2020 Fiscal Year Annual Research Report
Research on Recovery Behavior of Red Blood Cell with a Hundredfold Drastic Change
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19H00749
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
金子 真 名城大学, 理工学部, 教授 (70224607)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂田 泰史 大阪大学, 医学系研究科, 教授 (00397671)
大谷 朋仁 大阪大学, 医学系研究科, 講師 (30623897)
伊藤 弘明 千葉大学, 大学院理学研究院, 助教 (10783186)
高山 俊男 東京工業大学, 工学院, 准教授 (80376954)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 赤血球変形能 / ローディング / 回復時定数 / 細胞骨格 / 循環器系疾患 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
狭窄部で単一赤血球を静止させたところ、静止時間３分で狭窄部から解放された赤血球回復時定数は数ミリ秒から数十秒に激変するローディング現象を発見した。本研究はこのメカニズムの解明を目的としている。2020年度行った以下５項目について研究実績をまとめる。このうち項目(5)は当初予期していなかった興味深い結果である。
(1)マイクロ流路内での赤血球操作：マイクロ流路内で単一赤血球を並進運動だけでなく回転運動まで考慮した2自由度運動制御法を考案し、実験的に並進/回転同時制御を実現することに成功した。この結果はBiomicrofluidics(2020)に掲載された。この制御法により、赤血球初期姿勢の自由度を格段に拡げることができるようになった。
(2)赤血球形状の３次元計測：これまでの計測システム試作機を改良し、厚さ2μmの赤血球を流路前方から観察できるようにしたが、赤血球の厚さ2μmという微小スケールのため、クリアな３次元形状の計測には至らなかった。
(3)赤血球変形能解析システム（2020年度購入）の導入：赤血球形状の追跡システムを開発し、基本動作の有効性を確認した。
(4)ビデオカメラ観察機能付き粘弾性波面計測装置（2020年度購入）の導入：周期的空気噴流をヒト肌に印加し、肌表面血管内の虚血特性を確認した。
(5)２ステップ回復特性の発見：３分間ローディング後に赤血球を狭窄部から開放した場合、時間に対して２ステップ回復特性が現れることを突き止めた。具体的には、最初の数ミリ秒で元の赤血球の半分まで回復し、その後数秒の時間をかけて元の大きさの９０％まで回復する。この現象から機械インピーダンスを使ったマクロモデルにより赤血球の振る舞いを推定できる目途がついた。
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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
狭窄部で単一赤血球を静止させたところ、静止時間３分で狭窄部から解放された赤血球回復時定数は数ミリ秒から数十秒に激変するローディング現象を発見した。本研究はこの現象のメカニズムを解明することを目的としている。この原因を明らかにする上で、きわめて興味深い２ステップ回復特性を偶然見つけることができた。
２ステップ回復特性の発見：数秒レベルのローディング後に赤血球を狭窄部から開放したときには数ミリ秒オーダで元の大きさまで回復するが、３分間ローディング後に赤血球を狭窄部から開放した際には、時間に対して２ステップ回復特性が見られることを突き止めた。すなわち、最初の数ミリ秒で元の赤血球の半分まで回復し、その後数秒の時間をかけて元の大きさの９０％まで回復する。
この現象から機械インピーダンスを使ったマクロモデルにより赤血球の振る舞いを推定できる目途がついた。つまり赤血球をバネ・ダンパーといった機械要素でモデル化した場合、各機械要素の時間変位応答を同定することで、ローディング現象の本質に迫ることができると考えられる。以上が「概ね順調に進展している」と判断した根拠である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度研究中に、ローディング後に赤血球を狭窄部から開放した際に興味深い回復特性を見出した。数秒レベルのローディング後に赤血球を狭窄部から開放したときには数ミリ秒オーダで元の大きさまで回復するが、３分間ローディング後に赤血球を狭窄部から開放した際には、時間に対して２ステップ回復特性が見られることを突き止めた。すなわち、最初の数ミリ秒で元の赤血球の半分まで回復し、その後数秒の時間をかけて元の大きさの９０％まで回復する。この現象から機械インピーダンスを使ったマクロモデルにより赤血球の振る舞いを推定できる目途がついた。この点を踏まえ2021年度の研究計画は、以下の３点を中心に行う。
(1)赤血球機械インピーダンスモデルの構築：赤血球は２個のバネ、２個の粘性を組み合わせて構成される機械インピーダンスモデルと見立て、狭窄部から開放後の回復応答特性から４要素をそれぞれ推定し、２ステップ回復特性の基本メカニズムについて考察する。
(2)赤血球回復時定数激変現象正体の考察：赤血球内部液体の粘性、それとも赤血球外膜の剛性が積極的に本現象に関与しているのかその正体について考察する。
(3)赤血球が狭窄部内を通過する際の３次元形状の考察：狭窄部幅を変えて、赤血球形状の変化を観察することで赤血球の３次元形状のあるべき姿を定性的に考察する。
最終的には、伊藤弘明（研究分担者）、高山俊男（研究分担者）、金子真（研究代表者）らがまとめる実験結果、解析結果に対して坂田泰史（研究分担者）、大谷朋仁（研究分担者）が医学的見地から評価を行い、金子真（研究代表者）が総括を行う。なお、新しい知見が得られた時点で適宜学会発表を行う。
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