細胞と音波のインタラクションの可視化とメカニズムの解明

• Project/Area Number: 14J09091
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中川 桂一 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 衝撃波医療 / 超高速イメージング / メカノバイオロジー / 高速度撮影 / 医療・福祉 / 低侵襲治療 / 超短パルス光 / イメージング / 波形整形

Outline of Annual Research Achievements

本年度は超高速イメージング技術「Sequentially timed All-optical Mapping Photography (STAMP)」の改良，培養細胞を用いた衝撃波作用の調査，ガラスの表面弾性波の非線形現象の計測，そして脂質二重膜と衝撃波のインタラクションに関する研究を行った．
STAMPではスナップショット型のスペクトラルイメージングを必要とするが，2014年に発表した原理実証システムでは撮影枚数の向上に制限のある構成となっていた．そこで，スライスミラーという特殊な光学素子を用いた新しいスペクトラルイメージング法を開発した．本手法では枚数の向上だけでなく，装置の小型化にもつながり，本技術の普及にも寄与することが期待される．
一方で，培養細胞を用いた実験にて，衝撃波による神経突起伸長への影響を調べた．神経細胞にはPC12を用い，衝撃波を7日間負荷し続けた群と何も負荷していない群にて比較を行い，衝撃波を負荷した群において神経突起伸長の促進がみられた．ただ，どのようなメカニズムでこの現象が起こっているのか，どのような条件下でも生じるのかなど，まだ詳細な調査を必要とする．
米国MITにおいては，ガラス表面を伝播する表面弾性波の可視化と，脂質二重膜への衝撃波の影響を調べるための新しい手法の開発および観察を行った．表面弾性波は干渉計測により数ナノメートルの分解能にて変位を計測し，またフレーミングカメラとファブリペロー系を用いることで3ナノ秒のフレームインターバルで数ピコ秒の露光時間を実現した．また，リポソームに表面弾性波，または水中衝撃波を作用させ，その影響を動的観察する蛍光イメージング法を開発した．開発した手法により，リポソームが衝撃で大きくひずむ様子が観察された．今後は現地の学生と協力し，研究を進めていく予定である．

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] MIT(米国)
• [Journal Article] Spectrum slicer for snapshot spectral imaging (2015)
  • Author(s): M. Tamamitsu, Y. Kitagawa, K. Nakagawa, R. Horisaki, Y. Oishi, S. Morita, Y. Yamagata, K. Motohara and K. Goda
  • Journal Title: Optical Engineering Volume: 54 Issue: 12 Pages: 123115-123115
  • DOI: 10.1117/1.oe.54.12.123115
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP) utilizing spectral filtering (2015)
  • Author(s): T. Suzuki, F. Isa, L. Fujii, K. Hirosawa, K. Nakagawa, K. Goda, I. Sakuma and F. Kannari
  • Journal Title: Optics Express Volume: 23 Issue: 23 Pages: 30512-30522
  • DOI: 10.1364/oe.23.030512
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Cavitation Bubble Observation System and Application to Study Expansion Waves and Shock Waves (2015)
  • Author(s): R. Tachikawa, A. Tsukamoto, Y. Monden, K. Nakagawa, T. Ando, E. Kobayashi, T. Ushida and I. Sakuma
  • Journal Title: Advanced Biomedical Engineering Volume: 4 Issue: 0 Pages: 96-104
  • DOI: 10.14326/abe.4.96
  • NAID: 130005075305
  • ISSN: 2187-5219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sequentially timed all-optical mapping photography によるピコ秒・フェムト秒ダイナミクスの動画像撮影 (2015)
  • Author(s): 中川桂一，合田圭介
  • Journal Title: レーザ加工学会誌 Volume: 22 Pages: 66-68
  • NAID: 40020660464
• [Journal Article] Mechanism for microtsunami-induced intercellular mechanosignalling (2015)
  • Author(s): H. He, K. Nakagawa, Y. Wang, Y. Hosokawa and K. Goda
  • Journal Title: Nature Photonics Volume: 9 Issue: 10 Pages: 623-623
  • DOI: 10.1038/nphoton.2015.164
• [Journal Article] 1兆分の1秒以下の世界を捉える連写撮影法 (2015)
  • Author(s): 中川桂一，合田圭介
  • Journal Title: 画像ラボ Volume: 26 Pages: 13-19
• [Journal Article] 超高速光学撮像法が拓くフロンティア (2015)
  • Author(s): 中川桂一，合田圭介
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 84 Pages: 409-414
• [Journal Article] 超高速かつ非反復的な現象を捉えるSTAMP (Sequentially Timed All-optical Mapping Photography) (2015)
  • Author(s): 中川桂一
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 43 Pages: 198-202
  • NAID: 130007957097
• [Journal Article] Localizing fluorophore (centroid) inside a scattering medium by depth perturbation (2015)
  • Author(s): T. Zhou, T. Ando, K. Nakagawa, H. Liao, E. Kobayashi and I. Sakuma
  • Journal Title: Journal of Biomedical Optics Volume: 20 Issue: 1 Pages: 017003-017003
  • DOI: 10.1117/1.jbo.20.1.017003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design for sequentially timed all-optical mapping photography with optimum temporal performance (2015)
  • Author(s): M. Tamamitsu, K. Nakagawa, R. Horisaki, A. Iwasaki, Y. Oishi, A. Tsukamoto, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 40 Issue: 4 Pages: 633-636
  • DOI: 10.1364/ol.40.000633
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 超高速イメージング「STAMP」：１兆分の１秒の世界へ (2015)
  • Author(s): 中川桂一，佐久間一郎
  • Journal Title: 自動車技術 Volume: 69 Pages: 92-93
• [Journal Article] Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP) (2014)
  • Author(s): K. Nakagawa, A. Iwasaki, Y. Oishi, R. Horisaki, A. Tsukamoto, A. Nakamura, K. Hirosawa, H. Liao, T. Ushida, K. Goda, F. Kannari and I. Sakuma
  • Journal Title: Nature Photonics Volume: 8 Issue: 9 Pages: 695-700
  • DOI: 10.1038/nphoton.2014.163
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Motion Picture Femtophotography (2014)
  • Author(s): K. Nakagawa, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • Journal Title: OPTICS & PHOTONICS NEWS Volume: December Pages: 59-59
  • Open Access
• [Journal Article] High-speed multispectral videography with a periscope array in a spectral shaper (2014)
  • Author(s): K. Hashimoto, H. Mizuno, K. Nakagawa, R. Horisaki, S. Iwasaki, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 39 Issue: 24 Pages: 6942-6945
  • DOI: 10.1364/ol.39.006942
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 1兆分の1秒以下の世界を捉える連写カメラ (2014)
  • Author(s): 中川桂一，合田圭介
  • Journal Title: セラミックス Volume: 49 Pages: 12-12
• [Presentation] STAMPによるフェムト秒動画撮影 (2015)
  • Author(s): 中川桂一
  • Organizer: 第17回レーザーディスプレイ技術研究会
  • Place of Presentation: 東京，東京大学
  • Year and Date: 2015-07-15
  • Invited
• [Presentation] Sequentially Timed All-optical Mapping Photography for Observation of Ultrafast Phenomena (2015)
  • Author(s): K. Nakagawa
  • Organizer: The 20th OptoElectronics and Communications Conference
  • Place of Presentation: Shanghai, China
  • Year and Date: 2015-06-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] サブナノ秒シングルショット撮影法によるレーザーアブレーションの観察 (2015)
  • Author(s): 中川桂一
  • Organizer: 第83回レーザ加工学会講演会
  • Place of Presentation: 大阪，大阪大学
  • Year and Date: 2015-06-12
  • Invited
• [Presentation] Neurite outgrowth induced by shock waves (2015)
  • Author(s): Y. Kihwan, A. Tsukamoto, A. Furuichi, K. Nakagawa, T. Ando, E. Kobayashi, T. Ushida, I. Sakuma
  • Organizer: World Congress on Medical Physics & Biomedical Engineering
  • Place of Presentation: Toronto, Canada
  • Year and Date: 2015-06-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 時空間分散による超高速撮影 (2015)
  • Author(s): 中川桂一
  • Organizer: 2015年度レーザ・量子エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 石川，金沢能楽美術館
  • Year and Date: 2015-05-22
  • Invited
• [Presentation] Motion Picture Femtophotography with Sequentially Timed All-optical Mapping Photography (2015)
  • Author(s): K. Nakagawa, A. Iwasaki, Y. Oishi, R. Horisaki, A. Tsukamoto, A. Nakamura, K. Hirosawa, H. Liao, T. Ushida, K. Goda, F. Kannari and I. Sakuma
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics 2015
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2015-05-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sequentially timed all-optical mapping photography for sub-nanosecond single-shot imaging (2015)
  • Author(s): K. Nakagawa
  • Organizer: Asian International Symposium, The 95th CSJ (The Chemical Society of Japan) Annual Meeting
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
  • Invited
• [Presentation] 超高速かつ非反復的な現象を捉えるSTAMP (2015)
  • Author(s): 中川桂一
  • Organizer: 第26回先端光量子科学アライアンスシンポジウム
  • Place of Presentation: 神奈川，慶應義塾大学
  • Year and Date: 2015-03-19
  • Invited
• [Presentation] STAMP法によるサブナノ秒シングルショット撮影 (2015)
  • Author(s): 中川桂一，岩崎純史，大石裕，堀崎遼一，塚本哲，中村葵，廣澤賢一，廖洪恩，牛田多加志，合田圭介，神成文彦，佐久間一郎
  • Organizer: 平成26年度衝撃波シンポジウム
  • Place of Presentation: 群馬，伊香保
  • Year and Date: 2015-03-09 – 2015-03-11
• [Presentation] 光学変換による超高速撮影－１兆分の１秒の世界へ－ (2014)
  • Author(s): 中川桂一
  • Organizer: 第134回微小光学会研究会
  • Place of Presentation: 東京，東京工業大学
  • Year and Date: 2014-12-05
  • Invited
• [Presentation] １兆分の１秒を捉える時空間写像イメージング (2014)
  • Author(s): 中川桂一
  • Organizer: 第158回次世代画像入力ビジョンシステム部会定例会
  • Place of Presentation: 東京，東京理科大学
  • Year and Date: 2014-11-17
  • Invited
• [Presentation] 時空間分散を用いた超高速シングルショットイメージング (2014)
  • Author(s): 中川桂一，岩崎純史，大石裕，堀崎遼一，塚本哲，中村葵，廣澤賢一，廖洪恩，牛田多加志，合田圭介，神成文彦，佐久間一郎
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会2014
  • Place of Presentation: 東京，筑波大学
  • Year and Date: 2014-11-05 – 2014-11-07
  • Invited
• [Book] ブレインサイエンス・レビュー2015 (2015)
  • Author(s): 中川桂一，小林博文，于原駿，脇坂佳史，野沢泰佑，合田圭介
  • Total Pages: 17
  • Publisher: ブレインサイエンス振興財団
• [Remarks] https://sites.google.com/site/keinakagawa6/
• [Remarks] 中川 桂一 （NAKAGAWA Keiichi）
  • URL: https://sites.google.com/site/keinakagawa6/
• [Remarks] 世界最高速の連写カメラ ～ 1兆分の1秒以下の超高速で複雑な動的現象の可視化を実現 ～
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/1364/
• [Remarks] World’s fastest burst-mode camera
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/en/utokyo-research/research-news/worlds-fastest-burst-mode-camera/
• [Remarks] 1兆分の1秒以下の世界をとらえる超高速カメラ
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/story/newsletter/46/4.html