38, 2020.
9. Kawada T, Hayama Y, Nishikawa T, Suehara S, Sawada S, Tanaka T, Uenohara M, Sugimachi M. Open-loop analysis on sympathetically mediated arterial pressure and urine output responses in rats: effect of renal denervation. The Journal of Physiological Sciences. 70, 32, 2020.
10. Hayama Y, Miyazaki A, Ohuchi H, Miike H, Negishi J, Sakaguchi H, Kurosaki K, Shimizu S, Kawada T, Sugimachi M. Septal Flash-like Motion of the Earlier Activated Ventricular Wall Represents the Pathophysiology of Mechanical Dyssynchrony in Single-Ventricle Anatomy. Journal of the American Society of Echocardiography. 33, 612-621.e2, 2020.
11. Li M, Zheng C, Kawada T, Inagaki M, Uemura K, Akiyama T, Sugimachi M. Impact of Peripheral α7-Nicotinic Acetylcholine Receptors on Cardioprotective Effects of Donepezil in Chronic Heart Failure Rats. Cardiovascular Drugs and Therapy. Epub, 2020.
12. Nakashima T, Usami S, Aiba T, Oishi S, Kimura Y, Kawakami S, Yamada-Inoue Y, Ogata S, Ueda N, Nakajima K, Kamakura T, Wada M, Yamagata K, Ishibashi K, Miyamoto K, Noda T, Nagase S, Kanzaki H, Izumi C, Yasuda S, Kamakura S, Takaki H, Sugimachi M, Kusano K. Novel Non-Invasive Index for Prediction of Responders in Cardiac Resynchronization Therapy Using High-Resolution Magnetocardiography. Circulation Journal. 84, 2166-2174, 2020.
13. Li M, Zheng C, Kawada T, Inagaki M, Uemura K, Sugimachi M. Intracerebroventricular infusion of donepezil prevents cardiac remodeling and improves the prognosis of chronic heart failure rats. Journal of Physiological Sciences. 70, 11, 2020.
14. 上村 和紀. 敗血症性ショックの初期循環蘇生を支援する、コンピュータ制御循環管理システムの開発. 循環制御. 41, 103-110, 2020.
15. 中田 淳, 朔 啓太. Impella －救命と心機能回復を目指した新しい循環補助デバイス－. 循環制御. 41, 140-148, 2020.