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

• 研究課題/領域番号: 14J09091
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生体医工学・生体材料学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 中川 桂一 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 採択後辞退 (2016年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2016年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2014年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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．

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] MIT(米国)
• [雑誌論文] Spectrum slicer for snapshot spectral imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Tamamitsu, Y. Kitagawa, K. Nakagawa, R. Horisaki, Y. Oishi, S. Morita, Y. Yamagata, K. Motohara and K. Goda
  • 雑誌名: Optical Engineering 巻: 54 号: 12 ページ: 123115-123115
  • DOI: 10.1117/1.oe.54.12.123115
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP) utilizing spectral filtering (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Suzuki, F. Isa, L. Fujii, K. Hirosawa, K. Nakagawa, K. Goda, I. Sakuma and F. Kannari
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 23 号: 23 ページ: 30512-30522
  • DOI: 10.1364/oe.23.030512
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a Cavitation Bubble Observation System and Application to Study Expansion Waves and Shock Waves (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Tachikawa, A. Tsukamoto, Y. Monden, K. Nakagawa, T. Ando, E. Kobayashi, T. Ushida and I. Sakuma
  • 雑誌名: Advanced Biomedical Engineering 巻: 4 号: 0 ページ: 96-104
  • DOI: 10.14326/abe.4.96
  • NAID: 130005075305
  • ISSN: 2187-5219
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，合田圭介
  • 雑誌名: レーザ加工学会誌 巻: 22 ページ: 66-68
  • NAID: 40020660464
• [雑誌論文] Mechanism for microtsunami-induced intercellular mechanosignalling (2015)
  • 著者名/発表者名: H. He, K. Nakagawa, Y. Wang, Y. Hosokawa and K. Goda
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 9 号: 10 ページ: 623-623
  • DOI: 10.1038/nphoton.2015.164
• [雑誌論文] 1兆分の1秒以下の世界を捉える連写撮影法 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，合田圭介
  • 雑誌名: 画像ラボ 巻: 26 ページ: 13-19
• [雑誌論文] 超高速光学撮像法が拓くフロンティア (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，合田圭介
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 84 ページ: 409-414
• [雑誌論文] 超高速かつ非反復的な現象を捉えるSTAMP (Sequentially Timed All-optical Mapping Photography) (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 43 ページ: 198-202
  • NAID: 130007957097
• [雑誌論文] Localizing fluorophore (centroid) inside a scattering medium by depth perturbation (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Zhou, T. Ando, K. Nakagawa, H. Liao, E. Kobayashi and I. Sakuma
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Optics 巻: 20 号: 1 ページ: 017003-017003
  • DOI: 10.1117/1.jbo.20.1.017003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design for sequentially timed all-optical mapping photography with optimum temporal performance (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Tamamitsu, K. Nakagawa, R. Horisaki, A. Iwasaki, Y. Oishi, A. Tsukamoto, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 40 号: 4 ページ: 633-636
  • DOI: 10.1364/ol.40.000633
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 超高速イメージング「STAMP」：１兆分の１秒の世界へ (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，佐久間一郎
  • 雑誌名: 自動車技術 巻: 69 ページ: 92-93
• [雑誌論文] Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP) (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 8 号: 9 ページ: 695-700
  • DOI: 10.1038/nphoton.2014.163
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Motion Picture Femtophotography (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nakagawa, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • 雑誌名: OPTICS & PHOTONICS NEWS 巻: December ページ: 59-59
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] High-speed multispectral videography with a periscope array in a spectral shaper (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Hashimoto, H. Mizuno, K. Nakagawa, R. Horisaki, S. Iwasaki, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 39 号: 24 ページ: 6942-6945
  • DOI: 10.1364/ol.39.006942
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 1兆分の1秒以下の世界を捉える連写カメラ (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，合田圭介
  • 雑誌名: セラミックス 巻: 49 ページ: 12-12
• [学会発表] STAMPによるフェムト秒動画撮影 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 第17回レーザーディスプレイ技術研究会
  • 発表場所: 東京，東京大学
  • 年月日: 2015-07-15
  • 招待講演
• [学会発表] Sequentially Timed All-optical Mapping Photography for Observation of Ultrafast Phenomena (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nakagawa
  • 学会等名: The 20th OptoElectronics and Communications Conference
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2015-06-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 第83回レーザ加工学会講演会
  • 発表場所: 大阪，大阪大学
  • 年月日: 2015-06-12
  • 招待講演
• [学会発表] Neurite outgrowth induced by shock waves (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Kihwan, A. Tsukamoto, A. Furuichi, K. Nakagawa, T. Ando, E. Kobayashi, T. Ushida, I. Sakuma
  • 学会等名: World Congress on Medical Physics & Biomedical Engineering
  • 発表場所: Toronto, Canada
  • 年月日: 2015-06-07
  • 国際学会
• [学会発表] 時空間分散による超高速撮影 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 2015年度レーザ・量子エレクトロニクス研究会
  • 発表場所: 石川，金沢能楽美術館
  • 年月日: 2015-05-22
  • 招待講演
• [学会発表] Motion Picture Femtophotography with Sequentially Timed All-optical Mapping Photography (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics 2015
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 2015-05-10
  • 国際学会
• [学会発表] Sequentially timed all-optical mapping photography for sub-nanosecond single-shot imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nakagawa
  • 学会等名: Asian International Symposium, The 95th CSJ (The Chemical Society of Japan) Annual Meeting
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 2015-03-26 – 2015-03-29
  • 招待講演
• [学会発表] 超高速かつ非反復的な現象を捉えるSTAMP (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 第26回先端光量子科学アライアンスシンポジウム
  • 発表場所: 神奈川，慶應義塾大学
  • 年月日: 2015-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] STAMP法によるサブナノ秒シングルショット撮影 (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 平成26年度衝撃波シンポジウム
  • 発表場所: 群馬，伊香保
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-11
• [学会発表] 光学変換による超高速撮影－１兆分の１秒の世界へ－ (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 第134回微小光学会研究会
  • 発表場所: 東京，東京工業大学
  • 年月日: 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] １兆分の１秒を捉える時空間写像イメージング (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 第158回次世代画像入力ビジョンシステム部会定例会
  • 発表場所: 東京，東京理科大学
  • 年月日: 2014-11-17
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本光学会年次学術講演会2014
  • 発表場所: 東京，筑波大学
  • 年月日: 2014-11-05 – 2014-11-07
  • 招待講演
• [図書] ブレインサイエンス・レビュー2015 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，小林博文，于原駿，脇坂佳史，野沢泰佑，合田圭介
  • 総ページ数: 17
  • 出版者: ブレインサイエンス振興財団
• [備考] https://sites.google.com/site/keinakagawa6/
• [備考] 中川 桂一 （NAKAGAWA Keiichi）
  • URL: https://sites.google.com/site/keinakagawa6/
• [備考] 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/
• [備考] World’s fastest burst-mode camera
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/en/utokyo-research/research-news/worlds-fastest-burst-mode-camera/
• [備考] 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