浸透圧差による赤血球の膨張・溶血現象における個体差の定量評価とカプセル化への応用
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22K03934
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
大友 涼子 関西大学, システム理工学部, 准教授 (00726862)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | 赤血球 / 浸透圧 / 溶血 / ヘモグロビン / 吸光度 / 個体差 / ドラッグデリバリーシステム |
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| Outline of Research at the Start |
赤血球を浸透圧の低い低張液中におくと，水の浸入により赤血球は膨張変形し，さらに膜に破損や細孔が生じると溶血が起こる．本研究では，低張環境下での個々の赤血球の形状変化，体積変化，およびヘモグロビン等の内部物質浸出挙動の同時可視化計測を試みる．実験，および実験を再現する1次元シミュレーションにより，環境や条件にきわめて敏感な赤血球の溶血現象について，個体差によるばらつきの幅を定量的に評価する．さらに，Drug delivery systemへの応用を期待し，個体差の影響を考慮した，赤血球への薬剤等のカプセル化のための最適な方法・条件の提案を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，赤血球が低張条件下で膨張変形し溶血に至るまでの過程について，個々の赤血球の形状変化，体積変化，およびヘモグロビンをはじめとする内部物質浸出挙動の同時可視化計測を行う．2023年度は，赤血球の形状・体積変化と内部物質の浸出挙動の可視化計測実験および膨張・溶血現象のシミュレーションに重点を置いて取り組んだ．
2023年度には，Hbの最大吸光波長（405nm）の光源を購入した．これは2022年度に選定したものである．これにより，より高いフレームレートで実験結果を撮影することが可能になったため，それに応じたカメラを選定し，購入した．カメラを選定する際には，後述するシミュレーション結果をもとに概算した必要なフレームレート，および予算を考慮した．導入した光源およびカメラを用いて2022年度と同様の実験を行った結果，赤血球が膨張した後に，赤血球内部から外部へと浸出する物質の存在を可視化することに成功した．これにより溶血時のヘモグロビンの浸出を捉えられたと期待されるが，可視化画像において浸出が確認された物質が本当にヘモグロビンであるかどうかを確かめるために，浸出した物質の量，および赤血球内部に含まれるヘモグロビンの量を実験結果の画像から逆算することを試みた．2023年度中にこれらの量を得るには至らなかったため，2024年度も引き続き取り組む予定である．
シミュレーションはGe et al.（Eur. Biophys. J., 2018）の文献と同様の方法で行った．赤血球に低張液を加えた後の現象を，(1)膨張過程，(2)伸長過程，(3)溶血過程の3段階に分け，それぞれの過程で膜を通した物質移動とそれに伴う赤血球の表面積・体積の時間変化を算出した．溶血過程のシミュレーションは一部見直しが必要であるものの，膨張過程および伸長過程については実験結果と矛盾のない結果が得られた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は，後半（2023年11月～2024年3月）にライフイベントによる休業が生じたため，実験およびシミュレーションでそれぞれ課題を残すことになってしまった．具体的には以下の通りである．
2023年度の目標であった「浸透圧差による膨張・溶血現象の1次元シミュレーション」では，Ge et al.（Eur. Biophys. J., 2018）に基づき，赤血球に低張液を加えた後の現象を(1)膨張過程，(2)伸長過程，(3)溶血過程の3段階に分けて，それぞれの過程で膜を通した物質移動とそれに伴う赤血球の表面積・体積の時間変化を表す式を立てた．これらの式を用いてシミュレーションコードを作成したところ，膨張過程および伸長過程では本研究でこれまでに行ってきた実験結果と矛盾のない結果が得られたが，溶血過程では，特に赤血球膜への細孔形成および細孔からの物質の浸出の部分で，構成式の見直しが必要となり，解決には至らなかった．
2022年度から続けている実験において，溶血時の物質の浸出挙動の可視化には成功したものの，可視化画像から浸出量を逆算する段階で一部課題を残す結果となった．また，実験は日時や実験者が異なる条件で複数回行っているが，一度の実験に時間を要することから，十分な量のデータを集めるために，次年度以降も引き続き同様の実験を継続する．
2024年度に実施予定であるマイクロチャネルを利用した赤血球カプセル化について，わずかではあるが情報収集や準備を前倒しで進めることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度に解決に至らなかった点（シミュレーションにおける細孔形成および細孔からの物質の浸出に関する式の見直し，実験における可視化画像からの浸出量算出）については，引き続き2024年度にも取り組む予定である．それに加え，2024年度には新たに「マイクロ流路を用いた赤血球カプセル化の制御」を実施予定である．マイクロ流路の作製，およびカプセル化の手順に関しては，2022年度および2023年度から段階的に情報収集と準備を進めてきた．これまでに得られた知見から，浸透圧差による溶血現象を利用して赤血球に薬剤を封じ込め，効率的にカプセル化するためのシステムを模索する．
すべての成果について，結果を整理し，国内外の学会発表や論文投稿にも重点的に取り組む．
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Report
(2 results)
Research Products
(1 results)
