2016 Fiscal Year Research-status Report
粒子線治療における系統的な線質測定と生物学的効果の推定精度に関する研究
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15K08690
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
平野 祥之 群馬大学, 大学院医学系研究科, 助教 (00423129)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | マイクロドシメトリー / 生物効果モデル / MKモデル / 粒子線治療 / CR39 / LETスペクトル / モンテカルロ法 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、主に細胞生存率を計算するためのシミュレーション体系の構築と炭素線Spread out Bragg Peak (SOBP)照射場におけるCR39を用いた線エネルギー付与（LET: Linear Energy Transfer）測定を行った。シミュレーションについては、Geant4を用いたマイクロドシメトリーの計算と生物効果モデルの一つであるMicrodosimetric Kinetic（MK）モデルを用いて生物線量の計算を可能にした。MKモデルにはいくつかモデルパラメータがあるが、過去の陽子、ヘリウム、炭素線の照射実験の結果を再現できるようにパラメータを選んだ。またMKモデルにおける最低限の仮定を採用し、後はモンテカルロ法を利用して生存率を直接求める独自の手法を開発したことにより、あらゆる放射線治療の生物線量の計算ができるようになった。この手法のデモンストレーションとして、炭素線SOBP照射における二次粒子の生物線量に対する影響を見積もった。その結果、二次粒子は10％程度の影響があり、特にZ（原子番号）の大きい二次粒子が大きく寄与していることを定量的に示した。この結果を論文にまとめ投稿中である。
一方マイクロドシメトリー測定として、固体飛跡検出器であるCR39を用いた。炭素線SOBP照射場において、8点の深さにCR39を設置し、照射後にエッチング、顕微鏡によるスキャン、エッチピットの楕円フィットの結果とLETの関係からLETスペクトルを計算した。このLETスペクトルとMKモデルやNIRSの生物効果モデルを利用して、生存率分布を算出した。一方でシミュレーションも行いLETスペクトルを計算した。その結果、シミュレーションと実験は非常によく一致しており、CR39を基にした生存率分布も実験による細胞生存率分布と一致し、生存率分布測定においてCR39の有用性を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
シミュレーションにおいては、本研究課題で開発したMKモデルを基にしたモンテカルロ法による生存率計算を行ったが、これらのプログラムの作製はすべて自ら行った。過去の実験を非常によく一致するようにモデルパラメータを決めることができたが、そこに至るまでにプログラムのバグ出しと修正に予定していたより時間がかかった。実験においても、CR39の感度が下がっていることが分かり、予定にはなかった校正のための追加実験を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
Geant４を用いたマイクロドシメトリーの計算は、実験との比較もされるようになり、確立しつつある。よって生物効果の予測にあったって、これまでのように単に微小領域でのエネルギー付与（マイクロドシメトリー）だけでなく物理化学的な量の測定や計算が必要になってくる。例えばラジカルの生成や反応である。このためには、エネルギー付与だけでなくラジカルの生成等の計算も可能なGeant4-DNAがある。これを利用して粒子種やLETの違いによる生体分子の損傷の仕方の違いを明らかにしたい。しかしGeant4-DNAもラジカルの生成と輸送までは可能であるが、生体分子との反応については実装されていない。すでに同様な計算ライブラリーも開発されており、まずをその計算アルゴリズムを実装しGeant4-DNAにおいてもラジカルと生体分子との反応によるDNA切断の計算を可能にする。またシミュレーションは、ある段階で実験と比較して、その妥当性の検証が必要である。実験によるDNA切断数の測定には電気泳動等があるが、本研究では原子間力顕微鏡（AFM）を用いた切断のイメージングを検討しており、その結果とシミュレーションを比較する予定である。すでに炭素線照射によるプラスミドのDNA切断イメージングを、高速AFMを用いて行ったが、おそらく線量不足のため明確には観測できなかったが、プラスミドの長さを画像から測定することで切断の有無を調べる予定である。シミュレーションおよびAFMのイメージングを確立した後、LETや粒子種によるDNA切断の様子を調べたい。またシミュレーションにおいても、DNAの切断は原子のファンデルワールス半径に一定のエネルギー付与がある場合に切断するという単純なアルゴリズムで計算されている。分子動力学による力場の計算結果を利用して、より現実的な体系で計算できるようシミュレーションの改善も行いたい。
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| Causes of Carryover |
まず、交付金額が請求金額より減額されたため、当初予定していた装置を購入することができなくなった。代替手法を取ったが、その場合、必要な装置の購入金額が低く、予定より余裕ができた。また、研究の進度が予定より少し送れているため、昨年度使用予定だった金額を使用していないため、次年度使用額に違いが生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は、主に高速原子間力顕微鏡（AFM）によるプラスミドDNAの切断イメージのために使用する予定である。AFMを購入することは予算の都合上できないため、測定を依頼する予定で、サンプルの購入費と依頼測定のために使用する。解析は自ら開発したプログラムで行うことで、節約することができる。
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Research Products
(2 results)
