血管網リモデリングから学ぶ熱流体システム形状最適化

• 研究課題/領域番号: 17H03170
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 流体工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長谷川 洋介 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (30396783)
• 研究分担者: 松永 行子 (津田行子) 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (00533663)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2019年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2017年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 毛細血管網 / 流路ネットワーク最適化 / プルーニング / ネットワーク最適化 / 流体工学 / 熱工学 / 流体力学

研究成果の概要

マウス網膜の毛細血管網の形成過程に着目し、血管内皮細胞とその足場となるコラーゲンType4の蛍光画像から、プルーニング前後の毛細血管網構造を抽出する技術を確立した。これにより、ある時刻の毛細血管網の構造のみならず、その数時間前の構造を抽出し、プルーニング前後における血流分布の違いを解析することを可能とした。また、プルーニング前後の血流解析を通じて、プルーニングと血行力学因子の関係を調査した。その結果、血流の入口の動脈に違い部分と、抹消部において、プルーニングと局所のせん断応力の間に異なる関係性があることを見出した。この知見に基づき、流路ネットワークの新しい設計指針を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

一般に、悪性腫瘍の周辺の血管網は、正常な組織のそれと比べて、より密な構造となることが知られている。本研究の結果は、このような血管の異常化を伴う患部近傍における流れは、血流分布に大きな影響を受けるとともに、血流に伴う薬剤等の輸送に対しても影響を与えることを示唆するものであり、これまでの医療指針に見直しを迫るものである。また、本研究で構築されたプルーニングモデルは、様々な熱流体機器における流路ネットワークの最適化において新しい設計指針を与えるものである。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] ブラウン大学/ジョンズ・ホプキンス大学(米国)
• [国際共同研究] ブラウン大学(米国)
• [国際共同研究] マックス・プランク研究所/カールスルーエ大学(ドイツ)
• [国際共同研究] ミラノ工科大学/カーディフ大学(イタリア)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所/カースルルーエ工科大学(ドイツ)
• [国際共同研究] ミラノ工科大学(イタリア)
• [雑誌論文] 大スケール最適制御入力によるチャネル乱流の抵抗低減 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊藤宗嵩、長谷川洋介
  • 雑誌名: 生産研究 巻: 72 号: 1 ページ: 9-13
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.72.9
  • NAID: 130007792593
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • 年月日: 2020-01-01
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 時系列壁面計測情報に基づくチャンネル乱流場の状態推定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 劉竺辰、長谷川洋介
  • 雑誌名: 生産研究 巻: 72 号: 1 ページ: 5-8
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.72.5
  • NAID: 130007792528
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • 年月日: 2020-01-01
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 壁乱流における乱流熱・運動量輸送の非相似性に関する収支解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaithakkal, A. J., Kametani, Y., Hsegawa, Y.
  • 雑誌名: 生産研究 巻: 72 号: 1 ページ: 15-18
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.72.15
  • NAID: 130007792510
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • 年月日: 2020-01-01
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Dissimilarity between turbulent heat and momentum transfer induced by a streamwise travelling wave of wall blowing and suction (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaithakkal, A. J., Kametani, Y., Hsegawa, Y.
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 886
  • DOI: 10.1017/jfm.2019.1045
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 微小血管モデルを利用したがん微小環境の模倣と遺伝子機能探索への展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: 薄葉亮, 松永行子
  • 雑誌名: 生産研究 巻: 71 号: 4 ページ: 775-781
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.71.775
  • NAID: 130007685282
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • 年月日: 2019-07-01
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial reconstruction of steady scalar sources from remote measurements in turbulent flow (2019)
  • 著者名/発表者名: Wang, Q., Hasegawa, Y., Zaki, T.
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 870 ページ: 316-352
  • DOI: 10.1017/jfm.2019.241
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 毛細血管網の分岐形態が微小循環の輸送特性に与える影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 亀谷 幸憲，MIRZAPOURSHAFIYI Fatemeh，中山 雅敬，長谷川洋介
  • 雑誌名: 日本流体力学会誌「ながれ」」 巻: 38 ページ: 411-414
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transcriptomic Analysis of Breast Cancer Stem Cells and Development of a pALDH1A1:mNeptune Reporter System for Live Tracking (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Bidan, J. Bailleul-Dubois, J. Duval, M. Winter, M. Denoulet, K. Hannebicque, IY El-Sayed, C. Ginestier, V. Forissier, Y.T. Matsunaga, S. Meignan, F. Anquez, S. Julien, A. Bonnefond, M. Derhourhi, X.L., Bourhis, C. Lagadec
  • 雑誌名: Proteomics 巻: 19 号: 21-22 ページ: 21-22
  • DOI: 10.1002/pmic.201800454
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 前臨床試験へむけた抗血管新生治療薬評価のための三次元微小血管モデル 3D microvessel model for evaluating anti-angiogenic drugs towards preclinical study (2019)
  • 著者名/発表者名: 松永行子
  • 雑誌名: リンパ学会機関誌 巻: 42 ページ: 28-31
• [雑誌論文] 三次元人工微小血管モデルによる血管内皮細胞のフェノタイプ解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島忠章, 松永行子
  • 雑誌名: 日本血栓止血学会誌 巻: 30 号: 3 ページ: 512-520
  • DOI: 10.2491/jjsth.30.512
  • NAID: 130007663073
  • ISSN: 0915-7441, 1880-8808
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Global energy fluxes in fully-developed turbulent channels with flow control (2018)
  • 著者名/発表者名: Davide Gatti, Andrea Cimarelli, Yosuke Hasegawa, Bettina Frohnapfel, Maurizio Quadrio
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 857 ページ: 345-373
  • DOI: 10.1017/jfm.2018.749
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical and experimental analyses of three-dimensional unsteady flow around a micro-pillar subjected to rotational vibration (2018)
  • 著者名/発表者名: Kanji Kaneko, Takayuki Osawa, Yukinori Kametani, Ken Hayakawa, Yosuke Hasegawa, Hiroaki Suzuki
  • 雑誌名: Micromachine 巻: 9 号: 12 ページ: 668-668
  • DOI: 10.3390/mi9120668
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Predicting turbulent spectra in drag-reduced flows (2018)
  • 著者名/発表者名: Davide Gatti, Alexander Stroh, Bettina Frohnapfel, Yosuke Hasegawa
  • 雑誌名: Flow Turbulence and Combustion 巻: 100 号: 4 ページ: 1081-1099
  • DOI: 10.1007/s10494-018-9920-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A 3D in vitro pericyte-supported microvessel model: visualisation and quantitative characterisation of multistep angiogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Lee Eujin、Takahashi Haruko、Pauty Joris、Kobayashi Masayoshi、Kato Keisuke、Kabara Maki、Kawabe Jun-ichi、Matsunaga Yukiko T.
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry B 巻: 6 号: 7 ページ: 1085-1094
  • DOI: 10.1039/c7tb03239k
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Vascular Endothelial Growth Factor-Dependent Sprouting Angiogenesis Assay Based on an In Vitro Human Blood Vessel Model for the Study of Anti-Angiogenic Drugs (2018)
  • 著者名/発表者名: Pauty Joris、Usuba Ryo、Cheng Irene Gayi、Hespel Louise、Takahashi Haruko、Kato Keisuke、Kobayashi Masayoshi、Nakajima Hiroyuki、Lee Eujin、Yger Florian、Soncin Fabrice、Matsunaga Yukiko T.
  • 雑誌名: EBioMedicine 巻: 27 ページ: 225-236
  • DOI: 10.1016/j.ebiom.2017.12.014
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 乱流中におけるスカラー源推定のための移動センサ軌道の最適化 (2018)
  • 著者名/発表者名: Panagiotou, C., Cerizza D., Zaki, T., Hasegawa, Y.
  • 雑誌名: 生産研究 巻: 70 号: 1 ページ: 33-35
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.70.33
  • NAID: 130006322085
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 乱流場における随伴解析に基づく複雑伝熱面の形状最適化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 亀谷 幸憲、長谷川 洋介
  • 雑誌名: 生産研究 巻: 70 号: 1 ページ: 29-32
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.70.29
  • NAID: 130006322033
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Estimation of turbulent channel flow at Re = 100 based on the wall measurement using a simple sequential approach (2017)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, T., Hasegawa, Y.
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 830 ページ: 760-796
  • DOI: 10.1017/jfm.2017.580
  • 査読あり
• [学会発表] 組織微小環境の時空間解析のための三次元組織モデル (2020)
  • 著者名/発表者名: 松永行子
  • 学会等名: 心血管疾患における組織の適応・修復・破綻
  • 招待講演
• [学会発表] In vitro微小血管モデルによる血管内皮機能の可視化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松永行子
  • 学会等名: 第17回糖鎖科学コンソーシアムシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Adjoint-based olfactory search algorithm in turbulent environments (2019)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Hasegawa
  • 学会等名: International Workshop on Data-driven Modeling and Optimization in Fluid Mechanics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Comparison of Multi-scale Models for Blood Flow in Zebrafish Brain (2019)
  • 著者名/発表者名: Yin, M., Zheng, X., Blumers, A., Nakakura, M., Nakajima, H., Hasegawa, Y., Karniadakis, G.
  • 学会等名: 72nd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical study on Hemodynamics of brain vasculature in eartly ebrafish life (2019)
  • 著者名/発表者名: Yin, M., Zheng, X., Blumers, A., Nakakura, M., Nakajima, H., Hasegawa, Y., Karniadakis, G.
  • 学会等名: Biomedical Engineering Society 2019 (BMES2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 毛細血管網の分岐形態が微小循環の輸送特性に与える影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 亀谷幸憲，Mirzapourshafiyi Fatemeh, 中山雅敬，長谷川洋介
  • 学会等名: 日本流体力学会年会2019
• [学会発表] 大腸がん-微小血管相互作用における細胞動態の可視化評価系の構築/Visualization of cellular dynamics on colorectal cancer (2019)
  • 著者名/発表者名: 池田行徳
  • 学会等名: 第14回ナノ・バイオメディカル学会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Microvessel Chip for Evaluation of Endothelial Function (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukiko T. Matsunaga
  • 学会等名: MEMS Engineer Forum (MEF) 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 人工微小血管モデルを用いた血管ダイナミクスの可視化, Visualization of vascular dynamics using artificial microvessel model (2019)
  • 著者名/発表者名: 松永行子（代理：中島忠章）
  • 学会等名: Neuro2019
  • 招待講演
• [学会発表] In vitro微小血管モデルを用いたエタノールの透過性への影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中野静香
  • 学会等名: 第68回高分子学会年次大会
• [学会発表] 三次元人工微小血管モデルを用いた血管動態の可視化とフェノタイプ解析 Visualization of vascular dynamics and phenotypic analysis by using three-dimensional microvessel model (2019)
  • 著者名/発表者名: 中島忠章・松永行子
  • 学会等名: 第４２回 日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] A numerical model for three-dimensional analysis of vibratino-induced flow (2019)
  • 著者名/発表者名: Kanji Kaneko, Takayuki Osawa, Yukinori Kametani, Yosuke Hasegawa, and Hiroaki Suzuki
  • 学会等名: The 22nd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
  • 国際学会
• [学会発表] Adjoint-based shape optimization for complex heat transfer surfaces in turbulent flows (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukinori Kametani, Yosuke Hasegawa
  • 学会等名: European Drag Reduction and Flow Control Meeting (EDRFCM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Dissimilar response of the streamwise velocity and temperature field under traveling wave-like wall blowing and suction (2019)
  • 著者名/発表者名: Arjun J. Kaithakkal, Yukinori Kametani, Yosuke Hasegawa
  • 学会等名: European Drag Reduction and Flow Control Meeting (EDRFCM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Adjoint-based shape optimization for turbulent concvective heat transfer with a hybrid RANS-DNS approach (2018)
  • 著者名/発表者名: Yukinori Kametani, Yosuke Hasegawa
  • 学会等名: 16th International Heat Transfer Conerence (IHTC16)
  • 国際学会
• [学会発表] Optimal control of heat and fluid flow in a channel at low Reynold's numbers (2018)
  • 著者名/発表者名: Arjun J. Kaithakkal, Yukinori Kametani, Yosuke Hasegawa
  • 学会等名: 16th International Heat Transfer Conerence (IHTC16)
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental assesment of heat transfer and pressure loss characteristics of optimzal heat transfer surfaces (2018)
  • 著者名/発表者名: Yukinori Kametani, Yutaka Fukuda, Takayuki Osawa, Yosuke Hasegawa
  • 学会等名: 12th European Fluid Mechanics Conference (EFMC12)
  • 国際学会
• [学会発表] Flow estimation behind a cylinder using data assimilation (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuki Akechi, Yuya Yamada, Takayuki Osawa, Takahiro Tsukahara, Yosuke Hasegawa
  • 学会等名: 12th European Fluid Mechanics Conference (EFMC12)
  • 国際学会
• [学会発表] A Blood-Vessel On-A-Chip for the Study of Drugs on Angiogenesis and Endothelial Barrier Function (2018)
  • 著者名/発表者名: Joris Pauty, Fabrice Soncin, Yukiko T. Matsunaga
  • 学会等名: TERMIS-WC 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 3D in vitro Endothelial Cell and Pericyte Co-Culture Model for Visualization and Quantification of Angiogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Eujin Lee, Haruko Takahashi, Joris Pauty, Maki Kabara, Jun-ichi Kawabe, Yukiko T. Matsunaga
  • 学会等名: TERMIS-WC 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Visualization and quantification of pericyte incorporated 3D in vitro angiogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Eujin Lee, Haruko Takahashi, Joris Pauty, Maki Kabara, Jun-ichi Kawabe, Yukiko T. Matsunaga
  • 学会等名: IVBM 2018
  • 国際学会
• [学会発表] In vitro 3次元内皮細胞-周皮細胞共培養微小血管モデルの構築/Construction of 3D in vitro endothelial cell-pericyte co-culture microvessel model (2018)
  • 著者名/発表者名: 李裕珍, 高橋 治子, ポティ ジョリス, 鹿原真樹, 川辺 淳一, 松永行子
  • 学会等名: CVMW2018
• [学会発表] Dissimilar Control of Heat And Momentum Transfer In A Fully Developed Turbulent Channel Flow Via A Streamwise Traveling Wave Of Wall Blowing And Suction (2017)
  • 著者名/発表者名: Kaithakkai, J. A., Kametani, Y., Hasegawa, Y.
  • 学会等名: European Drag Reduction and Flow Control Meeting (EDRFCM 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Adjoint-based shape optimization of heat transfer surface in turbulent flows with DNS-based eddy viscosty and diffusivity (2017)
  • 著者名/発表者名: Kametani, Y., Hasegawa, Y.
  • 学会等名: The 70th Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics (APSDFD2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of Dissimilarity Between Momentum And Heat Transport In A Turbulent Channel Flow (2017)
  • 著者名/発表者名: Kaithakkai, J. A., Kametani, Y., Hasegawa, Y.
  • 学会等名: 6th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow (ASCHT 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Direct Numerical simulation of heat and fluid flow around pin-fin arrays and its experimental validation (2017)
  • 著者名/発表者名: Fukuda. Y., Kametani. Y., Osawa. T., Hasegawa. Y.
  • 学会等名: 17th International Symposium On Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery(ISROMAC2017)
  • 国際学会
• [図書] 生物の優れた機能から着想を得た新しいものづくり (2018)
  • 著者名/発表者名: 長谷川洋介，中山雅敬
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781313542
• [産業財産権] 伝熱装置 (2018)
  • 発明者名: 長谷川洋介
  • 権利者名: 長谷川洋介
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-150502
  • 出願年月日: 2018
• [産業財産権] ピンフィン、ピンフィン群及びタービン翼 (2017)
  • 発明者名: 長谷川洋介、亀谷幸憲、大澤崇行、福田豊、飯田耕一郎
  • 権利者名: 長谷川洋介、亀谷幸憲、大澤崇行、福田豊、飯田耕一郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2017
• [産業財産権] 熱交換器 (2017)
  • 発明者名: 高木勇輔、島津知寛、松村憲志郎、水野安浩、長谷川洋介、亀谷幸憲
  • 権利者名: 高木勇輔、島津知寛、松村憲志郎、水野安浩、長谷川洋介、亀谷幸憲
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2017