研究課題/領域番号 |
20K20532
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研究種目 |
挑戦的研究(開拓)
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配分区分 | 基金 |
審査区分 |
中区分19:流体工学、熱工学およびその関連分野
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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)
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研究分担者 |
中嶋 洋行 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 室長 (10467657)
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研究期間 (年度) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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配分額 *注記 |
25,740千円 (直接経費: 19,800千円、間接経費: 5,940千円)
2023年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2022年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2021年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2020年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
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キーワード | 血流シミュレーション / ナノメディシン / ライブイメージング / セブラフィッシュ / ゼブラフィッシュ |
研究開始時の研究の概要 |
本研究では,胚が透明であり,生体内輸送現象のライブイメージングが可能である,ゼブラフィッシュを用いて,がん細胞,その周辺の血管構造,血流分布,ナノ粒子の輸送・集積過程の同時計測を行う.更に,複雑な血管網内部における血流と血球の連成シミュレーション,血管内壁や細胞間質における輸送プロセスのモデリングを実施し,上述の実験から得られるライブイメージングとの詳細な比較を通じて,生体内ナノ粒子輸送の数理モデルを構築する.最終的には,ナノ粒子のサイズ,形状,物理化学的性質を最適化する数理設計ツールを構築を目指す..
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研究実績の概要 |
高解像度共焦点顕微鏡により取得されたゼブラフィッシュ脳内血管の断面画像から3次元血管構造を再構築し、蛍光させた赤血球の動画に流体の支配方程式を考慮する人工知能流体計を適用することにより、血管網全体の流れを推定するアルゴリズムのさらなる精緻化を行った。これにより、実験では計測できない血管内壁に働く圧力やせん断応力などの血行力学的因子の推定が可能となった。さらに、得られた血行力学因子と血管構造リモデリングの関係性を機械学習により抽出することにより、その数理モデリングを行った。また、DPDシミュレーションの大規模化に取り組み、ゼブラフィッシュ後脳全体の血管網に関して、赤血球のダイナミクスを陽的に考慮したシミュレーションが可能となった。 実験においては、ゼブラフィッシュ体内にガン細胞を移植し、腫瘍を定着させ、成長させることに成功し、これによりゼブラフィッシュを用いたガン治療の生体モデルの構築を完了した。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ゼブラフィッシュ生体内の血管画像から3次元構造を再構築し、散逸動力学法(DPD: dissipative particle dynamics)、3D連続体モデル、1Dモデル、人工知能流速計などの異なる血流推定手法を行うための基盤が構築され、実験データとの比較を通じて、検証が可能となった。また、ゼブラフィッシュ体内にガン細胞を培養し、ガン治療の生体モデルとして利用することを可能とした。また、ナノメディシンの製作においては、異なるサイズのポリマーによりナノ粒子を被覆することにより、生体内でのナノ粒子の流動パターンの制御が可能となりつつある。以上の成果を考慮し、概ね順調に研究が進んでいると判断した。
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今後の研究の推進方策 |
これまでに構築したシミュレーション技法、ゼブラフィッシュ体内の観察手法、ガン細胞の移植技術、ナノメディシンの製造技術を組み合わせることにより、ゼブラフィッシュ体内において薬物を内包したナノメディシンの輸送過程を予測するための数理モデルの構築とそれがガン治療に与える影響に関する研究を継続する。特に、散逸動力学法においては、赤血球、血漿、ナノ粒子までを様的に扱うことが可能であり、これを実現するコードを開発するとともに、実験結果との比較を通じて、シミュレーション手法の検証を進める。また、得られたデータを用いて、3D連続体シミュレーションや1Dモデルの検証を行い、より少ない計算負荷により、血管網全体の血流やそれに伴うナノ粒子の輸送過程の予測を実現する。
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