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2015 Fiscal Year Annual Research Report

病的肺リモデリングメカニズムの解明に向けたマルチスケールメカニクス解析

Research Project

Project/Area Number 24240073
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

和田 成生  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (70240546)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 宮崎 浩  藍野大学, 公私立大学の部局等, 教授 (00263228)
世良 俊博  九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40373526)
伊井 仁志  大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50513016)
越山 顕一朗  大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (80467513)
Project Period (FY) 2012-04-01 – 2016-03-31
Keywords肺細葉モデル / 構造解析 / リモデリング / 肺気腫 / 喘息 / 呼吸音 / 肺循環 / ガス交換
Outline of Annual Research Achievements

昨年度までに計測したマウス肺葉の実形状データに基づいて構築した12個のマウス肺細葉実形状モデルに対して,巨視的に等方膨張させた場合の肺細葉内部の変形解析を行った.その結果,肺細葉レベルでは,肺胞壁に作用するひずみは均一ではなく,肺胞口周辺で局所的に大きくなることが分かった.また,内部構造を肺組織表面の主曲率を用いて種類が異なる肺胞上皮細胞が存在する位置を推定し,変形解析で得られた応力場を参照することで,細胞周囲の肺組織の力学場を明らかにする方法を構築した.さらに,昨年度までに構築した肺細葉の不均質構造をパラメトリックに変化させることができる肺細葉の数理形状モデルを用いて,肺細葉の不均一な内部構造が肺組織の力学場に及ぼす影響を調べた.その結果,病的リモデリングとともに進行する肺細葉の構造変化が肺組織レベルの不均一な力学場を引き起こす可能性が示唆された.こうした病的肺のモデルとして肺気腫肺に着目し,肺気腫モデルマウスをエラスターゼを気道内に投与することによって誘導し,SPring8高分解能CTを用いて撮影を行った.前年度までに開発したマルチスケール画像抽出法を用いて肺実質の微細構造の形態計測を行った.その結果,肺気腫モデルでは肺胞壁の消失が確認され,個々の肺胞が区別できなくなり含気区域が拡大していた.さらに動態解析を行ったところ,健常モデルマウスと比較して呼吸に伴う肺細葉の変形率が小さいことが分かった.肺音の発生および伝播解析では,昨年度までに行ってきた動物実験および気道音の伝播解析で得られた結果を統合することで,喘息の進行度合いとともに変化する呼吸音と気道壁の組織構造との変化を明らかにするとともに,その病態変化を聴診で捉える肺胞音の物理的メカニズムを明らかにした.この他,肺細葉の実形状モデルに基づいた肺循環モデルを構築し,肺細葉レベルのガス交換機能を評価した.

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (15 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Changes in lung sounds during asthma progression in a guinea pig model2016

    • Author(s)
      Chizu Habukawa, Katsumi Murakami, Kazuya Sugitani, Tomohiro Ohtani, Gabriel Pramudita Saputra, Katsuki Kashiyama, Yukio Nagasaka, Shigeo Wada
    • Journal Title

      Allergology International

      Volume: 65 Pages: in press

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Morphological characterization of acinar cluster in mouse lung using a multiscale-based segmentation algorithm on synchrotron micro-CT images2016

    • Author(s)
      Luosha Xiao, Toshihiro Sera, Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • Journal Title

      Anatomical Record

      Volume: 299 Pages: in press

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Line tension of the pore edge in phospholipid/cholesterol bilayer from stretch molecular dynamics simulation2016

    • Author(s)
      Taiki Shigematsu, Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • Journal Title

      Journal of Biomechanical Science and Engineering

      Volume: 15-00422 Pages: in press

    • DOI

      doi.org/10.1299/jbse.15-00422

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Mathematical model of a heterogeneous pulmonary acinus structure2015

    • Author(s)
      Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • Journal Title

      Computers in Biology and Medicine

      Volume: 62 Pages: 25-32

    • DOI

      10.1016/j.compbiomed.2015.03.032

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Effects of Stretching Speed on Mechanical Rupture of Phospholipid/Cholesterol Bilayers: Molecular Dynamics Simulation2015

    • Author(s)
      Taiki Shigematsu, Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 5 Pages: 15369

    • DOI

      10.1038/srep15369

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 肺サーファクタントによる動的な表面張力変化を考慮した肺胞の変形解析2016

    • Author(s)
      菊政一樹,三上太平,伊井仁志,越山顕一朗,和田成生
    • Organizer
      関西学生会平成27年度学生員卒業研究発表講演会
    • Place of Presentation
      大阪(大阪電気通信大学)
    • Year and Date
      2016-03-10 – 2016-03-10
  • [Presentation] 不均質構造を有するマウス肺細葉の数理モデルを用いた応力解析2016

    • Author(s)
      西本圭佑,三上太平,越山顕一朗,伊井仁志,和田成生
    • Organizer
      関西学生会平成27年度学生員卒業研究発表講演会
    • Place of Presentation
      大阪(大阪電気通信大学)
    • Year and Date
      2016-03-10 – 2016-03-10
  • [Presentation] 深さ展開モデルを用いた細胞牽引力の逆解析2016

    • Author(s)
      伊井仁志,坂元尚哉,和田成生
    • Organizer
      第28回バイオエンジニアリング講演会講演論文集
    • Place of Presentation
      東京(東京工業大学)
    • Year and Date
      2016-01-09 – 2016-01-10
  • [Presentation] 医学と生体力学をむすぶ データ同化シミュレーション2015

    • Author(s)
      和田成生
    • Organizer
      第38回日本分子生物学会年会
    • Place of Presentation
      神戸(神戸ポートピアホテル)
    • Year and Date
      2015-12-01 – 2015-12-04
  • [Presentation] Molecular Perspective of Water Permeability Changes in Phospholipid/Cholesterol Bilayer under Mechanical Stresses2015

    • Author(s)
      Taiki Shigematsu, Kenichiro Koshiyama, Ryotaro Kurumatani, Shigeo Wada
    • Organizer
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Place of Presentation
      Sapporo, Japan
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Micro-CT-based morphological measurement of mouse acinar cluster and the oxygen diffusion analysis2015

    • Author(s)
      Luosha Xiao, Toshihiro Sera, Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • Organizer
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Place of Presentation
      Sapporo, Japan
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-19
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Biomechanical simulation integrated with clinical measurements toward personalized medicine2015

    • Author(s)
      Shigeo Wada
    • Organizer
      第53回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      金沢(金沢大学)
    • Year and Date
      2015-09-13 – 2015-09-15
    • Invited
  • [Presentation] 個別化医療支援に向けたデータ同化生体力学シミュレーション2015

    • Author(s)
      和田成生
    • Organizer
      第11回REDEEMシンポジウム
    • Place of Presentation
      東京(東京堂ホール)
    • Year and Date
      2015-09-12 – 2015-09-12
    • Invited
  • [Presentation] Acoustic source detection of respiratory sound in silicone lung airway model using microphone array system. Summer Biomechanics2015

    • Author(s)
      Saputra Gabriel P, Nozaki K, Ii S, Habukawa C, Wada S
    • Organizer
      Summer Biomechanics, Bioengineering and Biotransport Conference
    • Place of Presentation
      Snowbird, Utah
    • Year and Date
      2015-06-17 – 2015-06-20
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 和田研究室 研究紹介

    • URL

      https://sites.google.com/site/biomechwadalab/yan-jiu-shao-jie

URL: 

Published: 2017-01-06  

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