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2021 年度 実績報告書

力学体系に基づいた間質液流れによる脳内老廃物除去機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20H04504
研究機関大阪大学

研究代表者

武石 直樹  大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (30787669)

研究分担者 田中 壽  大阪大学, 医学系研究科, 教授 (40294087)
横山 直人  東京電機大学, 工学部, 教授 (80512730)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード脳間質液 / 血管周囲腔 / 脳内老廃物 / 物質輸送 / 計算バイオメカニクス
研究実績の概要

血管周囲腔における脳脊髄液の脈波依存的な流れを古典的な生物流体力学の知見に基づきスケーリングすることに成功し,その結果を査読付き国際雑誌論文(Journal of Theoretical Biology)に報告した[Yokoyama & Takeishi, et al., 2021, 523:110709].
また,Wrightら(2013)が公開している脳動脈血管のMRI画像に基づき,被験者個別の脳動脈モデルの構築と1次元血流解析を行った.本解析の目的は,willisの動脈輪からの血管分岐世代ごとの脈波の減衰過程を明らかにすることである.現時点で被験者個別脳動脈モデルを用いたテスト解析を終え,入口および出口での境界条件の妥当性について着目する必要性を明らかにした.
細胞スケールにおける脳内物質輸送問題の解析に向けた準備として,直径15マイクロメートルから50マイクロメールにおける直円管路内での赤血球単体の流動挙動を解析し,管径やレイノルズ数依存的な赤血球の安定した流動挙動を明らかにした.本結果の一部は,既に査読付き国際雑誌論文して報告済みである.上述の知見は,微小流路デバイスを用いた細胞分離技術や新たな細胞検出技術の基礎知見として有用であると期待している.また,国際的なレオロジー学会(SCHM-ISCH-ISB2021, ACROS Fukuoka, Fukuoka, Japan, Jul. 4-7, 2021)において血球流動に関する研究発表を行い,その内容が評価されたことでRising Star Awardを受賞した.上述した2件の論文発表以外での国際査読付き論文は2件(計4件)である.

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

血管周囲腔の脳脊髄液流れに関する数値解析を行い,脈波由来の脳脊髄液流れに関する新たな流体力学的知見を示すことに成功し,その結果は査読付き国際雑誌論文(Journal of Theoretical Biology)として報告済みである.全脳スケールにおける血流動態については,1次元波動問題としてモデル化し,被験者個別の脳動脈モデルを用いた解析を行った.この解析から,出口境界条件に関する新たなモデル化の必要性を確認した.次年度では,構築した1次元血流モデルによって血管分岐世代ごとの脈波の減衰過程を明らかにすることが目標となる.この1次元血流解析に先立ち,心臓血管系における1次元血流解析を行い,上述の出口境界のモデル化を行うための基礎検討が完了している.さらに,細胞スケールの流れに関しては,赤血球流動と酸素輸送に関する3次元血流解析,及び全脳スケールの被験者個別脳動脈モデルを用いた3次元大規模血流解析は終えている.これらの結果については,査読付き国際雑誌論文して報告する準備を進めている.特に血球流動解析に関する数値解析では,管径やレイノルズ数依存的な赤血球の安定した流動挙動を明らかにすることに成功し,結果の一部については既に査読付き国際雑誌論文して報告済みである.以上の状況から,現在までの進捗状況をおおむね順調に進展していると評価した.

今後の研究の推進方策

1次元脳血流解析の事前準備として,心臓血管系における1次元血流解析を行っている.この解析中で得られた下肢部への血流量や主要大動脈の圧波形を参考に,脳動脈モデルにおける出口境界条件を設定する.その上で,ウィリス輪動脈から8世代分岐までの脳動脈を対象とした血流動態の解析と脈波解析を行う.
一方,赤血球流動と酸素輸送に関する3次元血流解析,及び全脳スケールの被験者個別脳動脈モデルを用いた3次元大規模血流解析は終えているため,これらの知見を査読付き国際雑誌論文して報告する準備を並行して進める.細胞スケールにおける酸素輸送問題は,酸素濃度及び酸素飽和度の移流拡散方程式としてモデル化しているため,このモデルを拡張し,酸素以外の高分子タンパク質の移流拡散問題を解析する準備を進める.最終的には,代謝も考慮した組織スケールにおける老廃物の輸送や沈着に関する力学的概念を提示する.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Effects of Left Ventricular Hypertrophy and Myocardial Stiffness on Myocardial Strain Under Preserved Ejection Fraction2021

    • 著者名/発表者名
      Morishita Takaomi、Takeishi Naoki、Ii Satoshi、Wada Shigeo
    • 雑誌名

      Annals of Biomedical Engineering

      巻: 49 ページ: 1670~1687

    • DOI

      10.1007/s10439-020-02706-7

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Cerebrospinal fluid flow driven by arterial pulsations in axisymmetric perivascular spaces: Analogy with Taylor’s swimming sheet2021

    • 著者名/発表者名
      Yokoyama Naoto、Takeishi Naoki、Wada Shigeo
    • 雑誌名

      Journal of Theoretical Biology

      巻: 523 ページ: 110709~110709

    • DOI

      10.1016/j.jtbi.2021.110709

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of a mesoscopic framework spanning nanoscale protofibril dynamics to macro-scale fibrin clot formation2021

    • 著者名/発表者名
      Takeishi Naoki、Shigematsu Taiki、Enosaki Ryogo、Ishida Shunichi、Ii Satoshi、Wada Shigeo
    • 雑誌名

      Journal of The Royal Society Interface

      巻: 18 ページ: 20210554

    • DOI

      10.1098/rsif.2021.0554

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Axial and Nonaxial Migration of Red Blood Cells in a Microtube2021

    • 著者名/発表者名
      Takeishi Naoki、Yamashita Hiroshi、Omori Toshihiro、Yokoyama Naoto、Sugihara-Seki Masako
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 12 ページ: 1162~1162

    • DOI

      10.3390/mi12101162

    • 査読あり
  • [学会発表] 胸部大動脈ステント留置・バイパス接続による流路変更に伴う頸部血管系の脈波伝ぱを考慮した血流動態解析2022

    • 著者名/発表者名
      李佳龍,武石直樹,田中壽,和田成生.
    • 学会等名
      日本機械学会第32回バイオフロンティア講演会
  • [学会発表] 自発呼吸を考慮した三次元呼吸回路デバイス内の数値流体解析と 呼気終末陽圧評価2022

    • 著者名/発表者名
      蔭山紫織, 武石直樹, 妙中浩紀,吉田健史,和田成生
    • 学会等名
      日本機械学会第32回バイオフロンティア講演会
  • [学会発表] 無針注射を想定した薬液の高速射出の数値解析:真皮層内の分布予測2022

    • 著者名/発表者名
      千田衣織, 武石直樹, 大谷智仁, 和田成生
    • 学会等名
      日本機械学会関西学生会2021年度卒業研究発表講演会
  • [学会発表] メゾスコピックモデルによるフィブリン凝集塊の力学特性の評価2022

    • 著者名/発表者名
      大島直丈, 武石直樹, 大谷智仁, 和田成生
    • 学会等名
      日本機械学会関西学生会2021年度卒業研究発表講演会
  • [学会発表] Suspension rheology of red blood cells under oscillatory shear flow2021

    • 著者名/発表者名
      Naoki Takeishi, Marco E Rosti, Naoto Yokoyama, Shigeo Wada, Luca Brandt.
    • 学会等名
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Stability of a red blood cell in a narrow rectangular microchannel2021

    • 著者名/発表者名
      Naoki Takeishi, Hiroaki Ito, Shigeo Wada.
    • 学会等名
      25th ICTAM2020+1
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical analysis of the inertial migration of the red blood cell in a channel2021

    • 著者名/発表者名
      Naoki Takeishi, Hiroshi Yamashita, Naoto Yokoyama, Masako Sugihara-Seki, Shigeo Wada.
    • 学会等名
      ESCHM-ISCH-ISB 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] 振動流下における赤血球濃厚懸濁液の数値解析2021

    • 著者名/発表者名
      武石直樹, Marco E Rosti, 横山直人, 和田成生, Luca Brandt.
    • 学会等名
      日本流体力学会年会
  • [学会発表] 無心注射による薬剤送達技術の確立に向けた真皮層中の薬液流れの数値解析2021

    • 著者名/発表者名
      武石直樹, 堀川健介, 横山直人, 和田成生.
    • 学会等名
      日本機械学会2021年度年次大会
  • [学会発表] 片肺欠損を伴う先天性気管狭窄患者の気管内気流解析と評価2021

    • 著者名/発表者名
      武石直樹, 蔭山紫織, 谷口香緒, 森田圭一, 和田成生.
    • 学会等名
      第29回バイオフィジオロジー研究会
  • [学会発表] Numerical analysis of lipid bilayer under oscillatory deformation using 2D fluid membrane model2021

    • 著者名/発表者名
      Masaya SANTOU, Naoki TAKEISHI, Naoto YOKOYAMA, Tomohiro Ohtani, Shigeo WADA
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] 二次元流体膜モデルを用いた脂質二重膜の粘弾性評価2021

    • 著者名/発表者名
      山頭 雅也, 横山 直人, 武石 直樹, 大谷 智仁, 和田 成生
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2021
  • [学会発表] DEVELOPMENT OF A COMPUTATIONAL PLATFORM TO EVALUATE A POSITIVE END-EXPIRATORY PRESSURE IN POSTOPERATIVE PATIENTS WITH TRACHEOSTOMY2021

    • 著者名/発表者名
      S. Kageyama, N. Takeishi, H. Taenaka, T. Yoshida, S. Wada
    • 学会等名
      Summer Biomechanics, Bioengineering and Biotransport Conference (SB3C2021)
    • 国際学会
  • [図書] 医用工学ハンドブック2022

    • 著者名/発表者名
      佐久間 一郎、秋吉 一成、津本 浩平
    • 総ページ数
      544
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4860437350
  • [備考] 個人ウェブサイト

    • URL

      http://naoki-takeishi.sakura.ne.jp/jp/home.html

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公開日: 2022-12-28  

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