力学体系に基づいた間質液流れによる脳内老廃物除去機構の解明
| Project/Area Number |
20H04504
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology (2023)
Osaka University (2020-2022) |
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Principal Investigator |
武石 直樹 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (30787669)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横山 直人 東京電機大学, 工学部, 教授 (80512730)
田中 壽 大阪大学, 医学系研究科, 教授 (40294087)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | 脈波 / 脳脊髄液 / 脳動脈 / 赤血球 / 微小循環 / 流体力学 / 計算バイオメカニクス / 脳間質液 / 物質輸送 / 脳動脈網 / 血管周囲腔 / 代謝 / 脳内老廃物 |
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| Outline of Research at the Start |
脳内老廃物の除去機構の一つとして、脳間質液の重要性が指摘されてきたが、その詳細な動態は未だ明らかにされていない。組織スケールでのタンパク質の輸送と沈着のダイナミクスの理解は、アルツハイマー病をはじめとする脳疾患の進行機序を説明する上で必要不可欠であるにも関わらず、分子－組織間の階層を繋ぐ解析手法は確立されていない。本研究では、実験データに基づき、分子スケールのタンパク質の凝集と組織スケールにおける間質液流れの階層を繋ぐ計算力学モデルを構築し、脳間質液流れによる脳内老廃物の排除機構が成立する力学的平衡状態やその破綻機序を解明する。この知見に基づき、脳疾患の進行機序を説明する力学的概念を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳間質液流れによる脳内老廃物除去機構に支持する力学の解明と，脳疾患の進行機序を説明する力学的概念の構築を目的に，実験計測に基づく数理モデルと数値シミュレーション研究を行った．はじめに，脳内の実質的なリンパ管に対応するとされる血管周囲腔に着目し，血管の脈動に伴う周囲腔内部の脳脊髄液(CSF)流れを数理モデル化および数値シミュレーションした．これにより，血管壁の振動に伴う振動流が形成されるが，実験計測と同じオーダーの正味の流速が生じることを示した．また，この正味の流速は，血管壁の振幅や血管周囲腔の領域幅に対し，流体力学の潤滑理論に基づきスケールされることも示した．次に，全脳スケールでの脈波動態に着目した解析を行った．具体的には，ヒト脳動脈網の血管分岐世代毎の脈波伝ぱ動態を明らかにすることを目的に，MRI画像に基づき10例の被験者個別脳動脈モデルを構築し，1次元血流解析を行った．これらの結果に基づき，血管周囲空のCSF流れが確認できる約数十マイクロメートルスケールの脳動脈血管の脈波伝ぱ動態を推測する経験式を提案した．最後に，細胞スケールの血流動態に着目した解析を行った．血管の脈動に伴う時間非定常な局所血流場を，振動せん断流れ場としてモデル化し，大規模レオロジー解析を行った．これにより，赤血球懸濁液としての血液の動的粘弾性特性を数値シミュレーションによって定量した．この知見は，微小循環内血流場を予測する新たな構成則の構築に有効である．さらに，これら血球流動の力学モデルに，酸素輸送および周囲組織での代謝に関する生化学反応をボトムアップ的にモデル化することで，力学-生化学連成血流解析を達成した．これらの知見は，血流動態に関する新たな力学解析基盤であると共に，脳代謝動態に関する力学情報の可視化および実験計測戦略における指針を示すものである．
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(4 results)
Research Products
(50 results)
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[Book] 医用工学ハンドブック2022
Author(s)
佐久間 一郎、秋吉 一成、津本 浩平
Total Pages
544
Publisher
エヌ・ティー・エス
ISBN
9784860437350
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