Elucidation of bacterial inactivating mechanism by cold atmospheric plasma to challenge antimicrobial resistant bacteria

• Project/Area Number: 20KK0089
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Seikei University
• Principal Investigator: 村上 朝之 成蹊大学, 理工学部, 教授 (20323818)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井内 勝哉 地方独立行政法人埼玉県立病院機構埼玉県立がんセンター(臨床腫瘍研究所), 病院 腫瘍診断・予防科, 技師 (40553847) ; 西尾 悠 東京理科大学, 工学部機械工学科, 助教 (70712743) ; 川口 悟 成蹊大学, 理工学部, 助教 (70834852)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2025: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: プラズマ医療 / 低温プラズマモデリング / 生体化学モデリング / 低温大気圧プラズマモデリング / 大気圧プラズマ / 薬剤耐性菌 / 細菌不活性化

Outline of Research at the Start

薬剤耐性菌への対策が急務となっている現在、従来型抗生物質に代わる手段として低温大気圧プラズマが注目されている。本課題では、低温大気圧プラズマの細菌不活化効果の作用機序を解明することを目的とし、海外研究機関において国際標準プラズマデバイスを用いたバイオフィルム状細菌群不活性化実験を行う。多くのプラズマデバイス作動変数を調整することで細菌群に対して非特異的な効果を与えつつ、細菌細胞内のDNA・蛋白質の分子生物学的変化および細菌細胞群の細胞生物学的変化（非耐性菌あるいは耐性菌の死滅や出現の挙動）を解明する。また、細胞内生体反応および細胞群挙動シミュレーションを相補的に用い実験を支援する。

Outline of Annual Research Achievements

抗微生物薬剤に対する耐性を身につけた細菌への対策が世界的な急務となっている現在、従来型抗生物質に代わる手段として低温大気圧プラズマ放電現象が注目されている。特に、低温大気圧プラズマによる細胞死の惹起は極めて重要なテーマであり、ここでは活性酸素窒素種のアポトーシス（細胞の自死スイッチ）誘導効果が注目されている。
本研究は、低温大気圧プラズマの細菌不活化（死滅・感染性を失わせる）効果の作用機序を解明することを目的とした国際共同研究を行う。特に、低温大気圧プラズマの様々な作用変数を制御することで細菌群に対して非特異的な効果を与えつつ、細菌細胞内のDNA・蛋白質の分子生物学的変化および細菌細胞群の細胞生物学的変化（非耐性菌あるいは耐性菌の死滅や出現の挙動）についての定量的な知見を得る。
令和5年度においては、海外研究者と共同で開発したプラズマジェットを対象とし、その放電構造を解明するモデルの開発に取り組んだ。また、プラズマ化学種が液相化学反応に及ぼす影響を解明するモデルの開発を行い、低温プラズマと生体ターゲットを繋ぐ知見を得た。低温プラズマによる細胞死の誘導実験を行い、これに対応する単一細胞内のシグナル伝達モデリングを行った。また、海外連携体制の再構築に取り組み、英国・アイルランドに加え、ポルトガル・スロベニア・セルビアの研究者との共同研究の可能性を探っている。
これらの成果に基づき、原著学術論文 1編を著し、国際会議招待講演 7件を行った。加えて、7件の国際会議発表および 7件の国内会議発表を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の計画に従って数理モデリング研究が進展しており、原著学術論文1編出版ならびに7件の国際会議招待講演を行った。また実験研究（国内）も順調に進展している。これの成果を踏まえ、2024年度に若手研究者の海外渡航（国際会議における成果公表）を予定している。
一方、2020年初頭からつづく新型コロナウィルス感染症に起因した制限が緩和されつつとはいえ、この3年間で停滞した国際連携活動の進捗を取り戻すことは容易ではない。本課題の期間延長も念頭に置き、海外研究機関との共同研究体制を再構築しつつある。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度は、昨年度に引き続き、低温大気圧プラズマの生成する活性酸素窒素種と細胞内生化学種の相互作用システム、および細胞死誘導システムを記述する包括的な生理化学反応数理モデルを構築し数値シミュレーションを行う。現行の反応系（200生化学種・500反応パスウェイ）をさらに拡張し、低温プラズマ照射の特徴である非特性を記述する。特に、低温プラズマの影響として過酸化水素(H2O2)、OHラジカル、NOラジカルなど多彩な活性酸素窒素種のフラックスを考慮するとともに、個々の細胞環境の違いを反映する細胞内タンパク質および酵素（グルタチオン・カタラーゼ等）、個々の細胞の耐性の違いを反映するDNA損傷率を考慮に入れる。ここでは、遺伝情報を司る核および DNA・エネルギー産生と細胞死を司るミトコンドリア・免疫系制御において重要な役割を果たすリガンド・受容体相互作用などを実装し、RONSレベル・局所電界強度などのプラズマ因子とのカップリングを行うことで、正常細胞とがん細胞に対する低温プラズマ曝露効果の選択性についての知見を得ることを目標とする。また、大気圧プラズマジェットの放電構造および低温プラズマの及ぼす液相化学反応の検討も継続する。
一方、新型コロナウィルス感染症に起因して停滞した国際連携活動の進捗を取り戻すことは容易ではない。本課題の期間延長も念頭に置き、海外連携の幅をひろげるべく、英国Queens University Belfast・アイルランドDublin City Universityに加え、ポルトガルUniversity of Lisbon・スロベニアJozef Stefan Institute・セルビアUniversity of Belgrade・ポーランドLublin Institute of Technology の研究者との共同研究体制を確立する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Queens University Belfast(英国)
• [Int'l Joint Research] Dublin City University(アイルランド)
• [Int'l Joint Research] University of Belgrade(セルビア)
• [Int'l Joint Research] Lublin Institute of Technology(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] Jozef Stefan Institute(スロベニア)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] Queens University Belfast/University of Oxford(英国)
• [Int'l Joint Research] Dublin City University(アイルランド)
• [Int'l Joint Research] Queens University Belfast/University of York/University of Oxford(英国)
• [Int'l Joint Research] Queens University Belfast/University of York/University of Oxford(英国)
• [Journal Article] Cold atmospheric nitrogen plasma induces metal‐initiated cell death by cell membrane rupture and mitochondrial perturbation (2023)
  • Author(s): Iuchi Katsuya、Fukasawa Mami、Murakami Tomoyuki、Hisatomi Hisashi
  • Journal Title: Cell Biochemistry and Function Volume: 41 Issue: 6 Pages: 687-695
  • DOI: 10.1002/cbf.3823
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Physics-informed neural networks for solving the Boltzmann equation of the electron velocity distribution function in weakly ionized plasmas (2022)
  • Author(s): Kawaguchi Satoru、Murakami Tomoyuki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: 8 Pages: 086002-086002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac7afb
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complexity visualization, dataset acquisition, and machine-learning perspectives for low-temperature plasma: a review (2022)
  • Author(s): Sakai Osamu、Kawaguchi Satoru、Murakami Tomoyuki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: 7 Pages: 070101-070101
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac76fa
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional nitrogen science based on plasma processing: quantum devices, photocatalysts and activation of plant defense and immune systems (2021)
  • Author(s): Kaneko Toshiro、Kato Hiromitsu、Yamada Hideaki、Yamamoto Muneaki、Yoshida Tomoko、Attri Pankaj、Koga Kazunori、Murakami Tomoyuki、Kuchitsu Kazuyuki、Ando Sugihiro、Nishikawa Yasuhiro、Tomita Kentaro、Ono Ryo、Ito Tsuyohito、Ito Atsushi M.、Eriguchi Koji、Nozaki Tomohiro、Tsutsumi Takayoshi、Ishikawa Kenji
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: SA Pages: SA0805-SA0805
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac25dc
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rescaling the complex network of low-temperature plasma chemistry through graph-theoretical analysis (2020)
  • Author(s): Murakami Tomoyuki、Sakai Osamu
  • Journal Title: Plasma Sources Science and Technology Volume: 29 Issue: 11 Pages: 115018-115018
  • DOI: 10.1088/1361-6595/abbdca
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Integrated numerical modelling of cell fate determination in response to plasma-induced reactive species (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 8th International Conference on Advanced Plasma Technologies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Numerical simulation and chemical network analysis of plasma-treated water (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 3rd Workshop on Plasma Applications for Smart and Sustainable Agriculture
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Network analysis and graph based approaches for plasma chemistry (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: OLTP/IOPS seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Graph-based approach to chemistry modelling for low-temperature plasma science (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 4th International Conference on Data-Driven Plasma Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Physics-informed neural network for solving the Boltzmann equation of electron swarms in weakly ionized plasmas (2023)
  • Author(s): Satoru Kawaguchi
  • Organizer: 23rd International Conference on Gas Discharges and their Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Numerical Simulation and Complex Network Analysis of Reacting Chemistry in Plasma Treated Water (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: The plasma road to sustainable chemical conversion workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Graph-based approach to chemistry modelling for low-temperature plasma science (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: ISPlasma2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Complexity visualization and numerical simulation of reacting chemistry in plasma-treated liquid (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 76th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modeling on the effect of plasma-produced species on immune cells behavior (2023)
  • Author(s): Chihiro Takazawa
  • Organizer: 76th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modeling on apoptosis induction by the effect of low-temperature plasma (2023)
  • Author(s): Hayata Kanda
  • Organizer: 76th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Complexity visualization and numerical simulation of plasma-activated liquid chemistry (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 25th International Symposium on Plasma Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scaling down the reaction system for low-temperature plasma chemistry (2023)
  • Author(s): Arisa Shinke
  • Organizer: 25th International Symposium on Plasma Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Network visualization and entropy estimation of complex silane plasma chemistry using numerical calculation of rate equation set (2023)
  • Author(s): K. Hamano
  • Organizer: 25th International Symposium on Plasma Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] COMPUTATIONAL MODELLING ON THE MECHANISMS OF PLASMA-INDUCED CELL DEATH (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: Int Workshop on Plasma Cancer Therapy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 低温大気圧プラズマ照射によって誘導される細胞死の数理モデリング (2023)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 低温大気圧プラズマ照射によって誘導される細胞死における金属の役割 (2023)
  • Author(s): 井内勝哉
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] プラズマ活性種による細胞死惹起の数理モデリング (2023)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] グラフ理論に基づく大気飽和水の化学反応解析 (2023)
  • Author(s): 南智貴
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 低温大気圧プラズマジェットの放電構造シミュレーション (2023)
  • Author(s): 岡田昇大
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 細胞内の生理化学反応のモデリング (2023)
  • Author(s): 齊藤壱平
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] プラズマ処理水の植物生育に与える影響 (2023)
  • Author(s): 松岡愛美
  • Organizer: 第40回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] Graph-based approach to catalytic effects in plasma-exposed liquids (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 75th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Numerical modeling of how plasma interferes with cell fate (2023)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 75th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modeling on cell-death induction by low-temperature plasma (2022)
  • Author(s): Hayata Kanda
  • Organizer: 75th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Complex network analysis of low-temperature plasma reaction systems (2022)
  • Author(s): Arisa Shinke
  • Organizer: 75th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modeling on the dynamic behavior of immune cells (2022)
  • Author(s): Chihiro Takazawa
  • Organizer: 75th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modeling of the intra- and inter-cellular behavior influenced by cold atmospheric plasmas (2022)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 11th Int Workshop on Micro Plasma
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modeling of the chemical effects of plasma-induced reactive species on air-saturated saline solution (2022)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 11th Int Workshop on Micro Plasma
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modeling on apoptosis induction by low-temperature plasma (2022)
  • Author(s): Hayata Kanda
  • Organizer: 11th Int Workshop on Micro Plasma
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Complex network analysis of low-temperature plasma chemistry (2022)
  • Author(s): Arisa Shinke
  • Organizer: 11th Int Workshop on Micro Plasma
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modeling on the dynamic behavior of immune cells (2022)
  • Author(s): Chihiro Takazawa
  • Organizer: 11th Int Workshop on Micro Plasma
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modelling of cell-death induction in response to plasma-induced reactive species (2022)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: ISPlasma2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Graph-theoretical analysis of chemical network activated by low-temperature plasma (2022)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: ISPlasma2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] プラズマ活性種による細胞運命決定の数理モデリング (2022)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] プラズマジェットの活性種反応シミュレーション (2022)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 日本学術振興会プラズマ材料科学第153委員会研究会
• [Presentation] プラズマ活性液相化学のモデリング (2022)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 低温プラズマによる活性化を念頭に置いた液相化学のモデリング (2022)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 電気学会全国大会
• [Presentation] Numerical Study of Freestream Vortices Generating Streaky Structures in Leading Edge Boundary Layer (2022)
  • Author(s): Yu Nishio
  • Organizer: ICJWSF2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ活性液相化学のモデリング (2022)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] プラズマ誘起活性種に起因した細胞運命決定の統合型数値モデリング (2021)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 日本MRS年次大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマが細胞機能に与える影響のモデリング (2021)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 電気学会全国大会調査専門委員会
  • Invited
• [Presentation] 低温大気圧プラズマによる細胞死制御のモデリング (2021)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] プラズマ液相反応における中枢化学反応式の抽出とグラフ理論を用いた解析 (2021)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 活性酸素窒素種によるアポトーシス誘導のモデル化 (2021)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 免疫細胞に与えるプラズマの影響のモデリング (2021)
  • Author(s): 髙澤千尋
  • Organizer: プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] プラズマ活性水溶液の化学反応ネットワーク解析 (2021)
  • Author(s): 新家有紗
  • Organizer: プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] Modeling of plasma-activated aqueous chemistry (2021)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 74th Gaseous Electronics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical modelling of the effects of plasma on mitochondrial redox homeostasis and energy metabolism (2021)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 8th International Conference on Plasma Medicine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modelling on the manipulation of intracellular functions by plasma-induced reactive nitrogen species (2021)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: ISPlasma2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 低温プラズマ化学解析のネットワーク理論的アプローチ (2021)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究会
  • Invited
• [Presentation] プラズマが細胞機能に与える影響のモデリング (2021)
  • Author(s): 村上朝之
  • Organizer: プラズマバイオコンソーシアム 2020年度 研究会
  • Invited
• [Presentation] Rescaling the chemical kinetics network through graph-theoretical analysis (2020)
  • Author(s): Tomoyuki Murakami
  • Organizer: 73rd Annual Gaseous Electronics Virtual Conference
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 成蹊大学理工学部システムデザイン学科プラズマエネルギーデザイン研究室
  • URL: http://www.sd.seikei.ac.jp/lab/pedl/index.html
• [Funded Workshop] ICJWSF2022 (2022)