過飽和酸素水を用いた新規完全液体換気システムの確立：急性肺障害の治療に向けて

• Project/Area Number: 22K18189
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2023); Waseda University (2022)
• Principal Investigator: 垣内 健太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 産総研特別研究員 (30875422)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 完全液体換気 / 肺洗浄治療 / 酸素運搬体 / 溶存酸素 / 肺疾患 / 肺洗浄 / ARDS / 酸素運搬システム / 過飽和酸素水 / 急性肺障害

Outline of Research at the Start

完全液体換気（TLV）はガスの代わりに液体を用いる人工呼吸法であり、致死率が高い急性肺障害の治療法として確立が期待されている。しかし、これまで使用されてきた液体材料は価格・環境問題・代謝性に課題があり、新しい液体材料を用いたTLVシステムの確立が必要である。申請者は、医療現場で汎用されている生理食塩水（PBS）に着目し、加圧条件下で酸素富化したPBSを肺まで運搬するTLVシステムを考案した。本研究では、in vitro試験にてシステムの操作条件を精査し、in vivo試験にて呼吸の維持を実証することで革新的なTLVシステムの確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

重度呼吸不全の新しい治療法として完全液体換気技術（肺洗浄治療法）の確立を目指している．完全液体換気は約55年間，人工有機液体を用いて研究をされてきたが，コストおよび環境問題の観点から代替液を用いたシステムが切望されている．私は，加圧条件下で酸素富化させたリン酸緩衝生理食塩水（過飽和酸素水）を用いた新しい完全液体換気システムの構築に挑戦している．これまでに，システム内の圧力損失を低減させることで，過飽和酸素水を効率よく調製部から肺へ運搬できる完全液体換気システムを構築した．モデル肺を用いたin vitro 試験にてラットの酸素消費量と同程度の酸素をモデル肺に運搬できることを確認したが，in vivo試験では気泡の１部が肺内部で蓄積・合一化することで換気障害を引き起こすことがわかった．換気が安定していれば，pO2>50 mmHg以上の酸素供給を実現できるが，液体材料のさらなる改良が必要となった．一方，並行して実施していた新規高酸素含有水の開発実験では，ある液体材料，水，酸素を混ぜることによって液中の酸素含量が>120 mg/L（目標値）以上に増加できることを確認した．本材料は，過飽和酸素水よりも完全液体換気を実現できる可能性が高い材料と考えられたため，計画の１部を変更し研究を発展させることにした．現在，新規液体材料が完全液体換気を実施するために必要な物性を有しているかを，調製条件および酸素含有量の関係から評価している．

Research Products

• [Journal Article] Enhancing Multiphase Reactions by Boosting Local Gas Concentration with Ultrafine Bubbles (2023)
  • Author(s): Kozuka Tomoki、Iio Takuya、Suzuki Soma、Kakiuchi Kenta、Tadano Genta、Sato Kohei、Narumi Tetsuo、Mase Nobuyuki
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 96 Issue: 8 Pages: 752-758
  • DOI: 10.1246/bcsj.20230110
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Do Ultrafine Bubbles Work as Oxygen Carriers? (2023)
  • Author(s): Kakiuchi Kenta、Kozuka Tomoki、Mase Nobuyuki、Miyasaka Takehiro、Harii Norikazu、Takeoka Shinji
  • Journal Title: Langmuir Volume: 39 Issue: 4 Pages: 1354-1363
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c01209
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 酸素ファインバブルは酸素運搬体として機能するのか？ (2023)
  • Author(s): 垣内健太、小塚智貴、間瀬暢之、宮坂武寛、針井則一、武岡真司
  • Organizer: 化学工学会第88年会
• [Presentation] 酸酸ファインバブル分散水中の酸素含量測定方法の確立および酸素運搬体としての物性評価 (2023)
  • Author(s): 垣内健太、小塚智貴、間瀬暢之、宮坂武寛、針井則一、武岡真司
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] 酸素ファインバブル分散液を用いた完全液体換気技術の開発と肺洗浄治療効果 (2022)
  • Author(s): 垣内健太，針井則一、宮坂武寛、松田兼一、武岡真司
  • Organizer: 医工学治療学会第38回学術大会
• [Presentation] 酸素ファインバブルの酸素運搬体としての物性評価 (2022)
  • Author(s): 垣内健太、小塚智貴、間瀬暢之、宮坂武寛、針井則一、武岡真司
  • Organizer: 第29回日本血液代替物学会年次大会