平行磁場による粒子線細胞殺傷効果の増強メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 20K08123
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分52040:放射線科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 稲庭 拓 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 物理工学部, グループリーダー (10446536)
• 研究分担者: 松本 謙一郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 放射線障害治療研究部, グループリーダー (10297046) ; 鈴木 雅雄 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 放射線障害治療研究部, 上席研究員 (70281673)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022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); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 粒子線治療 / 生物効果 / 外部磁場 / 平行磁場 / 細胞殺傷効果

研究開始時の研究の概要

研究代表者等は、粒子線照射時に粒子線の進行方向と平行に外部磁場を掛けると粒子線の細胞殺傷効果が有意に増強される、粒子線の進行方向と直交する方向に外部磁場を掛けても細胞殺傷効果に変化がない、ことを世界で初めて確認した。しかしながら、この現象のメカニズムについては解明されていないのが現状である。本研究では、そのメカニズムを、物理的、生物的、化学的な側面から実験とシミュレーションにより解明する。本研究により、メカニズムが明らかになり、この現象が生体内など様々な条件下でも起こることが確認されれば、粒子線治療と平行磁場を組み合わせた、全く新しい効果的な粒子線治療の実現につながる可能性がある。

研究成果の概要

研究代表者等は、粒子線照射時に（１）粒子線の進行方向と平行に外部磁場を掛けると粒子線の細胞殺傷効果が有意に増強され、（２）粒子線の進行方向と直交する方向に外部磁場を掛けても細胞殺傷効果に変化がない、ことを細胞実験で確認した。
この平行磁場効果に関して、①0.6 T程度の外部磁場では、粒子線の物理的な飛跡構造に有意な変化は現れない、②平行磁場の有無によって、OHラジカルの生成密度は変化せず、酸素依存的なH2O2生成は減少する、③粒子線照射中に平行磁場を印加した場合のみに発現する④間接効果が支配的な役割を果たすこと、などが明らかになった。しかし、機序解明には至っておらず、研究継続が必要である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

平行磁場により粒子線の細胞殺傷効果が増強し、直交磁場ではそれが変化しないことは、研究代表者等が初めて確認した現象であり、その機序を解明する本研究テーマは、学術的独自性に富むものである。本現象の機序が明らかになり、この現象が生体内など様々な条件下でも起こることが確認されれば、粒子線治療と平行磁場を組み合わせた、全く新しい効果的な粒子線治療の実現につながる可能性がある。
本研究期間内に、磁場方向によって現れる効果が異なることを含め、平行磁場効果の機序解明には至らなかった。しかしながら、本研究により確認された新たな生物・化学・物理的な実験結果は、平行磁場効果の機序解明に資するものである。

研究成果

• [雑誌論文] Microdosimetric investigation for multi-ion therapy by means of silicon on insulator (SOI) microdosimeter (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakata Dousatsu、Lee Sung Hyun、Tran Linh T、Pan Vladimir、Nakaji Taku、Mizuno Hideyuki、Kok Angela、Povoli Marco、Rosenfeld Anatoly、Inaniwa Taku
  • 雑誌名: Physics in Medicine & Biology 巻: 67 号: 21 ページ: 215010-215010
  • DOI: 10.1088/1361-6560/ac8968
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Performance Evaluation for Repair of HSGc-C5 Carcinoma Cell Using Geant4-DNA (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakata Dousatsu、Suzuki Masao、Hirayama Ryoichi、Abe Yasushi、Muramatsu Masayuki、Sato Shinji、Belov Oleg、Kyriakou Ioanna、Emfietzoglou Dimitris、Guatelli Susanna、Incerti Sebastien、Inaniwa Taku
  • 雑誌名: Cancers 巻: 13 号: 23 ページ: 6046-6046
  • DOI: 10.3390/cancers13236046
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Adaptation of stochastic microdosimetric kinetic model to hypoxia for hypo-fractionated multi-ion therapy treatment planning (2021)
  • 著者名/発表者名: Inaniwa Taku、Kanematsu Nobuyuki、Shinoto Makoto、Koto Masashi、Yamada Shigeru
  • 雑誌名: Physics in Medicine & Biology 巻: 66 号: 20 ページ: 205007-205007
  • DOI: 10.1088/1361-6560/ac29cc
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of lung substitute material as ripple filter for multi-ion therapy with helium-, carbon-, oxygen-, and neon-ion beams. (2021)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa, Yasushi Abe, Masao Suzuki, Sung Hyun Lee, Kota Mizushima, Taku Nakaji, Dousatsu Sakata, Shinji Sato, Yoshiyuki Iwata, Nobuyuki Kanematsu, Toshiyuki Shirai
  • 雑誌名: Physics in Medicine and Biology 巻: 66 号: 5 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1088/1361-6560/abde99
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of loading a magnetic field longitudinal to the linear particle-beam track on yields of reactive oxygen species in water (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Ken-ichiro、Nakanishi Ikuo、Abe Yasushi、Sato Shinji、Kohno Ryosuke、Sakata Dousatsu、Mizushima Kota、Lee Sung Hyun、Inaniwa Taku
  • 雑誌名: Free Radical Research 巻: 55 号: 5 ページ: 547-555
  • DOI: 10.1080/10715762.2021.1970151
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of external magnetic fields on biological effectiveness of proton beams (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Inaniwa, M. Suzuki, S. Sato, M. Muramatsu, A. Noda, Y. Iwata, N. Kanematsu, T. Shirai, K. Noda
  • 雑誌名: Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 巻: 106 号: 3 ページ: 597-603
  • DOI: 10.1016/j.ijrobp.2019.10.040
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biomedical research program at present and future high-energy particle accelerators. (2020)
  • 著者名/発表者名: V. Patera, Y. Prezado, F. Azaiez, G. Battistoni, D. Bettoni, S. Brandenburg, A. Bugay, G. Cuttone, D. Dauvergne, G. France, C. Graeff, T. Haberer, T. Inaniwa, S. Incerti, E. Nasonova, A. Navin, M. Pullia, S. Rossi, C. Vandevoorde, M. Durante
  • 雑誌名: Frontiers in Physics 巻: 8
  • DOI: 10.3389/fphy.2020.00380
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fully integrated Monte Carlo simulation for evaluating radiation induced DNA damage and subsequent repair using Geant4-DNA (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Sakata, O. Belov, M-C. Bordage, D. Emfietzoglou, S. Guatelli, T. Inaniwa, V. Ivanchenko, M. Karamitros, I. Kyriakou, N. Lampe, I. Petrovic, A. Ristic-Fira, W-G. Shin, S. Incerti
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 20788-20788
  • DOI: 10.1038/s41598-020-75982-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Development of a Quantum Scalpel (2023)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: MMND & ITRO 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation biology and biological modeling for ion beam therapy (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: IUPESM WC2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biological model for carbon-ion radiotherapy treatment planning (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: Carbon Therapy Grand Rounds 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mechanistic biological model for charged-particle therapy treatment planning (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: AOCMP 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation Biology for Particle Therapy Treatment Planning (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: PTCOG-AO 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Developments of hypo-fractionated multi-ion therapy at QST (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: 3rdRAON School of Bio-Medical Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Michrodosimetric Kinetic Model for carbon-ion radiotherapy treatment planning (2022)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: 27th International Symposium of Yonsei Song-dang Institute for Cancer Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical and biological models for carbon-ion radiotherapy treatment planning (2021)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: Carbon Ion Therapy Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Current status and future perspective of heavy-ion therapy at NIRS, QST (2021)
  • 著者名/発表者名: Taku Inaniwa
  • 学会等名: GSI biophysics seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of longitudinal magnetic field to the linear particle beam track on yields of hydroxyl radical and hydrogen peroxide in water (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Matsumoto
  • 学会等名: 20th Biennial Meeting of SFRR international
  • 国際学会
• [学会発表] Stochastic microdosimetric kinetic model for hypo-fractionated multi-ion therapy (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Inaniwa
  • 学会等名: MMND 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nuclear applied physics and biophysics at HIMAC (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Inaniwa
  • 学会等名: IBC 2020
  • 国際学会 / 招待講演