| Project/Area Number |
23K24998
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| Project/Area Number (Other) |
22H03744 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 63020:Radiation influence-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
松谷 悠佑 北海道大学, 保健科学研究院, 講師 (20826929)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福永 久典 北海道大学, 保健科学研究院, 准教授 (50781267)
松山 成男 東北大学, 工学研究科, 教授 (70219525)
赤松 憲 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 上席研究員 (70360401)
甲斐 健師 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (70403037)
楠本 多聞 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学研究所 計測・線量評価部, 主任研究員 (90825499)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
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| Keywords | DNA損傷予測モデル / 間接効果のモデリング / 主鎖切断 / 塩基損傷 / クラスター損傷 / 高LET放射線 / 化学過程のモデリング / DNA損傷 / 中性子・BNCT照射 / 炭素線照射 / 一本鎖切断 / 二本鎖切断 / 放射線飛跡構造解析 / 陽子・中性子照射 / 化学モデル / 放射線飛跡構解析 |
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| Outline of Research at the Start |
生体細胞が放射線により被ばくした場合，細胞死や染色体異常，発がんといった後発の放射線影響が発生する。これら影響は放射線飛跡上で生じる初期のDNA損傷に起因するため，放射線による生じる生物影響を正確に理解するためには，放射線の飛跡構造に基づいてDNA損傷数を予測するシミュレーション研究が重要である。しかし，このDNA損傷推定シミュレーションは，飛跡構造やラジカル生成・拡散の詳細な計算が必要なため，膨大な計算コストを要する問題がある。本研究では，最も計算コストを要する化学過程をモデル化することで，様々な放射線タイプにより生じるDNA損傷を高速に推定可能なDNA損傷予測システムの開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和6年度における研究開発では、(a)DNA損傷と間接効果（ラジカルによる損傷）の理論モデルの開発、(b) X線・重イオン線により生じるDNA損傷（主鎖切断・塩基損傷）データの蓄積、2項目について研究開発を進め、放射線による化学過程を考慮してDNA損傷を効率よく計算できるコードの開発を進めた。
当該年度の(a)モデル開発では、令和5年度に開発した化学過程計算コード（PHITS-Chem）を使用して、LETとラジカルによる発生するDNA損傷の関係を理論的に予測し、それら関係性を経験モデル（数学的記述）で解析した。また、本研究課題において令和5年度に開発したPHITS-Chemで取り扱い可能な粒子線の種類は、電子線・陽子線・炭素線に限定されていたが、近年のPHITS-Chemの開発（別の研究プロジェクトの開発成果）により、α線なども含むあらゆるイオン線についても計算可能となったことから、α線を含む様々な放射線についても、間接効果の予測が可能なモデル開発を進めた。一方で、令和5年度までに開発したDNA損傷予測モデルを使用することで、乾燥したプラスミドDNAに生じるクラスター塩基損傷収量の実測値の再現に成功し、開発モデルの方向性や妥当性の一部を証明することに成功した。
次に、当該年度の(b)DNA損傷測定については、Ｘ線照射実験により、直接効果と間接効果の寄与率の再評価を進めた。また、有酸素や低酸素条件下におけるクラスター塩基損傷のデータ蓄積も進めた。さらに、イオン線照射実験については、ホウ素中性子捕捉療法BNCTによる照射を駆使し、α線やLiイオンによる複雑な放射線場において発生するDNA損傷データの蓄積を進めた。これら蓄積されたデータは、最終年度において、開発したモデルの妥当性の検討に使用する予定である。
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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
令和6年度の進捗状況においては、様々なLET放射線に対応できる間接効果予測モデルの開発に成功した。これにより、令和5年度には、これまで計算が不可能であったα線や鉄イオン照射で生じる間接効果由来のDNA損傷数の解析が可能となった。令和5年度までの開発において、イオン線専用の物理過程計算モデルであるPHITS-KURBUCと本研究課題で開発を進めた化学過程計算モデル（PHITS-Chem）を組合わせた計算コードは、汎用放射線挙動解析コードであるPHITSに内包し、令和7年度4月に約10,000名のPHITSユーザーに公開した。
また、DNA損傷収量に関する実測値の蓄積では、Ｘ線照射装置（QST関西光研究所・北海道大学）や中性子照射装置（東北大学）を効率的に使用することで、間接効果の寄与率や重イオンで発生する主鎖切断数の測定に成功し、化学過程モデルの開発に役立てた。令和5年度に生じた照射施設に関する課題点について代替照射法（ホウ素中性子捕捉療法（BNCT））を活用することで、当該年度に計画していた重粒子線によるDNA損傷データの蓄積も進めることに成功した。
以上より、順調に研究が進展したと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和7年度（最終年度）は、令和6年度までの研究開発状況を踏まえて、下記3項目の研究内容について進め、研究開発を完了させる予定である。
(1) 令和6年度までに開発した化学過程モデルとDNA損傷予測モデルについて、蓄積されたDNA損傷データを最大限活用し、開発モデルの妥当性を検証する。また、開発するDNA損傷モデルについて、PHITSバージョン3.35（令和7年度4月における最新版）のDNA損傷予測モデルに組み込み、LETと間接効果の関係を表現可能な「DNA損傷予測システムの完成」および「開発システムの実装の準備」を進める。
(2) Ｘ線照射装置（QST関西光研究所・北海道大学）を使用し、生体内コンディションと高濃度ラジカルスカベンジャー存在下におけるDNA損傷数（クラスター損傷も含む）の測定を継続し、開発するDNA損傷予測モデルの間接効果の寄与率の高精度化を進める。
(3) 中性子捕捉療法BNCTによる照射実験を継続し、重粒子線により発生するDNA一本鎖切断数とDNA二本鎖切断数の測定を行い、(1)で開発するDNA損傷予測モデルの高精度化を進める。
以上のとおり，間接効果を予測する化学モデルやDNA損傷予測システムの妥当性の評価，さらにはDNA損傷測定データの継続的な蓄積を進め、「様々な放射線タイプにより生じるDNA損傷を高速に推定可能なDNA損傷予測システムの開発」を完了する予定である。
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