| Project/Area Number |
22K19939
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
伊井 仁志 東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (50513016)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小野寺 宏 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (20214207)
相澤 健一 自治医科大学, 医学部, 准教授 (70436484)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | ラメラ層 / 計算力学 / 離散モデル / 動物モデル実験 / 内部構造観察 / 血管 / 粒子ベース手法 / 二光子顕微鏡観察 / 大動脈解離 / 動物モデル / 顕微鏡観察 |
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| Outline of Research at the Start |
大動脈解離は大動脈血管内に血液が浸潤することで内部のラメラ層が破断し血管が引き裂かれる血管障害であり、効果的な診断・予防・治療法に向けた現象の究明が必要とされている。本研究では、「病態モデル動物実験」、「透明化処理技術を併用した高精度二光子顕微鏡観察と三次元形態取得」、「サブマイクロからマイクロサイズの弾性線維・ラメラ層の不均質構造体およびそこに侵入する血流との力学連成解析」という実験観察技術と数値解析技術を統合したアプローチにより、力学平衡破綻という観点から病態を引き起こすプロセスとメカニズムの解明を図る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
血管中膜のエラスチンシートについて，昨年度までに構築した数理モデルを発展させ，線維モデルの集合体として数理モデル化を行った．エラスチン線維を伸長・曲げに抵抗する弾性線維としてモデル化し，線維間を架橋するクロスリンクを線形バネ要素でモデル化した．初期のネットワークに対し，クロスリンクの自然長を小さく設定し緩和計算を行うことで構造の凝集を促した．クロスリンクの自然長を適切に設定することで，実験観察されているシートの空隙径といった構造的特徴を再現できた．次に，単軸引張の数値実験を行い，シートの巨視的な応力・ひずみ関係を調べた．個々の線維は線形的にモデル化されているにも関わらず，巨視的な応力・ひずみ関係は実験観察から得られている非線形挙動を示したことから，シートの力学特性はネットワーク構造に由来することが明らかとなった．また，クロスリンクの本数および自然長，エラスチン線維の剛性を変化させたところ，パラメータを適切に設定することでマウス中膜の実験結果を再現した．これらより，エラスチンシートの構造および力学特性を再現する数理モデルを構築することに成功した．
ラメラ層内の流動解析に向け，メッシュフリー法の構築を引き続き進め，移動境界流れ問題において提案手法の妥当性を示した．
動物モデル実験を実施し，計画した実験条件においてサンプル取得を進めた．取得したサンプルに対し，DAPI染色および透明化を施し，ニ光子顕微鏡観察を行った．この際，胸部大動脈，腹部大動脈を含む血管全長の三次元取得は非現実的であることが分かったため，実体顕微鏡による断面観察と組み合わせ，出血部位などの同定を併せて行い，観察部位を決定した．また，共焦点顕微鏡による観察も併せて行った．解離を表示させる薬剤投与後からの経時観察より，病変部位が増加していく傾向を確認できた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画通り，ラメラ層破断に向けた計算力学モデルの構築を順調に行えており，国内外の学術会議で成果を公開している．動物モデル実験は計画通りの実験データが蓄積されている．また，当初は二光子顕微鏡による観察を計画していたが，現実的および実用的な観察のため，共焦点顕微鏡，実体顕微鏡を併用した観察アプローチを図った．以上より，数理モデル構築のための血管構造および出血部位の観察は順調に進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
構築したエラスチンシート構造を用いてラメラ層内のマイクロスケール流動の解析を進めていく．これまでに取得した動物モデル実験サンプルについて二光子顕微鏡，共焦点顕微鏡，実体顕微鏡観察を行い，薬剤持続投与後の経過日数とラメラ層構造の関係を調べる．得られたラメラ層構造を考慮した計算力学モデル解析を実施し，破断プロセスの物理メカニズムの解明に取り組む．
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