| Project/Area Number |
21K18148
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
鹿園 直哉 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 上席研究員 (10354961)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 正規 千葉工業大学, 惑星探査研究センター, 主席研究員 (70312080)
森林 健悟 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 上席研究員 (70354975)
米谷 佳晃 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主幹研究員 (80399419)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
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| Keywords | 量子ビーム / 熱スパイク / 水の密度変化 / シミュレーション / DNA損傷 / イオンビーム / 分子運動 / 生物作用 |
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| Outline of Research at the Start |
量子ビームによって付与されるエネルギーの大半は熱に変換され局所的な高温状態（熱スパイク）が生じる。熱スパイクは生物作用に関与しないと一般的に考えられてきたが、その根拠は十分とは言い難い。本研究では、量子ビームによって誘起される熱スパイクに由来する圧力波がDNAに作用し、生物作用を左右する可能性を調べる。本研究は、量子ビーム生物作用の原因として電離・励起に加え新たなメカニズムを提唱する点で極めて独創的かつ挑戦的である。一方で、本研究の推進は、がん治療における患部への重粒子イオン照射をリアルタイムで観測する新規技術確立につながるため、治療の高度化に極めて大きな貢献をすることが期待できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子ビームによって付与されるエネルギーの大半は熱に変換され局所的な高温状態（熱スパイク）が生じる。熱スパイクは生物作用に関与しないと一般的に考えられているが、これまでの研究対象は主にタンパク質等であり、生物作用を左右する可能性についての検討は十分とはいない。本研究では、近年向上が目覚ましい各種解析技術を組み合わせ、量子ビームによって誘起される熱スパイクに由来する圧力波がDNAに作用し、生物作用を左右する可能性を明らかにすることを目指して研究を進める。
本年度は、水分子の温度上昇による密度変化を測定するための超音波エコー測定装置による実験を進め、鉄イオンビーム照射後の水槽中の水の変化を観測した。昨年度までは測定におけるバックグラウンドが高かったが、超音波吸収シートを水槽内に設置することで、大幅な改善を得た。鉄イオンビーム強度およびビーム径と超音波エコーシグナルの関係を明らかにすることを目的に実験を行った結果、ビーム強度が増すにつれて超音波エコーシグナルの輝度が明るくなることを見出した。また、ビーム強度を一定にしてビーム径を変化させたときは、ビーム径を小さくするにつれ超音波エコーシグナルの輝度が明るくなった。このことは熱スパイク間の距離により水分子の挙動が影響を受ける可能性を示す一方、超音波エコーによる量子ビーム照射のリアルタイム検出に対して重要な示唆を与える。一方本年度は、水に照射された量子ビームのエネルギー付与による軌道付近の水分子の挙動を調べる分子動力学計算を可能とする計算コードを開発した。本計算コードにより、瞬間的に大きなエネルギーが局所的に付与されると、付近の水分子は押し出され、極短時間だが空洞が生じることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
量子ビーム照射後の水の密度変化を調べるための実験を開始し、量子ビーム照射条件と超音波エコーシグナルの関係性を知ることができた。また、シミュレーションコードの開発を進め、熱が与えられた後の水分子の挙動を調べることを可能とした。しかしながら、ビーム割り当て時間削減が生じたため、照射実験は当初の予定からはやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
量子ビームを水に照射して、超音波エコーによるシグナルを観察し、より定量的なデータを集めることを目指した実験系の確立とデータの取得を行う。具体的には、電離箱を用いてシグナルの観察位置と粒子線のエネルギー付与の関係性解明を目指した実験を進める。一方で、分子動力学シミュレーションにより、量子ビームによって付与されるエネルギーが熱エネルギーとなって水に瞬間的・局所的に与えられた後の個々の水分子の挙動を調べる計算を進め、水分子の温度、密度、圧力の変化について調べていく。
これらの実験および計算を進めることにより、量子ビーム照射後の水の分子運動に関する理解を深める。
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