Development of Radiotherapy Platform Integrating Intercellular Networks and DNA Damage Simulation

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K15560
• Research Institution: Hokkaido University of Science
• Principal Investigator: 佐々木 恒平 北海道科学大学, 保健医療学部, 准教授 (20736376)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 細胞間ネットワーク / DNA損傷 / シミュレーション / 数理モデル

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、細胞間ネットワークとDNA損傷シミュレーションを統合した放射線治療基盤の開発に取り組んだ。以下、本研究の進行と成果について詳細に説明する。
始めに、体内各深さにおける二次電子エネルギーを用いてDNA損傷を推定するためのモデルを構築した。具体的には、Geant4を用いてDNA損傷を推定と同時にミクロな吸収線量指標yDを計算した。その結果、DNA損傷と吸収線量指標yDの推定が可能となった。また、シミュレーション結果をDSB数や細胞生存率と比較することで、妥当性を確認した。
次に、我々が開発した二つのシグナル伝達経路を組み込んだ数理モデルを用いて、シグナル伝達動態の解析を行った。この数理モデルを使用することにより、シミュレーションによって損傷が拡がる細胞の範囲を推定することが可能となった。さらに、Microdosimetric-Kineticモデル(MKモデル)に基づき、DNA損傷数から細胞の運命を推定した。その後、PHITSコードを用いて線量計算と細胞間ネットワークシミュレーションを統合した。この統合により、線量に対する放射線影響の波及範囲を推定することが可能となった。さらに、放射線が与えるエネルギーによる細胞損傷以外の、細胞集団としての性質から生じる細胞致死を推定することが可能となった。
結果として、得られた細胞生存率から、放射線治療の効果を推定することができた。これにより、我々のシミュレーションモデルは放射線治療における細胞損傷と治療効果の予測が可能であった。
本研究により、DNA損傷と細胞生存率の予測、細胞間ネットワークシミュレーションと線量計算の統合、そしてこれらから得られた放射線治療効果の予測という一連のプロセスを遂行することにより得られたものである。これらの成果は、新たな放射線治療基盤の開発に貢献し、将来の放射線治療において重要な指針となることが期待される。