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サブミクロン分解能をもつ超音波定量顕微鏡によるサイトカインストームの前診断技術

研究課題

研究課題/領域番号 21K12643
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90110:生体医工学関連
研究機関公益財団法人名古屋産業科学研究所 (2023)
豊橋技術科学大学 (2021-2022)

研究代表者

穂積 直裕  公益財団法人名古屋産業科学研究所, 研究部, 上席研究員 (30314090)

研究分担者 吉田 祥子  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (40222393)
田村 和輝  浜松医科大学, 光尖端医学教育研究センター, 助教 (40822614)
長岡 亮  富山大学, 学術研究部工学系, 准教授 (60781648)
川島 朋裕  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70713824)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
キーワード超音波顕微鏡 / 音響インピーダンス / 培養細胞 / サイトカインストーム / 音響インピーダン / 生体細胞
研究開始時の研究の概要

医学生物学の場面で,細胞・組織の分化状態や健全性を生きたまま観察する技術が求められるが,光学的細胞観察は,屈折率にもとづく二次元的な外形観察や,染色操作を要する侵襲的観察となり,生きた状態で内部構造を非侵襲的に観察するには適さない。そこで染色なしで弾性に関係する音響物性が得られる超音波顕微鏡の特徴を生かし,細胞内構造体の弾性率分布を動的(連続的)・非侵襲的・三次元的にサブミクロンスケールでマッピングできる計測・解析手法を開発し,高速・高精度化する。免疫反応前後における細胞内の変化を可視化・追尾し,細胞のサイトカインストームの前診断に利用できる連続観察を実現し,免疫検査への応用を目指す。

研究実績の概要

仮想整合層による信号処理を提案した。本研究で利用している音響インピーダンス顕微鏡では,薄いフィルムを介したパルス超音波の送受を行うが,フィルム間の多重反射が主信号に重畳するため,時間軸上でこれを切り離す必要がある。しかし高周波用の超音波振動子は減衰振動が継続するので波形の切り離しが難しい。信号のdumpingをよくするために整合層が用いられるが,パルス波は広い周波数帯域をもつのでその設計と製作は難しい。そこで振動子の背後に整合層を置くのと同等の伝達関数をソフトウェアにより設定し,取り込み後の波形に対して適用することにより,dumpingを改善する方法を考案した。同様の方法を,主信号に先んじて到来するedge波にも適用し,時間軸上で主信号のみを正確に切り出すことを可能とした。加えて,水を結合媒体として取得した波形の平均をとる場合に特有の問題となるジッタを軽減するため,波形の相互相関にもとづいて位相をシフトさせてから平均処理を行う方法を考案した。改善を施した解析ソフトウェアを利用し,細胞が生きた状態で細胞分裂する過程を3次元音響インピーダンス顕微モードで実時間追尾観察した。核分裂前は、核の音響インピーダンスは低値を示すが,核の分裂開始後音響インピーダンスは高値を示すこと,分裂を進めながら上方に核が移動すること,3次元音響インピーダンスイメージをもとに核の分裂の進行が形態的に把握できることなどを示した。

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

測定システムは予定どおり構築され,概ね正しいと思われる測定結果が得られている。2023年度までの実験により,細胞内3次元音響インピーダンス像とその時間変化が概ね正しく表示できることが判ったため,2024年度は観察例を増やすとともに,光学顕微鏡による観察の結果との相関について議論できるデータを収集する。

今後の研究の推進方策

観察例を増やすとともに,光学顕微鏡による観察の結果との相関について議論できるデータを収集する。細菌性毒素や農薬による細胞死誘導の前後で、脳内免疫細胞であるミクログリアの細胞内状態の変化を可視化・追尾する。これまでの成果をまとめて本研究を終了する。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Noninvasive imaging of rat‐derived microglia and its reactivity to inflammatory molecules via acoustic impedance microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Christine Li Mei Lee, Pey Shin Yap, Kiyoshi Umemura, Taichi Shintani, Kazuto Kobayashi, Naohiro Hozumi, Sachiko Yoshida
    • 雑誌名

      Journal of Medical Ultrasonics

      巻: 50 号: 1 ページ: 29-37

    • DOI

      10.1007/s10396-023-01379-8

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Alteration of speed-of-sound by fixatives and tissue processing methods in scanning acoustic microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Tamura Kazuki、Ito Kazuyo、Yoshida Sachiko、Mamou Jonathan、Miura Katsutoshi、Yamamoto Seiji
    • 雑誌名

      Frontiers in Physics

      巻: 11 ページ: 1-9

    • DOI

      10.3389/fphy.2023.1060296

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 1.Evaluation of elastic change during mitotic phase of murine breast cancer cells using scanning acoustic microscope.2022

    • 著者名/発表者名
      Tiong TKS, Sasaki R, Prastika EB, Kawaguchi Y, Kobayashi K, Hozumi N, Yoshida S.
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: - 号: SG ページ: 1-19

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac54f7

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 2.Time and frequency domain deconvolution for cross-sectional cultured cell observation using an acoustic impedance microscope2022

    • 著者名/発表者名
      Prastika EB, Shintani T, Kawashima T, Murakami Y, Hozumi N, Tiong TKS, Yoshida S, Nagaoka R, Kobayashi K.
    • 雑誌名

      Ultrasonics

      巻: 119 ページ: 106601-106601

    • DOI

      10.1016/j.ultras.2021.106601

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Suppression of reflected signals from substrate as clutters for cell measurements using acoustic impedance microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Nagaoka Ryo、Hasegawa Hideyuki、Tamura Kazuki、Yoshida Sachiko、Hozumi Naohiro、Kobayashi Kazuto
    • 雑誌名

      Ultrasonics

      巻: 118 ページ: 106580-106580

    • DOI

      10.1016/j.ultras.2021.106580

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 5.Three-dimensional acoustic impedance mapping of human skin by improved time-frequency domain analysis.2021

    • 著者名/発表者名
      Prastika EB, Imori A, Kawashima T, Murakami Y, Hozumi N, Yoshida S, Nagaoka R, Kobayashi K.
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 60 号: SD ページ: SDDE22-SDDE22

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abf512

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Neurosphere development is influenced with microglial hysteresis of chemical administration in utero2023

    • 著者名/発表者名
      Maki Shibata 1Yap Pey Shin, Hozumi Naohiro, Kanda Yasunari , Yoshida Sachiko
    • 学会等名
      神経化学学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 超音波顕微鏡を用いたヒト皮膚線維芽細胞からのコラーゲン放出可視化技術2023

    • 著者名/発表者名
      山中大生,柴田真希,川口祐希,小林和人,穂積直裕,吉田祥子
    • 学会等名
      第70回中部日本生理学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Quantitative analysis of intracellular conditioning in differentiating neuronal cells by Z-scope impedance tomography2023

    • 著者名/発表者名
      Maki Shibata, Daiki Yamanaka, Naohiro Hozumi, Yuki kawaguchi, Kazuto Kobayashi, Sachiko Yoshida
    • 学会等名
      USE2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Validation of acoustic cell imaging obtained by Z-scope impedance tomography2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kawaguchi , Kazuto Kobayashi, Naohiro Hozumi, Sachiko Yoshida
    • 学会等名
      USE2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Three-dimensional acoustic impedance mapping of cultured biological cells2022

    • 著者名/発表者名
      Hozumi N
    • 学会等名
      NEURO 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 有機リン系農薬曝露動物由来ミクログリアの活性化の解明2022

    • 著者名/発表者名
      Yap Pey Shin, 穂積直裕,諫田泰成,吉田祥子
    • 学会等名
      第69回中部生理学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Novel technology for secreting molecular observation: collagen release and effects of UV-A irradiation on human cultured dermal fibroblasts2022

    • 著者名/発表者名
      Shigehisa Satake, Taichi Shintani, Shizuka Nakada, Kazuto Kobayashi, Yuki Ogura, Naohiro Hozumi, Sachiko Yoshida
    • 学会等名
      Neuro2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Pseudo-transmission imaging of cultured cells by using focused ultrasound reflectometry2022

    • 著者名/発表者名
      Mai Murakami, Yuki Kawaguchi, Fatini Athirah Mohmad Fadzeli, Yuto Isobe Tomohiro Kawashima, Yoshinobu Murakami, Kazuto Kobayashi, Sachiko Yoshida, Naohiro Hozumi
    • 学会等名
      The 43th Symposium on UltraSonic Elecronics(USE)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 超音波による培養細胞のマルチモードモニタリング2022

    • 著者名/発表者名
      村上 舞, 川口 祐季, Fatini Athirah Mohmad Fadzeli, 磯辺 悠斗 , 川島 朋裕, 村上 義信, 小林 和人, 吉田 祥子, 穂積 直裕
    • 学会等名
      令和4年第4回アコースティックイメージング研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 超音波顕微鏡によるエポキシ樹脂の硬化ムラの三次元定量観察2022

    • 著者名/発表者名
      磯辺 悠斗 , 村上 舞, 川島 朋裕, 村上 義信, 小林 和人, 穂積 直裕
    • 学会等名
      令和4年第4回アコースティックイメージング研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 周波数分解空間平均処理による超音波物性量顕微断層像の低周波ノイズ除去と細胞観察への応用2022

    • 著者名/発表者名
      村上 舞、新谷太地、川島朋裕、村上義信、穂積直裕(豊橋技術科学大学)、小林和人(本多電子株式会社)
    • 学会等名
      令和4年電気学会全国大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 絶縁体中の針電極近傍における空間電化分布の三次元計測2022

    • 著者名/発表者名
      安田かな、川島 朋裕、村上 義信、穂積 直裕(豊橋技術科学大学)
    • 学会等名
      令和4年電気学会全国大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] アルデヒド固定前後で変化する線維芽細胞の外形観察2021

    • 著者名/発表者名
      新谷太地、Edo Bagus Plastika、佐竹繁寿、川島朋裕、村上義信、吉田祥子、穂積直裕、小林和人
    • 学会等名
      令和3年度 電気・電子・情報関係学会東海支部連合大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Reduction of Low-Frequency Noise in Cross-Sectional Ultrasound Property Micro Imaging by Frequency-Resolved Spatial Averaging.2021

    • 著者名/発表者名
      Mai Murakami、Edo Bagus Plastika、Yuto Isobe、Tomohiro Kawashima、Yoshinobu Murakami、Naohiro Hozumi and Kazuto Kobayashi
    • 学会等名
      The 42nd Symposium on UltraSonic Electronics (USE2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Directly assessing the reactivity of rat-derived microglia with scanning acoustic microscope2021

    • 著者名/発表者名
      Christine Lee Li Mei、Kiyoshi Umemura、Mai Murakami、Thomas Tiong Kwong Soon、Kazuto Kobayashi、Naohiro Hozumi and Sachiko Yoshida
    • 学会等名
      The 42nd Symposium on UltraSonic Electronics (USE2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Noise reduction of cross-sectional ultrasound microscopic images by frequency-resolved spatial averaging and its application to skin observation.2021

    • 著者名/発表者名
      Murakami M, Prastika EB, Isobe Y, Kawashima T, Murakami Y, Yoshida S, Hozumi N, Kobayashi K.
    • 学会等名
      The 42nd Symposium on UltraSonic Electronics (USE2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Novel assessment for the reactivity of rat-derived microglia with scanning acoustic microscope.2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshida S, Kanda Y, Kobayashi K, Hozumi N.
    • 学会等名
      EMBL Microglia workshop, Abstract book of EMBL workshop
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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