Generation of high voltage pulse train using magnetic switch for cancer treatment method by ultra-short pulse high electric field and its effect to cells

• Project/Area Number: 17K06292
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Power engineering/Power conversion/Electric machinery
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: Minamitani Yasushi 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (10323172)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 高周波バーストパルス / 磁気スイッチ / 非線形伝送線路 / がん治療 / がん細胞 / アポトーシス / ネクローシス / 単一周波数 / ネクロ ーシス / バーストパルス / 単極性 / 両極性 / DNA断片化 / 酵母 / 細胞死 / パルス列発生回路 / 電磁波 / 可飽和リアクトル

Outline of Final Research Achievements

We have developed a high frequency burst pulse high electric field generator to realize cancer treatment using an ultrashort pulse electric field. The frequency was increased from 13 MHz to 150 MHz by using a coaxial structure to the burst pulse generator that continuously outputs multiple unipolar pulses through a non-linear transmission line using a magnetic switch. Then the burst pulse was applied to cancer cells. It was shown that cell death more occurs under the same conditions than that of a single pulse. Furthermore, we have developed a bipolar burst pulse generator and showed that the superposition of two frequencies is more effective in causing cell death.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で単一周波数を持つ高周波バーストパルスを発生できる装置を開発したので，超短パルス電界がん治療法研究に使用することが可能となった。これにより，細胞の意図した部位に高電界を印加することが可能となり，細胞の部位ごとの電界応答を調べることが可能となった。この成果により，これまで知ることができなかったパルスの何がどこに作用してがん細胞にアポトーシスを起こしているのかを明らかにすることができ，医学的見地からのアポトーシス誘導の研究が進むことが予想される。

Research Products

• [Journal Article] がん治療を目的とした高周波バーストパルス印加における細胞種による致死影響の違い (2020)
  • Author(s): 佐藤 浩美，南谷 靖史，大西 伸明，藤原 裕介，勝木 淳
  • Journal Title: 電気学会論文誌A Volume: 140 Pages: 29-35
  • NAID: 130007779168
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Output Characteristics of Bipolar pulse from High Frequency Burst Pulse Generator Constructed by Nonlinear LC Ladders Using Magnetic Switches (2020)
  • Author(s): Hiromi Sato, Yasushi Minamitani
  • Journal Title: IEEE Transaction on Plasma Science Volume: 48 Pages: 204-211
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a High-frequency Burst Pulse Generator for Cancer Treatment and Comparison between a High-power Burst Pulse and a Single Pulse (2020)
  • Author(s): 4.Hiromi Sato, Yasushi Minamitani, Nobuaki Ohnishi, Yusuke Fujiwara, Sunao Katsuki
  • Journal Title: IEEE Transaction on Plasma Science Volume: 48 Pages: 1051-1059
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of High Power Burst Pulse Generator Based on Magnetic Switch for Bioelectrics Application and Its Output Characteristics (2019)
  • Author(s): Hiromi Sato, Keita Yasu, Ken Nukaga, Yasushi Minamitani
  • Journal Title: IEEE Transaction on Plasma Science Volume: 47 Pages: 977-984
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of Superiority of High Power Burst Pulse as against Single Pulse (2019)
  • Author(s): Hiromi Sato, Yasushi Minamitani, Yusuke Fujiwara, Nobuaki Ohnishi, Sunao Katsuki
  • Journal Title: Proceedings of 2018 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference Volume: 1 Pages: 477-481
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] がん治療を目的とした磁気スイッチ型非線形伝送線路バーストパルス発生装置における出力パルス列の均一化 (2019)
  • Author(s): 佐藤浩美，南谷靖史
  • Journal Title: 電気学会論文誌A Volume: 139 Pages: 188-189
  • NAID: 130007607229
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] がん治療を目的とした高周波バーストパルス印加時の細胞形態変化の周波数特性 (2019)
  • Author(s): 佐藤 浩美，南谷 靖史，大西 伸明，藤原 裕介，勝木 淳
  • Journal Title: 電気学会論文誌A Volume: 139 Pages: 281-282
  • NAID: 130007641375
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 磁気スイッチ型非線形伝送線路高周波バーストパルス発生装置のコア材質の検討 (2019)
  • Author(s): 佐藤浩美，安啓太，南谷靖史
  • Journal Title: 電気学会論文誌A Volume: 139 Pages: 307-308
  • NAID: 130007657639
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高周波バーストパルスががん細胞へ与える影響における低周波重畳の効果 (2019)
  • Author(s): 佐藤浩美，南谷靖史，卜部 玄，亀崎太一，岡本修治，勝木 淳
  • Journal Title: 静電気学会講演論文集2019 Volume: 1
• [Journal Article] がん治療を目的とした高周波バーストパルス印加時の細胞形態変化の周波数特性 (2019)
  • Author(s): 佐藤浩美，南谷靖史，大西伸明，藤原裕介，勝木淳
  • Journal Title: 電気学会論文誌A Volume: 139
  • NAID: 130007641375
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] がん治療を目的とした 高周波バーストパルスががん細胞へ与える影響の調査 (2018)
  • Author(s): 佐藤浩美, 安 啓太, 南谷靖史, 大西伸明, 藤原裕介, 松林恭平, 宮川大輝, 勝木 淳
  • Journal Title: 静電気学会誌 Volume: Vol.42, No.2
  • NAID: 40021619005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] がん治療のための磁気スイッチを用いた高出力バーストパルス 発生装置の開発とバーストパルスががん細胞へ与える影響 (2017)
  • Author(s): 佐藤浩美, 安 啓太, 南谷靖史, 大西伸明, 藤原裕介, 松林恭平, 宮川大輝, 勝木 淳
  • Journal Title: 電気学会パルスパワー・プラズマ・放電合同研究会資料 Volume: PST-17-001~047
• [Journal Article] がん治療を目的とした 高周波バーストパルスががん細胞へ与える影響の調査 (2017)
  • Author(s): 佐藤浩美, 安 啓太, 南谷靖史, 大西伸明, 藤原裕介, 松林恭平, 宮川大輝, 勝木 淳
  • Journal Title: 静電気学会講演論文集2017 Volume: 1 Pages: 95-100
  • NAID: 40021619005
• [Journal Article] がん治療を目的とした高周波バーストパルス発生非線形伝送線路の出力パルス列の均一化と細胞応答の調査 (2017)
  • Author(s): 佐藤浩美, 檜山純矢, 南谷靖史, 大西伸明, 宮川大輝, 松林恭平, 藤原裕介, 勝木 淳
  • Journal Title: 電気学会パルスパワー・プラズマ・放電合同研究会資料 Volume: PST-17-067~98
• [Presentation] 高周波バーストパルスががん細胞へ与える影響における低周波重畳の効果 (2019)
  • Author(s): 佐藤浩美，南谷靖史，卜部 玄，亀崎太一，岡本修治，勝木 淳
  • Organizer: 第43回静電気学会全国大会
• [Presentation] Development of High Power Burst Pulse Generator for Cancer Treatment and Investigation of Superiority of High Power Burst Pulse as against Single Pulse (2018)
  • Author(s): Hiromi Sato, Yasushi Minamitani, Yusuke Fujiwara, Nobuaki Ohnishi, Sunao Katsuki
  • Organizer: 2018 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of High Power Burst Pulse Generator for Cancer Treatment and Investigation of Superiority of High Power Burst Pulse as against Single Pulse (2018)
  • Author(s): Hiromi Sato, Yasushi Minamitani, Nobuaki Ohnishi, Yusuke Fujiwara, Sunao Katsuki
  • Organizer: 15th International Bioelectrics Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of Superiority for Impact of High Power Burst Pulse to Cancer Cells as against Single Pulse (2018)
  • Author(s): Hiromi Sato, Keita Yasu, Yasushi Minamitani, Nobuaki Onishi, Yusuke Fujiwara, Sunao Katsuki
  • Organizer: 5th Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] がん治療を目的とした酵母へのアポトーシス誘導についての単パルスと比較したバーストパルスの優位性 (2018)
  • Author(s): 佐藤浩美，南谷靖史
  • Organizer: 平成３０年度電気関係学会東北支部連合大会
• [Presentation] ナノ秒パルス電界がん治療法における単パルスと比較したバーストパルスの優位性の調査 (2018)
  • Author(s): 佐藤浩美，安啓太，南谷靖史，大西伸明，藤原裕介，松林恭平，宮川大輝，勝木淳
  • Organizer: 2018年度 第42回静電気学会全国大会
• [Presentation] がん治療を目的とした高出力バーストパルス発生装置の開発及び単パルスと比較したバーストパルスの優位性の調査 (2018)
  • Author(s): 佐藤浩美，南谷靖史，藤原裕介，大西伸明，勝木淳
  • Organizer: 電気学会プラズマ・パルスパワー・放電合同研究会
• [Presentation] がん治療を目的とした高出力バーストパルス発生装置の開発及び 単パルスと比較したバーストパルスの優位性の調査 (2018)
  • Author(s): 佐藤浩美, 南谷靖史, 藤原裕介, 大西伸明, 勝木淳
  • Organizer: 電気学会パルスパワー・プラズマ・放電合同研究会
• [Presentation] Development of High Power Burst Pulse Generator for Cancer Treatment and Investigation of Superiority of High Power Burst Pulse as against Single Pulse (2018)
  • Author(s): Hiromi Sato, Yasushi Minamitani, Yusuke Fujiwara, Nobuaki Onishi, Sunao Katsuki
  • Organizer: IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] がん治療のための磁気スイッチを用いた高出力バーストパルス 発生装置の開発とバーストパルスががん細胞へ与える影響 (2017)
  • Author(s): 佐藤浩美, 安 啓太, 南谷靖史, 大西伸明, 藤原裕介, 松林恭平, 宮川大輝, 勝木 淳
  • Organizer: 電気学会パルスパワー・プラズマ・放電合同研究会
• [Presentation] Development of High Power Burst Pulse Generator Based on Magnetic Switch for Cancer Treatment and Effect on Cancer cell by High Power Burst Pulse (2017)
  • Author(s): Hiromi Sato, Keita Yasu, Yasushi Minamitani, Nobuaki Ohnishi, Yusuke Fujiwara, Kyosuke Matsubayashi, Daiki Miyagawa, Sunao Katsuki
  • Organizer: The 4th Japan-Taiwan Workshop in Plasma Life Science and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] がん治療を目的とした 高周波バーストパルスががん細胞へ与える影響の調査 (2017)
  • Author(s): 佐藤浩美, 安 啓太, 南谷靖史, 大西伸明, 藤原裕介, 松林恭平, 宮川大輝, 勝木 淳
  • Organizer: 第41回静電気学会全国大会
• [Presentation] がん治療を目的とした高周波バーストパルス発生非線形伝送線路の出力パルス列の均一化と細胞応答の調査 (2017)
  • Author(s): 佐藤浩美, 檜山純矢, 南谷靖史, 大西伸明, 宮川大輝, 松林恭平, 藤原裕介, 勝木 淳
  • Organizer: 電気学会パルスパワー・プラズマ・放電合同研究会
• [Presentation] Development of High Power Burst Pulse Generator for Generating Discharge at Inside of Cells for Cancer Treatment and Its Effect (2017)
  • Author(s): Hiromi Sato, Keita Yasu, Junya Hiyama, Yasushi Minamitani, Nobuaki Ohnishi, Yusuke Fujiwara, Kyosuke Matsubayashi, Daiki Miyagawa, Sunao Katsuki
  • Organizer: 10th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of High Power Burst Pulse Generator Based on Magnetic Switch for Cancer Treatment and Effect on Cancer cell by High Power Burst Pulse (2017)
  • Author(s): Hiromi Sato, Keita Yasu, Yasushi Minamitani, Nobuaki Ohnishi, Yusuke Fujiwara, Kyosuke Matsubayashi, Daiki Miyagawa, Sunao Katsuki
  • Organizer: 2nd World Congress on Electroporation and Pulsed Electric Fields in Biology, Medicine, and Food & Environmental Technologies
  • Int'l Joint Research