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動物モデル観察と数値解析による大動脈壁ラメラ層破断の力学機構解明

研究課題

研究課題/領域番号 22K19939
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分90:人間医工学およびその関連分野
研究機関東京都立大学

研究代表者

伊井 仁志  東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (50513016)

研究分担者 小野寺 宏  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (20214207)
相澤 健一  自治医科大学, 医学部, 准教授 (70436484)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
キーワードラメラ層 / 計算力学 / 離散モデル / 動物モデル実験 / 内部構造観察 / 血管 / 粒子ベース手法 / 二光子顕微鏡観察 / 大動脈解離 / 動物モデル / 顕微鏡観察
研究開始時の研究の概要

大動脈解離は大動脈血管内に血液が浸潤することで内部のラメラ層が破断し血管が引き裂かれる血管障害であり、効果的な診断・予防・治療法に向けた現象の究明が必要とされている。本研究では、「病態モデル動物実験」、「透明化処理技術を併用した高精度二光子顕微鏡観察と三次元形態取得」、「サブマイクロからマイクロサイズの弾性線維・ラメラ層の不均質構造体およびそこに侵入する血流との力学連成解析」という実験観察技術と数値解析技術を統合したアプローチにより、力学平衡破綻という観点から病態を引き起こすプロセスとメカニズムの解明を図る。

研究実績の概要

血管中膜のエラスチンシートについて,昨年度までに構築した数理モデルを発展させ,線維モデルの集合体として数理モデル化を行った.エラスチン線維を伸長・曲げに抵抗する弾性線維としてモデル化し,線維間を架橋するクロスリンクを線形バネ要素でモデル化した.初期のネットワークに対し,クロスリンクの自然長を小さく設定し緩和計算を行うことで構造の凝集を促した.クロスリンクの自然長を適切に設定することで,実験観察されているシートの空隙径といった構造的特徴を再現できた.次に,単軸引張の数値実験を行い,シートの巨視的な応力・ひずみ関係を調べた.個々の線維は線形的にモデル化されているにも関わらず,巨視的な応力・ひずみ関係は実験観察から得られている非線形挙動を示したことから,シートの力学特性はネットワーク構造に由来することが明らかとなった.また,クロスリンクの本数および自然長,エラスチン線維の剛性を変化させたところ,パラメータを適切に設定することでマウス中膜の実験結果を再現した.これらより,エラスチンシートの構造および力学特性を再現する数理モデルを構築することに成功した.
ラメラ層内の流動解析に向け,メッシュフリー法の構築を引き続き進め,移動境界流れ問題において提案手法の妥当性を示した.
動物モデル実験を実施し,計画した実験条件においてサンプル取得を進めた.取得したサンプルに対し,DAPI染色および透明化を施し,ニ光子顕微鏡観察を行った.この際,胸部大動脈,腹部大動脈を含む血管全長の三次元取得は非現実的であることが分かったため,実体顕微鏡による断面観察と組み合わせ,出血部位などの同定を併せて行い,観察部位を決定した.また,共焦点顕微鏡による観察も併せて行った.解離を表示させる薬剤投与後からの経時観察より,病変部位が増加していく傾向を確認できた.

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

当初計画通り,ラメラ層破断に向けた計算力学モデルの構築を順調に行えており,国内外の学術会議で成果を公開している.動物モデル実験は計画通りの実験データが蓄積されている.また,当初は二光子顕微鏡による観察を計画していたが,現実的および実用的な観察のため,共焦点顕微鏡,実体顕微鏡を併用した観察アプローチを図った.以上より,数理モデル構築のための血管構造および出血部位の観察は順調に進んでいる.

今後の研究の推進方策

構築したエラスチンシート構造を用いてラメラ層内のマイクロスケール流動の解析を進めていく.これまでに取得した動物モデル実験サンプルについて二光子顕微鏡,共焦点顕微鏡,実体顕微鏡観察を行い,薬剤持続投与後の経過日数とラメラ層構造の関係を調べる.得られたラメラ層構造を考慮した計算力学モデル解析を実施し,破断プロセスの物理メカニズムの解明に取り組む.

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Transparency-enhancing technology allows the three-dimensional assessment of esophageal carcinoma obtained by endoscopic submucosal dissection2024

    • 著者名/発表者名
      Asahina Yuichi、Hinata Munetoshi、Tanaka Asami、Oshio Kaori、Ogawa Haruki、Aihara Makoto、Onodera Hiroshi、Ushiku Tetsuo
    • 雑誌名

      Esophagus

      巻: - 号: 3 ページ: 405-409

    • DOI

      10.1007/s10388-024-01055-x

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 透明化技術を用いた疑似ヘマトキシリン・エオジン染色画像による眼瞼脂腺癌の三次元的評価2023

    • 著者名/発表者名
      朝比奈祐一, 日向宗利, 田中麻美, 相原一, 小野寺宏, 牛久哲男
    • 雑誌名

      日眼会誌

      巻: 127 ページ: 1110-1118

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The Ki67 index evaluation of pancreatic neuroendocrine tumors using 3D immunohistochemistry in small tissue specimens2023

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Eriko、Shinozaki Satoshi、Sakaguchi Mio、Sano Naoki、Kabasawa Shin、Kanno Atsushi、Ando Kozue、Yokoyama Kensuke、Tamada Kiichi、Onodera Hiroshi、Yamamoto Hironori、Fukushima Noriyoshi
    • 雑誌名

      Pancreatology

      巻: 23 号: 5 ページ: 537-542

    • DOI

      10.1016/j.pan.2023.05.015

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A particle-based method using the mesh-constrained discrete point approach for two-dimensional Stokes flows2022

    • 著者名/発表者名
      MATSUDA Takeharu、TSUKUI Kohsuke、II Satoshi
    • 雑誌名

      Mechanical Engineering Journal

      巻: 9 号: 5 ページ: 22-00204-22-00204

    • DOI

      10.1299/mej.22-00204

    • ISSN
      2187-9745
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 離散要素を用いた大動脈中膜内ラメラシート構造の数理モデリング2024

    • 著者名/発表者名
      渡邉俊介,津久井康介,伊井仁志
    • 学会等名
      第63回学生員卒業研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] メッシュ制約型離散点法に基づく移動境界流れの数値解析2023

    • 著者名/発表者名
      松田孟大,伊井仁志
    • 学会等名
      第36回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 多数粒子を含む懸濁液流れの数値解析に向けたメッシュ制約型離散点法の検証2023

    • 著者名/発表者名
      松田孟大,伊井仁志
    • 学会等名
      第37回数値流体力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 微小流路内の血流解析に向けた移動境界流れの数値解法の開発:流体-剛体連成問題への適用2023

    • 著者名/発表者名
      松田孟大,伊井仁志
    • 学会等名
      第34回バイオエフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of a novel numerical scheme for largely-moving boundary flow problems based on the mesh-constrained discrete point approach2023

    • 著者名/発表者名
      Takeharu Matsuda, Satoshi Ii
    • 学会等名
      14th International Conference on Computational Methods
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] メッシュ制約型離散点法を用いた二次元移動境界流れの数値解法2022

    • 著者名/発表者名
      松田孟大,伊井仁志
    • 学会等名
      第36回数値流体力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] メッシュ制約型離散点法を用いた移動境界流れの数値解法の検討2022

    • 著者名/発表者名
      松田孟大,伊井仁志
    • 学会等名
      第35回計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of a Numerical Scheme in Computational Fluid Dynamics Based on a Mesh-Constrained Discrete Points Formulation2022

    • 著者名/発表者名
      Takeharu Matsuda, Kohsuke Tsukui, Satoshi Ii
    • 学会等名
      15th World Congress on Computational Mechanics & 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (WCCM-APCOM 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

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