2021 Fiscal Year Research-status Report
Development and validation of mathematical model of nanomedicine for cancer treatment by using zebrafish
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20K20532
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長谷川 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (30396783)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中嶋 洋行 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 室長 (10467657)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 血流シミュレーション / ナノメディシン / ライブイメージング / ゼブラフィッシュ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高解像度共焦点顕微鏡を用いて、焦点位置を連続的に移動させることにより、ゼブラフィッシュ脳内血管構造の断面画像を取得し、これを3次元的に積み重ねることにより3次元血管構造を再構築するとともに、同一の個体に対して、赤血球を蛍光させることによって、赤血球が血管内を流れる動画の取得を同時に行うことに成功した。これにより、3次元的な血管構造とその内部を流れる赤血球の動画が同時に取得することが可能となった。次に、得られた赤血球の動画と流体の支配方程式を同時に考慮する人工知能流体計を用いて、血管網全体の流れを推定するアルゴリズムの開発を行い、その妥当性を検証した。これにより、赤血球の移動する動画と血管の3次元構造のみから、血管内部の血流を詳細に再現することが可能となり、実験では計測できない血管内壁に働く圧力やせん断応力などの血行力学的因子の推定を可能とした。また、DPDシミュレーション、3次元連続体シミュレーション、1Dシミュレーションの異なる計算コードを整備し、同一の個体に対して、これらのシミュレーション技法を適用し、結果を比較するための基盤が整った。
ナノメディシンに用いるナノ粒子の生成とその効果の検証においては、ナノ粒子の周囲をコーティングする親水性のポリマーの長さを変えた際に、ナノ粒子が血管内皮細胞に捕捉されずに血管内部を循環する時間に与える影響を明らかにした。これにより、十分な長さを持つポリマーをナノ粒子の周囲に配置することによって、血管内の滞留時間を確保することが可能であることを示した。
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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
ノイズを含む限られた顕微鏡画像から血流場の詳細を推定するための人工知能計測アルゴリズムの開発を行い、直接計測することができない3次元流れの様子や血管内壁に働く応力などの算出などが可能となりつつある。DPDシミュレーション、3次元連続体シミュレーション、1Dシミュレーションなどの異なる計算手法を同じ個体に適用するための画像処理技術も確立されており、これらの比較から既に興味深い結果も得られつつある。一方で、実験計測の精度、技術も向上しており、血管画像とその内部を流れる赤血球やナノ粒子の動画撮影の同時取得などの技術も確立されている。ナノ粒子の合成についても、ゼブラフィッシュ体内での可視化に最も適した条件を同定することに成功しており、全体として順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、ゼブラフィッシュ体内にガン細胞を移植し、それを定着、成長させるための技術を確立するとともに、血管内部を流れるナノ粒子の画像に基づき、そのダイナミクスを予測するための数理モデルの構築を進める。DPDシミュレーションによりナノ粒子、赤血球、およびその周囲の血漿の流れの連成解析を進めるとともに、未知パラメータを実験データから推定するためのアルゴリズムの開発を継続する。複雑に分岐する生体内における血管網において、ナノ粒子の流動パターンをシミュレーションにより再現するとともに、実験結果と比較することで、シミュレーションの妥当性を検証する。
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| Causes of Carryover |
コロナウイルス感染症の拡大により、研究員が当初の予定通りに来日することができなかったため、次年度使用額が生じたが、次年度以降は外国からの入国制限も緩和されるため、当該研究に従事する研究員、学生を増員することにより、研究をさらに加速する。これに伴い、次年度使用額は主に、人件費や謝金の増額に充てる予定である。
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