分子通信技術の国際標準化と医療応用

• 研究課題/領域番号: 17H00733
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 情報ネットワーク
• 研究機関: 大阪市立大学 (2020-2021); 大阪大学 (2017-2019, 2021)
• 研究代表者: 中野 賢 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (70571173)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 43,290千円 (直接経費: 33,300千円、間接経費: 9,990千円); 2021年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2020年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円); 2019年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2018年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2017年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
• キーワード: 分子通信 / 情報ネットワーク / ナノ医療 / 生命科学 / 構造形成 / がん細胞 / 情報通信工学 / ネットワーク / センサネットワーク / 通信方式 / ドラッグデリバリ

研究成果の概要

分子通信とは、生体内における通信形態を模倣した生化学反応に基づく情報通信パラダイムである。本研究では、分子通信を技術として確立することを長期目的として、分子通信方式の設計と評価、および、応用設計と概念実装を行った。具体的には、信号分子濃度が作る時間波形を利用した分子通信方式、送受信機が環境中を移動するモバイル分子通信、バイオナノマシンの集団が分子通信を介して協調的に動作し、標的となる腫瘍の検出や治療を行う協調型ドラッグデリバリシステム、がん細胞集団が相互作用を介して大規模な構造を形成する現象について研究を行った。本研究により分子通信の基盤となる技術やアプリケーションの研究開発が大きく進展した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果をまとめた論文は、情報通信分野で世界的に権威のある国際学術論文誌 (PIEEEなど)に採択されたり、大規模な国際会議（IEEE GLOBECOM 2020）において最優秀論文賞を受賞したりするなど、学術的に高い評価を得ている。さらに、がん細胞生物学と関連する研究の成果については、生物物理学分野で権威のある学術雑誌にも採択され、一般にも広く報道された。本研究の成果は新しい通信技術の開発につながるだけでなく、生物学や医学の進展にも貢献することが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] 同済大学/中国科技大学/重慶郵電大学(中国)
• [国際共同研究] エセックス大学(英国)
• [国際共同研究] 電子科技大学(中国)
• [国際共同研究] Waikato University(ニュージーランド)
• [国際共同研究] University of Massachusetts, Boston/University Net. Group(米国)
• [国際共同研究] University of Essex(英国)
• [国際共同研究] 電子科技大学(中国)
• [国際共同研究] Cambridge University/University of Essex(英国)
• [国際共同研究] University Net Group(米国)
• [雑誌論文] Bionanomachine Diagnostics and Nanonetwork Therapeutic in Brain Malignancies With Bionanodevice Interfaces (2022)
  • 著者名/発表者名: Andreani D. Odysseos and Tadashi Nakano
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON MOLECULAR, BIOLOGICAL, AND MULTI-SCALE COMMUNICATIONS 巻: 8 号: 1 ページ: 28-35
  • DOI: 10.1109/tmbmc.2021.3083725
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Roles of Remote and Contact Forces in Epithelial Cell Structure Formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakano Tadashi、Okaie Yutaka、Kinugasa Yasuha、Koujin Takako、Suda Tatsuya、Hiraoka Yasushi、Haraguchi Tokuko
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 118 号: 6 ページ: 1466-1478
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2020.01.037
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Random Cell Motion Enhances the Capacity of Cell-cell Communication (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano, L. Lin, Y. Okaie, C. Wu, H. Yan, T. Hara, and K. Harumoto
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multiscale Communications 巻: 5 号: 2 ページ: 158-162
  • DOI: 10.1109/tmbmc.2020.2983909
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Methods and Applications of Mobile Molecular Communication (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano, Y. Okaie, S. Kobayashi, T. Hara, Y. Hiraoka, and T. Haraguchi
  • 雑誌名: Proceedings of the IEEE 巻: 107 号: 7 ページ: 1442-1456
  • DOI: 10.1109/jproc.2019.2917625
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular communication: A personal perspective (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Suda and T. Nakano
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nanobioscience 巻: 17 号: 4 ページ: 424-432
  • DOI: 10.1109/tnb.2018.2851951
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Graph-based Modeling of Mobile Molecular Communication Systems (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Iwasaki and T. Nakano
  • 雑誌名: IEEE Communications Letters 巻: 22 号: 2 ページ: 376-379
  • DOI: 10.1109/lcomm.2017.2765628
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stochastic Channel Switching of Frequency-encoded Signals in Molecular Communication Networks (2018)
  • 著者名/発表者名: P. He, T. Nakano, P. Lio’, Y. Mao, Q. Liu and K. Yang
  • 雑誌名: IEEE Communications Letters 巻: 22 号: 2 ページ: 332-335
  • DOI: 10.1109/lcomm.2017.2768537
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular Communication Using Dynamic Properties of Oscillating and Propagating Patterns in Concentration of Information Molecules (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano and T. Suda
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Communications 巻: 65 ページ: 3386-3398
  • DOI: 10.1109/tcomm.2017.2700856
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Growing Bio-nanomachine Networks: Application to Malignant Tumor Evolution and Progression (2020)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Nakano, Yutaka Okaie, Nikolaos Dietis, Andreani D. Odysseos
  • 学会等名: IEEE Global Communications Conference (IEEE GLOBECOM 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Communication, Migration and Energy in Bio-nanomachine Functionality Differentiation (2020)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Nakano, Tatsuya Suda
  • 学会等名: IEEE Global Communications Conference (IEEE GLOBECOM 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Cooperative Signaling and Di- rected Migration of Bio-nanomachines in Mobile Molecular Communication (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ishiyama, T. Nakano, Y. Okaie, T. Hara, and K. Harumoto
  • 学会等名: 7th ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication (ACM NANOCOM 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Network Formation Model of Bio-nanomachines Based on Directed Migration and Adhesion (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Yonekura, T. Nakano, Y. Okaie, T. Hara, and K. Harumoto
  • 学会等名: EEE Wireless Communications and Networking Conference (IEEE WCNC 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Network Formation Model of Bio-nanomachines Based on Directed Migration and Adhesion (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Yonekura, T. Nakano, Y. Okaie, T. Hara, and K. Harumoto
  • 学会等名: IEEE Wireless Communications and Networking Conference (IEEE WCNC 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Calcium Signaling in Mobile Molecular Communication Networks (2019)
  • 著者名/発表者名: P. He, T. Nakano, D. Wu, B. Yang, H. Liu, and X. Han
  • 学会等名: IEEE Global Communications Conference (IEEE GLOBECOM 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Data-driven Simulation of Epidemic Information Dissemination in Mobile Molecular Communication (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Ishiyama, T. Nakano, Y. Okaie, T. Hara and K. Harumoto
  • 学会等名: ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication (ACM NanoCom 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling the Stochastic Behavior of Kinesin-Coated Beads (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Suda and T. Nakano
  • 学会等名: IEEE International Conference on Communications (IEEE ICC 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Chemotaxis-based Multi-hop Molecular Nanonetworks for Target Detection (2019)
  • 著者名/発表者名: L. Yang, X. Ge, Q. Liu, K. Yang, Y. Chen and T. Nakano
  • 学会等名: IEEE/CIC ICCC 2019 Workshop on Molecular, Biological, and Multiscale Communications
  • 国際学会
• [学会発表] 分子通信と形態形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中野 賢
  • 学会等名: 電子報通信学会 情報ネットワーク科学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Epidemic Information Dissemination in Mobile Molecular Communication Systems (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Ishiyama, T. Nakano, Y. Okaie, and T. Hara
  • 学会等名: IEEE Global Communications Conference (IEEE Globecom 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Bio-inspired Design and Implementation of Mobile Molecular Communication Systems at the Macroscale (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Zhai, L. Yang, T. Nakano, Q. Liu and K. Yang
  • 学会等名: EEE Global Communications Conference (IEEE Globecom 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling and Simulations of Bio-nanomachines for Spatiotemporal Pattern Formation (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano and T. Suda
  • 学会等名: 5th ACM/IEEE International Conference on Nanoscale Computing and Communication (ACM/IEEE NanoCom 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Pattern Formation by Mobile Molecular Communication Systems (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano
  • 学会等名: International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC 2018), Special session on Nano Communication Networks
  • 国際学会
• [学会発表] Impacts of SW-ARQ on the Latency and Reliability of Diffusive, In-sequence Molecular Communication (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Furuhashi, J. Mitzman, J. Suzuki, T. Nakano, Y. Okaie, and H. Fukuda
  • 学会等名: 2018 International Workshop on Molecular, Biological and Multiscale Communications
  • 国際学会
• [学会発表] Communication-inspired Model of Epidemic Spreading and Mitigation (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Chen, Y. Zhou, R. Murch, and T. Nakano
  • 学会等名: 2018 International Workshop on Molecular, Biological and Multiscale Communications
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular Communication as a Biological System (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Suda and T. Nakano
  • 学会等名: 2018 International Workshop on Molecular, Biological and Multiscale Communications
  • 国際学会
• [学会発表] Decoding Dynamic Signals in Molecular Communication (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano
  • 学会等名: 2017 IEEE Information Theory Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular Communication Networks: Applications to Targeted Drug Delivery (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano
  • 学会等名: The 15th Canadian Workshop on Information Theory
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mobile Molecular Communication Networks for Targeted Drug Delivery (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Nakano
  • 学会等名: The 2nd Workshop on Molecular Communications
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 大阪大学データビリティフロンティア機構 分子通信工学研究室
  • URL: http://www.fbs.osaka-u.ac.jp/labs/tadashi_nakano/index.html
• [備考] がん細胞が血管網に似た構造を造る仕組みを解明
  • URL: http://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200312_1