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放射線飛跡構造の空間パターンに基づくDNA損傷予測システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K24998
補助金の研究課題番号 22H03744 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分63020:放射線影響関連
研究機関北海道大学

研究代表者

松谷 悠佑  北海道大学, 保健科学研究院, 講師 (20826929)

研究分担者 福永 久典  北海道大学, 保健科学研究院, 准教授 (50781267)
松山 成男  東北大学, 工学研究科, 教授 (70219525)
赤松 憲  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 上席研究員 (70360401)
甲斐 健師  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (70403037)
楠本 多聞  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学研究所 計測・線量評価部, 主任研究員 (90825499)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
2025年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2024年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2023年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
キーワードDNA損傷予測モデル / 化学過程のモデリング / DNA損傷 / 中性子・BNCT照射 / 炭素線照射 / 一本鎖切断 / 二本鎖切断 / クラスター損傷 / 高LET放射線 / 放射線飛跡構造解析 / 陽子・中性子照射 / 化学モデル / 放射線飛跡構解析
研究開始時の研究の概要

生体細胞が放射線により被ばくした場合,細胞死や染色体異常,発がんといった後発の放射線影響が発生する。これら影響は放射線飛跡上で生じる初期のDNA損傷に起因するため,放射線による生じる生物影響を正確に理解するためには,放射線の飛跡構造に基づいてDNA損傷数を予測するシミュレーション研究が重要である。しかし,このDNA損傷推定シミュレーションは,飛跡構造やラジカル生成・拡散の詳細な計算が必要なため,膨大な計算コストを要する問題がある。本研究では,最も計算コストを要する化学過程をモデル化することで,様々な放射線タイプにより生じるDNA損傷を高速に推定可能なDNA損傷予測システムの開発を目指す。

研究実績の概要

令和5年度は,DNA損傷を高速に推定可能なDNA損傷予測システムの開発を目指し, (a)水の放射線分解により生成するラジカル種(OHラジカル)の量と放射線タイプ(単位長当りの付与エネルギー(LET))の評価(化学シミュレーションモデル開発),(b) X線・イオン線により生じるDNA損傷データの取得,2点について研究開発を進めた。得られた成果は、国際的に著名なジャーナルにて12報の発表を行った。
当該年度のモデル開発は,先に開発したラジカルの初期収量とその後の時間変化を計算するコードを,汎用放射線科学計算コードPHITSへ実装した。これより,OHラジカル量とDNA損傷数の関係の評価に成功した。また,様々なイオン線について,放射線の単位長当りの付与エネルギー(LET)とラジカル量を評価する化学コードの開発にも成功した。今後,この開発した化学コードについて検証を進め,国際ジャーナルにて成果報告する同時に,PHITSコードへ実装する予定である。
次に,当該年度のDNA損傷測定については,X線装置ならびに低エネルギー陽子ビーム(1~3 MeV)を使用することで,実測データの蓄積を進めた。X線射実験では、OHラジカルスカベンジャー濃度を10と200 mMと変化させ,複雑なDNA損傷収率の測定を行った。陽子ビームを使用した照射実験では,陽子線の飛行距離が照射サンプル厚より短いことから,単色陽子ビームのDNA損傷データの測定が困難であることが判明した。この限界を考慮し,令和6年度以降は中性子照射(反跳陽子)やホウ素中性子捕捉療法により発生する高LETイオン線を使用してデータ蓄積を進める予定である。
以上の化学モデル開発ならびにイオン線照射実験の蓄積から,高LET放射線において重要性が低下すると考えらえる化学過程とDNA損傷発生数の関係の評価に成功し,DNA損傷予測システムの開発につながった。

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

令和5年度の進捗状況においては,化学過程を考慮して高速にDNA損傷予測を可能にするモデルの開発に向けて,様々なイオン線に対して化学過程を詳細に計算するコードの開発を進め,電子線照射用の化学コードについてはPHITSコードへ実装することで社会還元を行った。また,開発したコードを使用することで,化学過程で発生するOHラジカルの発生量からDNA損傷数の実測値を再現することに成功し,化学過程メカニズムを考慮してDNA損傷を予測するモデルの開発に発展した。同時に,化学過程の寄与率を変化させる目的でOHラジカルスカベンジャー濃度を可変させた際に,X線により発生するDNA損傷の複雑さの測定にも成功し,測定データの蓄積も順調である。さらに,国際的に著名なジャーナルへ複数の論文発表を行うことにも成功した。一方で,電気代の高騰に伴い,当初利用を予定していた高崎量子応用研究所TIARAの炭素ビームの使用が困難な状況となったため,使用する照射実験設備については他の施設の使用も視野に入れる必要がわかった。以上のとおり,照射施設に関する課題点が浮上してきたが,当該年度に計画していたモデル開発ならびに実測データの蓄積を進めることに成功し,順調に研究が進展したと考えている。

今後の研究の推進方策

令和6年度以降は,上記の令和5年度の研究開発状況を踏まえて,下記3点の研究内容について着手する予定である。
(1)令和5年度に開発した化学シミュレーションコード(モデル)について,そのモデルの妥当性を様々なイオン線で生じるラジカルデータと比較することで一層の開発を進める。同時に,生体細胞内と同等のスカベンジング能(300000000 /sec)を有する水の放射線分解で生じるOHラジカル収量と電離励起数(LET)との関係を評価し,モデル化する。
(2)DNA損傷の高速予測の実現へ向けて,上記で開発したOHラジカル収量と電離励起数の関係を活用して,DNA損傷収量を高速で計算するアルゴリズムを開発する。開発したDNA損傷予測システムをDNA損傷に関する既存の実測データを比較し,予測システムの妥当性の検討を開始する。
(3)DNA損傷に関する科学データの蓄積を継続する。具体的には,細胞内のコンディションに近い200 mM Trisで調整したプラスミドDNAを使用した高LET放射線照射を実施し,測定したDNA損傷データと(2)で開発したDNA損傷の予測結果と比較することで,DNA損傷予測システムの開発を加速させる。炭素線照射については,電気代の高騰に伴い,当初利用を予定していた高崎量子応用研究所TIARAの使用が困難である可能性も在り,群馬大学重粒子医学センターの利用も検討する。
以上のとおり,化学シミュレーションコードやDNA損傷予測システムの開発,さらにはDNA損傷測定データの蓄積を実施し,当初予定している「様々な放射線タイプにより生じるDNA損傷を高速に推定可能なDNA損傷予測システムの開発」を一層進める予定である。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 3件、 査読あり 15件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 9件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] Mayo Clinic(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] A step-by-step simulation code for estimating yields of water radiolysis species based on electron track-structure mode in the PHITS code2024

    • 著者名/発表者名
      Matsuya Yusuke、Yoshii Yuji、Kusumoto Tamon、Akamatsu Ken、Hirata Yuho、Sato Tatsuhiko、Kai Takeshi
    • 雑誌名

      Physics in Medicine & Biology

      巻: 69 号: 3 ページ: 035005-035005

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ad199b

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Changes in molecular conformation and electronic structure of DNA under 12C ions based on first-principles calculations2024

    • 著者名/発表者名
      Sekikawa Takuya、Matsuya Yusuke、Hwang Beomju、Ishizaka Masato、Kawai Hiroyuki、?no Yoshiaki、Sato Tatsuhiko、Kai Takeshi
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      巻: 548 ページ: 165231-165231

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2023.165231

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of a model for evaluating the luminescence intensity of phosphors based on the PHITS track-structure simulation2024

    • 著者名/発表者名
      Hirata Yuho、Kai Takeshi、Ogawa Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Sato Tatsuhiko
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      巻: 547 ページ: 165183-165183

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2023.165183

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Possible mechanisms and simulation modeling of FLASH radiotherapy2024

    • 著者名/発表者名
      Shiraishi Yuta、Matsuya Yusuke、Fukunaga Hisanori
    • 雑誌名

      Radiological Physics and Technology

      巻: 17 号: 1 ページ: 11-23

    • DOI

      10.1007/s12194-023-00770-x

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recent improvements of the particle and heavy ion transport code system - PHITS version 3.332023

    • 著者名/発表者名
      Sato Tatsuhiko、Iwamoto Yosuke、Hashimoto Shintaro、Ogawa Tatsuhiko、Furuta Takuya、Abe Shin-Ichiro、Kai Takeshi、Matsuya Yusuke、Matsuda Norihiro、Hirata Yuho、Sekikawa Takuya、Yao Lan、Tsai Pi-En、Ratliff Hunter N.、Iwase Hiroshi、Sakaki Yasuhito、Sugihara Kenta、Shigyo Nobuhiro、Sihver Lembit、Niita Koji
    • 雑誌名

      Journal of Nuclear Science and Technology

      巻: 61 号: 1 ページ: 127-135

    • DOI

      10.1080/00223131.2023.2275736

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Development of an electron track-structure mode for arbitrary semiconductor materials in PHITS2023

    • 著者名/発表者名
      Hirata Yuho、Kai Takeshi、Ogawa Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Sato Tatsuhiko
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: 10 ページ: 106001-106001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad00f4

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Biophysical simulations for estimating biological effects after exposure to ionizing radiation: current state and future prospect2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Matsuya、Ryo Saga
    • 雑誌名

      Radiation Environment Medicine

      巻: 68(2) ページ: 81-90

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improvement of the hybrid approach between Monte Carlo simulation and analytical function for calculating microdosimetric probability densities in macroscopic matter2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Ogawa Tatsuhiko、Kai Takeshi、Hirata Yuho、Tsuda Shuichi、Parisi Alessio
    • 雑誌名

      Physics in Medicine & Biology

      巻: 68 号: 15 ページ: 155005-155005

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ace14c

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Modelling oxygen effects on the in- and out-of-field radiosensitivity of cells exposed to intensity-modulated radiation fields2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuya Yusuke、McMahon Stephen J、Butterworth Karl T、Yachi Yoshie、Saga Ryo、Sato Tatsuhiko、Prise Kevin M
    • 雑誌名

      Physics in Medicine & Biology

      巻: 68 号: 9 ページ: 095008-095008

    • DOI

      10.1088/1361-6560/acc720

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-principles simulation of an ejected electron produced by monochromatic deposition energy to water at the femtosecond order2023

    • 著者名/発表者名
      Kai Takeshi、Toigawa Tomohiro、Matsuya Yusuke、Hirata Yuho、Tezuka Tomoya、Tsuchida Hidetsugu、Yokoya Akinari
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 13 号: 46 ページ: 32371-32380

    • DOI

      10.1039/d3ra05075k

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Proximity Estimation and Quantification of Ionizing Radiation-induced DNA Lesions in Aqueous Media using Fluorescence Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Akamatsu Ken、Satoh Katsuya、Shikazono Naoya、Saito Takeshi
    • 雑誌名

      Radiation Research

      巻: 201 号: 2 ページ: 150-159

    • DOI

      10.1667/rade-23-00145.1

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Modeling for predicting survival fraction of cells after ultra-high dose rate irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      Shiraishi Yuta、Matsuya Yusuke、Kusumoto Tamon、Fukunaga Hisanori
    • 雑誌名

      Physics in Medicine & Biology

      巻: 69 号: 1 ページ: 015017-015017

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ad131b

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] An Analytical Method for Quantifying the Yields of DNA Double-Strand Breaks Coupled with Strand Breaks by γ-H2AX Focus Formation Assay Based on Track-Structure Simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Yachi Yoshie、Matsuya Yusuke、Yoshii Yuji、Fukunaga Hisanori、Date Hiroyuki、Kai Takeshi
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 24 号: 2 ページ: 1386-1386

    • DOI

      10.3390/ijms24021386

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Initial yield of hydrated electron production from water radiolysis based on first-principles calculation2023

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Kai, Tomohiro Toigawa, Yusuke Matsuya, Yuho Hirata, Tomoya Tezuka, Hidetsugu Tsuchida, Akinari Yokoya
    • 雑誌名

      Royal Society of Chemistry Advances

      巻: 13 号: 11 ページ: 7076-7086

    • DOI

      10.1039/d2ra07274b

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Application of a simple DNA damage model developed for electrons to proton irradiation2022

    • 著者名/発表者名
      Matsuya Yusuke、Kai Takeshi、Parisi Alessio、Yoshii Yuji、Sato Tatsuhiko
    • 雑誌名

      Physics in Medicine & Biology

      巻: 67 号: 21 ページ: 215017-215017

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ac9a20

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 小型加速器中性子源を用いた熱中性子照射場の開発2024

    • 著者名/発表者名
      辻本 隆文、相澤 直人、加田 渉、菊池 洋平、松山 成男
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 原子サイズで人体への放射線影響を予測する計算コードの開発2023

    • 著者名/発表者名
      松谷悠佑
    • 学会等名
      第9回北海道大学部局横断シンポジウム「新領域創成に向けた若手連携の挑戦」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] PHITS飛跡構造シミュレーションに基づく、電子・陽子・炭素イオン誘発DNA損傷推定モデルの開発2023

    • 著者名/発表者名
      松谷悠佑,甲斐健師,赤松憲,中野敏彰,吉井勇治,鹿園直哉,佐藤達彦
    • 学会等名
      第66回日本放射線影響学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ヒト由来水晶体上皮細胞での線量率効果2023

    • 著者名/発表者名
      松谷悠佑,佐藤達彦,浜田信行
    • 学会等名
      日本保健物理学会第56回研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] PHITSにおける物理・化学過程のシミュレーションコードの開発状況2023

    • 著者名/発表者名
      松谷悠佑,甲斐健師, 吉井勇治, 楠本多聞, 赤松憲, 平田悠歩, 佐藤達彦
    • 学会等名
      2023年度核データ+PHITS合同研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] PHITSを用いたDNA損傷計算 -マクロからミクロへの挑戦-2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤達彦,松谷悠佑,甲斐健師,小川達彦,平田悠歩,関川卓也
    • 学会等名
      日本原子力学会 2023年秋の大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Molecular conformational changes of DNA after exposure to low-energy radiation based on first-principles calculations2023

    • 著者名/発表者名
      T. Sekikawa, Y. Matsuya, T. Kai, H. Kawai, H. Beomju, M. Ishizaka, Y.Ono, T. Sato
    • 学会等名
      21th International Conference on Radiation Effects in Insulators (REI-21)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Radiolysis of liquid water occurring around ion tracks of carbon beams2023

    • 著者名/発表者名
      H. Tsuchida, T. Tezuka, T. Kai, Y. Matsuya, T. Majima, M. Saito
    • 学会等名
      The 7th International Conference "Dynamics of Systems on the Nanoscale" (DySoN 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of radiation interactions in phosphors using the PHITS track-structure mode for evaluating the response of radiation detectors2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Hirata, T. Kai, T. Ogawa, Y. Matsuya, T. Sato
    • 学会等名
      21th International Conference on Radiation Effects in Insulators (REI-21)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Model assessment for the impact of cancer stem cells on in vitro cell survival and clinical tumor control2023

    • 著者名/発表者名
      D. Ishiyama, R. Saga, Y. Matsuya
    • 学会等名
      The 10th meeting of educational symposium of radiation and health (ESRAH)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Monte Carlo simulation for dose distribution around dental metal crown2023

    • 著者名/発表者名
      K. Kudo, Y. Matsuya, T. Nagano
    • 学会等名
      The 10th meeting of educational symposium of radiation and health (ESRAH)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Track-structure simulation analysis for biological impacts in magnetic resonance-guided radiotherapy2023

    • 著者名/発表者名
      M. Shimoma, Y. Matsuya
    • 学会等名
      The 10th meeting of educational symposium of radiation and health (ESRAH)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dose rate dependence of yields of water radiolysis species: Towards the elucidation of the mechanism of FLASH radiotherapy2023

    • 著者名/発表者名
      Tamon Kusumoto
    • 学会等名
      32nd Miller Conference on Radiation Chemistry
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Evaluation of complex DNA double-strand breaks after exposure to photon beams by means of γ-H2AX focus formation assay and Monte Carlo track-structure simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Yachi, Y. Matsuya, Y. Yoshii, H. Fukunaga, T. Kai
    • 学会等名
      The 9th meeting of educational symposium of radiation and health (ESRAH)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Biophysical Modelling of Radiation Responses after Exposure to Ionizing Radiation Based on the PHITS Code and the IMK Model2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Matsuya, R. Saga
    • 学会等名
      The 9th meeting of educational symposium of radiation and health (ESRAH)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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