2015 Fiscal Year Research-status Report
傾斜遠心力場における赤血球と内皮細胞との力学的相互作用の解明
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26560198
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
早瀬 敏幸 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30135313)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 細胞バイオメカニクス / 傾斜遠心顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、これまで未知であった毛細血管内を流動する赤血球と内皮細胞との力学的相互作用を解明することである。そのための研究の新しいアプローチとして、申請者が独自に開発した傾斜遠心顕微鏡内の赤血球と内皮細胞を対象とした数値解析を行う。単純化された力学条件下で毛細血管内の相互作用を模擬し、赤血球の変形と流動特性、内皮表面層の変形挙動と内皮細胞への力学的影響を明らかにする。解析の妥当性は、赤血球の摩擦特性を実験結果と比較することで検証する。毛細血管内の赤血球と内皮細胞との力学的相互作用の解明は、内皮細胞の損傷に起因する循環器系疾患の機序の解明や新しい治療法の開発に大きく貢献するものである。
平成27年度は、弾性赤血球モデルによる流体構造連成解析を行い、種々の傾斜遠心力条件下での、ガラス基板とMPC基板上の赤血球の変形特性、浮上特性、血漿層の形成、摩擦特性の関係を明らかにした。第一段階として、弾性赤血球モデルとして、2次元円筒形の自然形状の状態で血漿中に浮遊する初期状態から、傾斜遠心力の影響で基板に向かって移動し、血漿層を介しながら基板との干渉によって変形し、最終的に、サブミクロンの血漿層を伴う定常状態に至る過程を再現した。定常状態では、赤血球モデルの底面が平坦になる特徴が再現された。従来より議論があった、赤血球の移動に伴って細胞膜が回転する、タンクトレーディング現象が発生することを確認し、傾斜角度と回転速度の関係を明らかにした。
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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
弾性赤血球モデルによる流体構造連成解析を行い、種々の傾斜遠心力条件下での、ガラス基板とMPC基板上の赤血球の変形特性、浮上特性、血漿層の形成、摩擦特性の関係を明らかにした。第一段階として、弾性赤血球モデルとして、2次元円筒形の自然形状の状態で血漿中に浮遊する初期状態から、傾斜遠心力の影響で基板に向かって移動し、血漿層を介しながら基板との干渉によって変形し、最終的に、サブミクロンの血漿層を伴う定常状態に至る過程を再現した。定常状態では、赤血球モデルの底面が平坦になる特徴が再現された。従来より議論があった、赤血球の移動に伴って細胞膜が回転する、タンクトレーディング現象が発生することを確認し、傾斜角度と回転速度の関係を明らかにした。当初予定していた両凹形状の赤血球モデルについては解析を実施できなかったが、予備的な円筒形上の赤血球モデルについては解析を実施し、傾斜遠心力場での赤血球の振る舞いを定性的に明らかにすることができた。以上より、全体としてはおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度で未実施であった両凹形状の赤血球モデルに対する解析は、平成28年度の前半に実施する。第一段階として、弾性赤血球モデルとして、2次元両凹形の自然形状の状態で血漿中に浮遊する初期状態から、傾斜遠心力の影響で基板に向かって移動し、血漿層を介しながら基板との干渉によって変形し、最終的に、サブミクロンの血漿層を伴う定常状態に至る過程を再現した後、より実際に近い3次元赤血球モデルに対して数値解析を行う。後半には、より生体に近い条件である内皮細胞を培養したガラス基板上の弾性赤血球モデルによる流体構造連成解析を行う。内皮細胞には数μmの凹凸があるので、移動境界問題として取り扱う。また、内皮細胞表面のモデル化についても検討する。
培養内皮細胞上の赤血球の傾斜遠心顕微鏡による予備実験は行っているが、詳細な実験はなく、数値計算に対応する条件で新たに実験を行い、数値解析結果の妥当性を検証する。
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| Causes of Carryover |
平成27年度は、弾性赤血球モデルによる流体構造連成解析を行い、種々の傾斜遠心力条件下での、ガラス基板とMPC基板上の赤血球の変形特性、浮上特性、血漿層の形成、摩擦特性の関係を明らかにした。第一段階として、弾性赤血球モデルとして、2次元円筒形の自然形状の状態で血漿中に浮遊する初期状態から、傾斜遠心力の影響で基板に向かって移動し、血漿層を介しながら基板との干渉によって変形し、最終的に、サブミクロンの血漿層を伴う定常状態に至る過程を再現した。定常状態では、赤血球モデルの底面が平坦になる特徴が再現された。従来より議論があった、赤血球の移動に伴って細胞膜が回転する、タンクトレーディング現象が発生することを確認し、傾斜角度と回転速度の関係を明らかにした。当初予定していた両凹形状の赤血球モデルについては解析を実施しておらず、そのために予定していた研究経費により、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は、両凹形状の赤血球モデルを用いた数値解析を行うための研究経費であり、第一段階として、弾性赤血球モデルとして、2次元両凹形の自然形状の状態で血漿中に浮遊する初期状態から、傾斜遠心力の影響で基板に向かって移動し、血漿層を介しながら基板との干渉によって変形し、最終的に、サブミクロンの血漿層を伴う定常状態に至る過程を再現した後、より実際に近い3次元赤血球モデルに対して数値解析を行う。本経費は平成28年度前半に使用する予定である。また、当初計上していた28年度研究経費は予定通り使用する。
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