低温大気圧プラズマの誘起する生化学反応および細胞挙動の数理モデリング

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K03813
• 研究機関: 成蹊大学
• 研究代表者: 村上 朝之 成蹊大学, 理工学部, 教授 (20323818)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: プラズマ化学 / 生体反応モデリング

研究実績の概要

本研究は、数理モデリングを手段とし、低温大気圧プラズマによって誘起される生化学反応および細胞挙動を定量的に解明することを目的とする。特にプラズマ照射に起因した (1) 活性酸素窒素種の導入が細胞呼吸・エネルギー代謝等の生命維持機能に及ぼす影響、(2) 活性酸素窒素種の導入が誘発する細胞死挙動、および (3) これらの挙動を司るシグナル伝達機能を解明する。さらに、これらの単一細胞レベルの知見を踏まえ (4) 群体レベルとして現れる細胞挙動を明らかにする。低温大気圧プラズマの生体医療応用研究が進展しつつある一方、プラズマが誘起する生理学的プロセスの体系的知見は未だ得られておらず、これを解明する本研究の推進は極めて重要な意義を持つといえる。
令和2年度は、大気圧プラズマの化学反応ネットワークおよび生体内の生化学反応ネットワークの理解の深化に焦点を絞り、数学・情報科学分野で用いられるグラフ理論および複雑ネットワーク解析を応用するモデリングを行った。ここでは極めて複雑なプラズマの化学反応モデルを対象とし、グラフ理論に基づいたネットワーク解析によるスケール変換を行った。その結果、(1) 反応系の構造：スケールフリー性（不変性）・自己同一性（相似性）を保つとともに、(2) 反応粒子の中心性：キーとなる化学種から成る中枢ネットワークを抽出し、低温大気圧プラズマ化学反応系の本質的なユニークさを示唆した。また、数学的見地からのみ行ったスケールダウンモデルをHe+O2プラズマジェットの1D数値シミュレーションに実装した場合にも計算結果が大きく変わることがない一方、計算時間が大幅に減少することを示した。
以上の成果に基づき、原著学術論文 1編、著作 1編、国際会議招待講演 1件、国際会議講演 1件、国内会議招待講演 2件、国内会議講演 4件の業績を得た。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初は計画していなかったネットワークモデリング研究が顕著に進展し、特に低温大気圧プラズマと様々なネットワークシステムをブリッジする知見を与えると共に情報数学分野で盛んに研究されている次元削減法の新提案を行うことができた。これらの極めて重要な知見を原著学術論文として出版することができた。今後、国際的な共同研究・国内研究者との共同研究体制を確立しつつ、さらなる原著学術論文の投稿ならびに国際会議招待講演を行うなどの効果的な成果発表を行っていく。

今後の研究の推進方策

令和3年度は、活性窒素種が細胞死を誘導する機構の解明を目的とする。ここでは、活性窒素(RNS、特に NO, NO2-, ONOO-) の細胞内生成・除去機構およびミトコンドリアからサイトプラズマへ放出されるシトクロムCを介したシステインプロテアーゼ（カスパーゼ 3, 7, 8, 9 系列）活性化挙動をモデル化する。さらに、プラズマ由来RNSがどのようにして種々の細胞死（アポトーシス/ネクローシス）を誘導するのか、その細胞運命を左右するプロセスを明らかにする数値シミュレーションを行う。

次年度使用額が生じた理由

理由：2020年初頭からつづく新型コロナウィルス感染症に起因したイレギュラーな国際国内社会情勢となり、特に国際共同研究の遂行が容易ではなくなったため。
使用計画：研究方針を大幅に変更する予定はなく、理論モデルの構築・数値シミュレーションを主体とした研究を遂行する。ただし、国際研究協力および国際会議などの成果公表の方法・内容・予算執行時期等については諸事情を鑑みつつ柔軟に考える。

研究成果

• [国際共同研究] Queens University Belfast/University of York/University of Oxford(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Queens University Belfast/University of York/University of Oxford
• [雑誌論文] Rescaling the complex network of low-temperature plasma chemistry through graph-theoretical analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakami Tomoyuki、Sakai Osamu
  • 雑誌名: Plasma Sources Science and Technology 巻: 29 ページ: 115018～115018
  • DOI: 10.1088/1361-6595/abbdca
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Modelling on the manipulation of intracellular functions by plasma-induced reactive nitrogen species (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Murakami
  • 学会等名: ISPlasma2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rescaling the chemical kinetics network through graph-theoretical analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Murakami
  • 学会等名: 73rd Annual Gaseous Electronics Virtual Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 低温プラズマ化学解析のネットワーク理論的アプローチ (2021)
  • 著者名/発表者名: 村上朝之
  • 学会等名: 東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究会
  • 招待講演
• [学会発表] プラズマが細胞機能に与える影響のモデリング (2021)
  • 著者名/発表者名: 村上朝之
  • 学会等名: プラズマバイオコンソーシアム 2020年度 研究会
  • 招待講演
• [備考] 成蹊大学理工学部システムデザイン学科プラズマエネルギーデザイン研究室
  • URL: http://www.sd.seikei.ac.jp/lab/pedl/index.html