本記事は、著者（新谷）が共著に入った査読付き原著論文の紹介です。
論文：Shuya Ishii, Kotaro Oyama, Tomomi Arai, Hideki Itoh, Seine A. Shintani, Madoka Suzuki, Fuyu Kobirumaki‑Shimozawa, Takako Terui, Norio Fukuda, Shin’ichi Ishiwata. Journal of General Physiology 151(6): 860–869, 2019.
DOI：10.1085/jgp.201812243
シリーズ：中部大学 新谷研究室 / Shintani Lab Advent Calendar 2025 – 第2章（波と振動）
概要（TL;DR）
- 1,455 nm の赤外（IR）レーザーで溶液を0.2 s 以内に 25 ℃→約 46 ℃へ局所加温すると、Ca²⁺非存在（pCa 9）でも再構成薄フィラメントが滑走開始。速度は温度に比例して増加。
- Ca²⁺存在（pCa 5）でも加温で速度は上がるが、温度依存性（Q₁₀）は約半分に減弱。
- 体温域（≈37 ℃）でも薄フィラメントの“on–off”平衡が部分的に“on”側へ傾くことを示唆。小さなCa²⁺上昇でも効率よい収縮が起こる生理的背景を支持。
背景と位置づけ
心筋の興奮収縮連関では、SRからのCa²⁺放出により薄フィラメント（アクチン–トロポミオシン–トロポニン）がoff→onへ構造転移し、架橋サイクルが進行します。これらの化学反応は温度依存性が高く、温度上昇でATPase活性や短縮速度が増大することが古くから知られています。
本研究は、“温度そのもの”が薄フィラメント制御をどこまで前倒しできるかを、in vitro モティリティアッセイで定量的に検証したものです。
方法の要点（実験設計）
- 加温：水吸収帯の IRレーザー（λ=1,455 nm）を顕微鏡下で集光し、局所温度を0.2 sで 25→約 46 ℃にシフト。
- 標的：ヒトα‑トロポミオシンとウシ心室型トロポニンで再構成した薄フィラメント，比較としてF‑actin。基板側はウサギ速筋由来HMM（一部条件で心筋ミオシン）を固定。
- Ca²⁺条件：pCa 9（−Ca²⁺）／pCa 5（+Ca²⁺）。
- 温度計測：ローダミン–ファロイジン標識F‑actinの蛍光強度およびEuTTA 蛍光温度センサシートで場の温度を同時計測。
- 指標：滑走速度（距離–時間から算出）。距離–温度プロファイルで温度依存性を評価。
主な結果
-
Ca²⁺非存在（pCa 9）でも滑走開始
- 加温により再構成薄フィラメントが滑走。速度は温度に比例して増加。
- **Q₁₀ ≈ 5.5（34–41 ℃）**と高く、温度感受性が大。
- 同条件の F‑actin の Q₁₀ ≈ 2.4。
-
Ca²⁺存在（pCa 5）では温度依存性が緩和
- 滑走速度は上がるが、薄フィラメントの Q₁₀ ≈ 1.9、F‑actin ≈ 2.6。
- 体温～41 ℃で速度は頭打ち傾向。
-
体温域での部分活性化の示唆
- ≈36–38 ℃でも中等度の滑走が観察され、拡張期でも“on”側寄りになっている可能性。
-
至近加熱での不可逆停止
- 熱源に極近接（≲10 µm）では不可逆な停止が生じ、ミオシンの熱変性の寄与が示唆（最も高温域データはArrhenius解析から除外）。
解釈（メカニズム）
- 二状態モデル（on–off）の文脈で、温度上昇はトロポミオシン–トロポニン複合体（Tm–Tn）とF‑actinの結合を部分的に弱め、ミオシン結合部位を露出させる方向に働く。
- その結果、−Ca²⁺でも架橋形成が促進され、滑走が生じる。
- +Ca²⁺では既にon側に寄っているため、温度による追加効果（Q₁₀）は相対的に小さく見える。
生理学的意義
- 体温域での“部分on”は、拡張期から収縮期への移行で小さなCa²⁺トランジェントでも素早く効率的な活性化を可能にする設計と整合。
- 局所加温（熱パルス）は、Ca²⁺非依存的な薄フィラメント活性化の因果実験系として有用。
- 将来的には、温度操作×心筋機能の治療学的コンセプトや、熱–力学リンクの検証に発展が期待される（安全域・可逆性の厳密評価が前提）。
用語メモ
- pCa：−log₁₀[Ca²⁺]。pCa 9 ≈ 1 nM（実質−Ca²⁺），pCa 5 ≈ 10 µM（+Ca²⁺）。
- Q₁₀：温度10 ℃上昇に対する反応速度倍率（温度感受性の指標）。
関連・前後関係
- 局所熱パルスで心筋細胞がCa²⁺トランジェントなしに短縮（Oyama et al., BBRC 2012）
- 本シリーズの他回：HSOs（加熱誘発の自励振動）やSPOC波モデル、Chaordic Homeodynamicsの文脈に接続。
論文情報・引用
Microscopic heat pulses activate cardiac thin filaments.
Journal of General Physiology 151(6): 860–869 (2019).
Shuya Ishii; Kotaro Oyama; Tomomi Arai; Hideki Itoh; Seine A. Shintani; Madoka Suzuki; Fuyu Kobirumaki‑Shimozawa; Takako Terui; Norio Fukuda; Shin’ichi Ishiwata.
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論文情報・引用
Ishii, S., Oyama, K., Arai, T., Itoh, H., Shintani, S. A., Suzuki, M., Kobirumaki‑Shimozawa, F., Terui, T., Fukuda, N., & Ishiwata, S. (2019). Microscopic heat pulses activate cardiac thin filaments. Journal of General Physiology, 151(6), 860–869. https://doi.org/10.1085/jgp.201812243
BibTeX
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title = {Microscopic heat pulses activate cardiac thin filaments},
author = {Ishii, Shuya and Oyama, Kotaro and Arai, Tomomi and Itoh, Hideki and Shintani, Seine A. and Suzuki, Madoka and Kobirumaki-Shimozawa, Fuyu and Terui, Takako and Fukuda, Norio and Ishiwata, Shin'ichi},
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