Application of multiple model control to space structure systems with nonlinear inertial properties

Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 1995.Includes bibliographical references (p. 169-172).by Kazumi Masuda.M.S

Intracellular oxygen tension limits muscle contraction-induced change in muscle oxygen consumption under hypoxic conditions during Hb-free perfusion.

Under acute hypoxic conditions, the muscle oxygen uptake (mV˙O2) during exercise is reduced by the restriction in oxygen-supplied volume to the mitochondria within the peripheral tissue. This suggests the existence of a factor restricting the mV˙O2 under hypoxic conditions at the peripheral tissue level. Therefore, this study set out to test the hypothesis that the restriction in mV˙O2 is regulated by the net decrease in intracellular oxygen tension equilibrated with myoglobin oxygen saturation (∆PmbO2) during muscle contraction under hypoxic conditions. The hindlimb of male Wistar rats (8 weeks old, n = 5) was perfused with hemoglobin-free Krebs-Henseleit buffer equilibrated with three different fractions of O2 gas: 95.0%O2, 71.3%O2, and 47.5%O2 The deoxygenated myoglobin (Mb) kinetics during muscle contraction were measured under each oxygen condition with a near-infrared spectroscopy. The ∆[deoxy-Mb] kinetics were converted to oxygen saturation of myoglobin (SmbO2), and the PmbO2 was then calculated based on the SmbO2 and the O2 dissociation curve of the Mb. The SmbO2 and PmbO2 at rest decreased with the decrease in O2 supply, and the muscle contraction caused a further decrease in SmbO2 and PmbO2 under all O2 conditions. The net increase in mV˙O2 from the muscle contraction (∆mV˙O2) gradually decreased as the ∆PmbO2 decreased during muscle contraction. The results of this study suggest that ΔPmbO2 is a key determinant of the ΔmV˙O2

Endurance training facilitates myoglobin desaturation during muscle contraction in rat skeletal muscle.

At onset of muscle contraction, myoglobin (Mb) immediately releases its bound O2 to the mitochondria. Accordingly, intracellular O2 tension (PmbO2) markedly declines in order to increase muscle O2 uptake (mVO2). However, whether the change in PmbO2 during muscle contraction modulates mVO2 and whether the O2 release rate from Mb increases in endurance-trained muscles remain unclear. The purpose of this study was, therefore, to determine the effect of endurance training on O2 saturation of Mb (SmbO2) and PmbO2 kinetics during muscle contraction. Male Wistar rats were subjected to a 4-week swimming training (Tr group; 6 days per week, 30 min × 4 sets per day) with a weight load of 2% body mass. After the training period, deoxygenated Mb kinetics during muscle contraction were measured using near-infrared spectroscopy under hemoglobin-free medium perfusion. In the Tr group, the VmO2peak significantly increased by 32%. Although the PmbO2 during muscle contraction did not affect the increased mVO2 in endurance-trained muscle, the O2 release rate from Mb increased because of the increased Mb concentration and faster decremental rate in SmbO2 at the maximal twitch tension. These results suggest that the Mb dynamics during muscle contraction are contributing factors to faster VO2 kinetics in endurance-trained muscle

筋収縮時の筋細胞内の酸素輸送担体を介した酸素輸送量と細胞呼吸の新たな連関機序

金沢大学人間科学系骨格筋の酸素供給機構とその規定因子については不明な点が多い。我々は骨格筋内の酸素貯蔵体として知られているミオグロビン(Mb)に注目して、Mbに結合した酸素の利用動態を検出するシステムを構築した。このシステムによって、筋収縮時にMbからどれだけの酸素が解離しているか、つまり、Mbからミトコンドリアへどのくらいの量の酸素が供給されているかを計測できる。これまでの実験の結果、Mbに結合した酸素は収縮開始とともに解離し、それに付随して、細胞内の酸素分圧が急進的に低下することが明らかとなった。このようなMbを介した酸素供給機構が、身体活動レベルによってどのように変化するのかを明らかにすべく、本年度は持久性運動トレーニングモデルの実験を実施した。4週間の水泳トレーニングを実施したところ、下肢骨格筋の最大発揮張力及び最高酸素摂取量は有意に上昇し、L/Pは低下した。また、Mbからの酸素供給量と筋酸素消費速度との間には有意な相関関係が認められ、トレーニング後にはそれ以前(コントロール群)の相関関係を外挿するように上方シフトした。つまり、これらの結果は、持久性運動トレーニングによる筋酸素摂取速度の上昇は、筋収縮開始時における恥からの酸素供給量の増加によって補償されている可能性が示された。現在、こうしたMbが持つミトコンドリア呼吸活性への貢献がどのような機序によって生じているのかをタンパク質問相互作用の側面から解析を進めている。研究課題/領域番号:21650167, 研究期間(年度):2009 – 2010出典：研究課題「筋収縮時の筋細胞内の酸素輸送担体を介した酸素輸送量と細胞呼吸の新たな連関機序」課題番号21650167（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-21650167/）を加工して作

筋収縮に伴う筋細胞内外の酸素環境動態の変化と代謝動態との関連について

金沢大学人間社会研究域学校教育系昨年度の研究推進内容のうち、継続課題とした下肢骨格筋の灌流モデルについて、本年度の研究課題として実験を行った。下肢環流モデルでは、腹大動脈からカテーテルを挿入し、対象脚のみに灌流液が流れるよう、必要箇所の血管を結紮した。HbがWashoutされた後、座骨神経経由にて筋収縮を誘発し、その際のNIRS(近赤外線分光法)による筋酸素動熊をモニタした。また、発揮張力や酸素摂取量(VO2)等も連続的にモニタした。また、同一個体で、非灌流時(in vivo)における筋収縮中の筋内酸素動態もモニタした。筋の酸素動態(Δ[deoxy-Hb/Mb]は指数関数モデルに当てはめることによって、線形分析を行った。In vivoでのΔ[deoxy-Hb/Mb]動態の振幅(AP)は、収縮レベルに応じて上昇すした。また、時間当たりのΔ[deoxy-Hb/Mb]の変化率(AP/τ)も収縮レベルの上昇に伴って高値傾向を示した。これらの結果は、ヒトを対象とした時我々の結果と一致していた。一方、下肢環流時における収縮中のΔ[deoxy-Hb/Mb]動態は、in vivo時と同様に検出することができた。そのAPやAP/τは収縮レベルに応じて変化することが確認できた。なお、環流時のAPの化量は、約50-60%であった。以上の結果から、筋収縮時における筋酸素動態の約50-60%はHb以外のヘムタンパク、つまりMb (cytochromeを若干含む)の変化である可能性が示唆された。また、環流モデルの脱酸素化動態は、筋収縮レベルに応じて、Mbが脱酸素化し、細胞内の酸素分圧調整に寄与していることを示唆するものである。これらの成果は2008年に行われる国際学会や国内学会に発表し、専門学術誌への投稿を予定している。研究課題/領域番号:18700527, 研究期間(年度):2006 – 2007出典：「筋収縮に伴う筋細胞内外の酸素環境動態の変化と代謝動態との関連について」研究成果報告書　課題番号18700527（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-18700527/)を加工して作

筋の酸素代謝能力を評価する非侵襲的手法の考案とその生理学的機構の検討

金沢大学人間社会研究域学校教育系近赤外線分光装置(NIRS)は、組織酸素動態を非侵襲的かつ連続的に測定・評価する方法として利用されているものの、NIRSシグナルのHb及びMbの寄与について明らかにされていない。静的運動時には、強度が高くなるにつれ血流の阻害が起こる一方で、動的運動時は収縮/弛緩の繰り返しによって血流が阻害されにくい(Brock et al.1998)。従って、動的運動と静的運動では活動筋への血流量の違いが生じ、引いては筋酸素動態に影響すると推察される。そこで平成16年では平成15年の運動モデルを基にしながら、動的運動と静的運動のNIRS kineticsの線形比較(初期値,振幅,遅れ時間,時定数)を行うことを目的とした。その結果、筋収縮開始に伴うNIRS kineticsの時定数には収縮様式の違いの有意差は認められなかった。また、動的収縮時(特に通常条件)の振幅は静的収縮時のものよりもやや高値を示した。持続的な静的収縮では筋への動脈血流が減少し、その弛緩期(あるいは動的収縮中の弛緩期)に再環流する(Laughlin et al.,1996)。本研究で観察された振幅の結果は、筋収縮時の血流の維持が筋細胞への酸素拡散を促進する可能性を示唆している。しかしながら、酸素の利用速度(時定数から判断)は、血流の有無よりも、むしろミトコンドリアの酸化還元状態に依存していることが推察された。さらに、動的収縮時と静的収縮時のNIRS kineticsの振幅の差が、血流の有無に起因していたとしても、収縮様式によるNIRS kineticsの違いは先行研究を基にした我々の予想ほど大きいものではなかったことから、NIRS kineticsの主要なsourceは、血流以外の要素によるものではないかと推察された。この実験の事象を検証するために、超音波Dopplerを用いた追加実験を行い、現在、解析中である。研究課題/領域番号:15700410, 研究期間(年度):2003 – 2005出典：「筋の酸素代謝能力を評価する非侵襲的手法の考案とその生理学的機構の検討」研究成果報告書　課題番号15700410（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-15700410/)を加工して作

骨格筋の酸素運搬と利用における骨格筋ミオグロビンの役割

金沢大学人間社会研究域学校教育系筋内の酸素運搬機序や、運動などを行った際に酸素運搬の規定要因が何処にあるのかについては、未だ不明確なままであり、それは骨格筋内のミオグロビンの生理的役割の不透明さに起因していると考えられる。本研究では、近赤外線分光法、ドップラー、NMRなどを用いて非侵襲的に人の運動中の酸素供給/運搬機序を探り、鍛錬度や運動トレーニングによって、骨格筋内の酸素利用度(酸素動態)がどのように変化するのかを明らかにしようとするものである。平成14年度(継続2年目)では、運動習慣のない健常男子大学生14名(平均21.3歳)を対象に8週間の持久性自転車トレーニングを行った。トレーニング後における全身性の最大酸素摂取量は約15%上昇したが、膝伸展作業中の骨格筋の酸素飽和度や大腿動脈の血流量は変化しなかった。しかしながら、膝伸展作業中の筋脱酸素化レベルから推定される筋の最高酸素摂取量は、トレーニング後に有意に高値を示した。これらのことから、持久性トレーニングによって、全身性ともに筋(局所)の酸素摂取能力は向上するものの、筋細胞内の酸素環境(筋細胞内酸素分圧)は、筋の有酸素性代謝の向上に対して強く関与しないものと推察された。また、成人男性8名を対象に、外側広筋へ電気刺激(EMS)を行い、運動単位の動員率が骨格筋内での酸素の利用度に及ぼす影響について検討した。EMSの強さによって筋の発揮する張力や運動単位の動員をコントロールすることが出来る。異なる2種類のEMS強度によって、外側広筋に30%MVCと70%MVCの張力発揮をさせ、その際の筋酸素動態を観察した。EMS中の筋の酸素レベルは顕著に低下し、強度の違いが反映されなかった。このことは随意で筋収縮を行った場合の結果と矛盾する。したがって、今後、EMGやNMR (MRI)などの他のデータを参照しながら、さらなる検討が必要であると考えられた。なお、上記の研究成果を紙面発表すべく、原稿を投稿中である。研究課題/領域番号:13780009, 研究期間(年度):2001-2002出典：「骨格筋の酸素運搬と利用における骨格筋ミオグロビンの役割」研究成果報告書　課題番号13780009（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-13780009/)を加工して作

Quantification of myoglobin deoxygenation and intracellular partial pressure of O2 during muscle contraction during haemoglobin-free medium perfusion

金沢大学人間社会研究域人間科学系Although the O2 gradient regulates O2 flux from the capillary into the myocyte to meet the energy demands of contracting muscle, intracellular O2 dynamics during muscle contraction remain unclear. Our hindlimb perfusion model allows the determination of intracellular myoglobin (Mb) saturation () and intracellular oxygen tension of myoglobin () in contracting muscle using near infrared spectroscopy (NIRS). The hindlimb of male Wistar rats was perfused from the abdominal aorta with a well-oxygenated haemoglobin-free Krebs-Henseleit buffer. The deoxygenated Mb (Δ[deoxy-Mb]) signal was monitored by NIRS. Based on the value of Δ[deoxy-Mb], and were calculated, and the time course was evaluated by an exponential function model. Both and started to decrease immediately after the onset of contraction. The steady-state values of and progressively decreased with relative work intensity or muscle oxygen consumption. At the maximal twitch rate, and were 49% and 2.4 mmHg, respectively. Moreover, the rate of release of O2 from Mb at the onset of contraction increased with muscle oxygen consumption. These results suggest that at the onset of muscle contraction, Mb supplies O2 during the steep decline in, which expands the O2 gradient to increase the O2 flux to meet the increased energy demands. © 2010 The Physiological Society

NIRS measurement of O(2) dynamics in contracting blood and buffer perfused hindlimb muscle.

金沢大学人間社会研究域人間科学系In order to obtain evidence that Mb releases O(2) during muscle contraction, we have set up a buffer-perfused hindlimb rat model and applied NIRS to detect the dynamics of tissue deoxygenation during contraction. The NIRS signal was monitored on hindlimb muscle during twitch contractions at 1 Hz, evoked via electrostimulator at different submaximal levels. The hindlimb perfusion was carried out by perfusion of Krebs Bicarbonate buffer. The NIRS still detected a strong signal even under Hb-free contractions. The deoxygenation signal (Delta[deoxy]) was progressively increased at onset of the contraction and reached the plateau under both blood- and buffer-perfused conditions. However, the amplitude of Delta[deoxy] during steady state continued to significantly increase as tension increased. The tension-matched comparison of the Delta[deoxy] level under buffer-perfused and blood perfused conditions indicate that Mb can contribute approximately 50% to the NIRS signal. These results clarify the Mb contribution to the NIRS signal and show a falling intracellular PO(2) as workload increases

Muscle contraction increases carnitine uptake via translocation of OCTN2

Since carnitine plays an important role in fat oxidation, influx of carnitine could be crucial for muscle metabolism. OCTN2 (SLC22A5), a sodium-dependent solute carrier, is assumed to transport carnitine into skeletal muscle cells. Acute regulation of OCTN2 activity in rat hindlimb muscles was investigated in response to electrically induced contractile activity. The tissue uptake clearance (CL uptake) of l-[ 3H]carnitine during muscle contraction was examined in vivo using integration plot analysis. The CL uptake of [ 14C]iodoantipyrine (IAP) was also determined as an index of tissue blood flow. To test the hypothesis that increased carnitine uptake involves the translocation of OCTN2, contraction-induced alteration in the subcellular localization of OCTN2 was examined. The CL uptake of l-[ 3H]carnitine in the contracting muscles increased 1.4-1.7-fold as compared to that in the contralateral resting muscles (p<0.05). The CL uptake of [ 14C]IAP was much higher than that of l-[ 3H]carnitine, but no association between the increase in carnitine uptake and blood flow was obtained. Co-immunostaining of OCTN2 and dystrophin (a muscle plasma membrane marker) showed an increase in OCTN2 signal in the plasma membrane after muscle contraction. Western blotting showed that the level of sarcolemmal OCTN2 was greater in contracting muscles than in resting muscles (p<0.05). The present study showed that muscle contraction facilitated carnitine uptake in skeletal muscles, possibly via the contraction-induced translocation of its specific transporter OCTN2 to the plasma membrane. © 2012 Elsevier In