| 研究課題/領域番号 |
20H04544
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
鶴岡 典子 東北大学, 工学研究科, 助教 (70757632)
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| 研究分担者 |
芳賀 洋一 東北大学, 医工学研究科, 教授 (00282096)
永富 良一 東北大学, 医工学研究科, 教授 (20208028)
川副 友 東北大学, 医学系研究科, 助教 (70405421)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 微小還流針 / 乳酸センサ / 連続計測 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、皮膚微小還流を応用し、乳酸濃度の連続測定を可能とする。さらに、これまで数分毎の計測からしか推定できなかった、マウスおよびヒト運動時の乳酸濃度動態を明らかとすることを目的とする。
開発する乳酸計測システムは、極細径で痛みのない針を1 mm程度の浅い皮膚に刺入しただけで計測が可能なため、生活習慣病予防のための運動の習慣化に役立つだけでなく、術後の虚血モニタや敗血症の兆候モニタなどにも応用が期待される。
本研究では、非観血的な乳酸連続計測を目指し、皮膚微小還流による計測システムを完成させ、運動時の乳酸濃度動態を明らかとする。具体的には ①連続乳酸計測システムの作製と性能評価、② マウス腹腔乳酸投与前後での乳酸濃度変動計測による血中乳酸濃度との相関性評価、③ マウス運動時の連続乳酸濃度計測、④ ヒト運動時の乳酸濃度計測の4つの項目を行っていく。これと同時に、運動負荷計測の応用だけでなく、虚血のモニタや敗血症防止、筋中乳酸計測への応用など本研究の展開を模索する。
本年度はこれらの中で①連続乳酸計測システムの作製と性能評価について開発を進めた。従来作製してきたシステムでは、微小還流針や流路接続部などから還流液に気泡が混入してしまうため、センサ測定値にドリフトが生じ正確な連続濃度計測が困難であった。このため、乳酸濃度酵素電極に気泡除去機構を一体化したセンサを作製し、十分に気泡除去が可能であることを確認した。この気泡除去機構は流路壁に疎水性多孔質膜を用いたシンプルな構造で安価で作製でき使い捨ても可能となる。このようなシンプルな構造でも十分に気泡の除去は可能であるものの、除去時にセンサ上の流速が変化してしまうため、測定値に影響が出る可能性があることが明らかとなった。今後はこの流速変化に対する対策を進めるとともに、他のシステム要素と組み合わせた際の性能評価および動物での連続計測を目指す。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究では、非観血的な乳酸連続計測を目指し、皮膚微小還流による計測システムを完成させ、運動時の乳酸濃度動態を明らかとする。具体的には ①連続乳酸計測システムの作製と性能評価、② マウス腹腔乳酸投与前後での乳酸濃度変動計測による血中乳酸濃度との相関性評価、③ マウス運動時の連続乳酸濃度計測、④ ヒト運動時の乳酸濃度計測の4つの項目を行っていく。これと同時に、運動負荷計測の応用だけでなく、虚血のモニタや敗血症防止、筋中乳酸計測への応用など本研究の展開を模索する。計画では、本年度までに①連続乳酸計測システムの作製と性能評価を完了し、② マウス腹腔乳酸投与前後での乳酸濃度変動計測による血中乳酸濃度との相関性評価に進む予定であった。
本年度はこれらの中で①連続乳酸計測システムの作製と性能評価について開発を進めた。従来作製してきたシステムでは、微小還流針や流路接続部などから還流液に気泡が混入してしまうため、センサ測定値にドリフトが生じ正確な連続濃度計測が困難であった。このため、乳酸濃度酵素電極に気泡除去機構を一体化したセンサを作製し、十分に気泡除去が可能であることを確認した。この気泡除去機構は流路壁に疎水性多孔質膜を用いたシンプルな構造で安価で作製でき使い捨ても可能となる。このようなシンプルな構造でも十分に気泡の除去は可能であるものの、除去時にセンサ上の流速が変化してしまうため、測定値に影響が出る可能性があることが明らかとなった。
今後はこの流速変化に対する対策を進めるとともに、他のシステム要素と組み合わせた際の性能評価を生体疑似モデルおよび摘出皮膚組織を用いて行い、② マウス腹腔乳酸投与前後での乳酸濃度変動計測による血中乳酸濃度との相関性評価に進む予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、非観血的な乳酸連続計測を目指し皮膚微小還流による計測システムを完成させ、運動時の乳酸濃度動態を明らかとする。具体的には ①連続乳酸計測システムの作製と性能評価、② マウス腹腔乳酸投与前後での乳酸濃度変動計測による血中乳酸濃度との相関性評価、③ マウス運動時の連続乳酸濃度計測、④ ヒト運動時の乳酸濃度計測の4つの項目を行っていく。
①連続乳酸計測システムの作製と性能評価：これまでにシステムの一番の問題点であったセンサ部の気泡混入について基本的な構造は完成したため、今後は作製した気泡除去流路の問題点である、気泡除去中の流速変化によるセンサ測定値への影響を対策し、システム全体の一体化を進める。その後、生体疑似モデルおよび摘出皮膚を用いた性能評価を行い、マウスでの連続計測に進む。
② マウス腹腔乳酸投与前後での乳酸濃度変動計測による血中乳酸濃度との相関性評価：作製した乳酸計測システムを用いて、マウス腹腔乳酸投与時の乳酸濃度変動を計測する。これにより、微小還流により計測される乳酸濃度変動と血中濃度との相関性を確認する。具体的には、マウス背部に作製した針を刺入した状態で腹腔に投与した乳酸が代謝される様子を計測する。
③ マウス運動時の連続乳酸濃度計測：マウス背部に作製した針を固定した状態でトレッドミルに乗せ、マウス運動中の乳酸濃度変化を計測する。運動強度を変化させた場合の乳酸濃度変化を計測し、運動強度のモニタとして使用可能かを評価する。マウスはヒトに比べて代謝速度が速いことから、マウスで相関することが示せれば、作製した微小還流システムの測定速度は運動強度モニタに十分であるといえる。
④ヒト運動時の乳酸濃度計測：エアロバイクによる運動負荷試験時の乳酸濃度モニタリングを行う。腕など運動中に動かさない部位に作製した微小還流針を刺入し固定後、負荷強度を変えて運動時の乳酸濃度計測を行う。
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