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2022 年度 実績報告書

放射線照射後の酸素環境がもたらす細胞生存応答機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 22H03032
配分区分補助金
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

平山 亮一  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 重粒子線治療研究部, 主幹研究員 (90435701)

研究分担者 平野 祥之  名古屋大学, 医学系研究科(保健), 准教授 (00423129)
野口 実穂  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 主幹研究員 (40455283)
小西 輝昭  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 主幹研究員 (70443067)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
キーワード放射線 / 重粒子線 / 無酸素環境下での細胞培養 / DNA断片 / 微小核形成
研究実績の概要

本研究では、放射線照射後の酸素環境の違いによる細胞生存にまつわる応答機構を明らかにするため、放射線誘発DNA損傷の修復過程や染色体形成異常における低酸素の影響を調べ、放射線照射後の酸素環境が細胞の生死とどのような関係があるかを明らかにし、もう一つの“照射後の酸素効果”に着目する。さらに、放射線の線質を変えることで、異なる初期損傷を誘発し、その損傷に対する低酸素環境下での細胞応答も明らかにすることで、放射線治療効果を向上させる酸素を使った新たな治療戦略を提案するための新知見を見いだすことを目標としている。
2022年度は、放射線抵抗性を引き起こす無酸素環境下(0%酸素濃度)で放射線を照射し、継続して無酸素環境下でのDNA断片の修復動態と微小核形成を指標とした染色体異常頻度を調べた。比較対照群としては、低酸素下での放射線照射後、大気環境下(21%酸素濃度)でのDNA断片の修復動態と染色体異常頻度を調べた。X線照射において、照射後の無酸素環境下ではDNA断片の修復効率は低下し、高LETのAr線においても同様の結果を示した。一方、微小核形成を調べると、X線やAr線照射後の無酸素下での培養で、微小核形成の頻度が大気下培養よりも低下していることがわかった。
つまり、無酸素環境下はDNA断片における修復効率を低下させる効果を見せる一方、染色体異常である微小核形成を抑制させる効果があることがわかった。異なる生物エンドポイントにおいて、無酸素による生物効果もしくは無酸素に対する生物応答の違いが観察されたことから、放射線の生物効果における酸素の関与は放射線照射時のみならず照射後においても重要な役割があることを示唆する結果を得た。

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

2022年度では、X線や重粒子線照射に対する定電圧電気泳動法を用いたDSBの定量評価および修復効率を調べ終えることが出来た。また、微小核形成を指標にした染色体異常のエンドポイントについても、概ねデータの取得に成功したが、重粒子線のマシンタイムが年々減少しているため、少ないマシンタイムでの効果的なデータ取得を目指している。
DNA損傷や染色体異常を指標した実験では、DNA修復の関与を調べるため予備的ではあるが、DNA修復欠損細胞におけるデータ取得を始め、実験系として確立させることが出来た。次年度はDNA修復の関与についても調査していく予定である。
低酸素環境下での長期細胞培養を実現させるため、1%酸素濃度にコントロールした低酸素ワークステーションおよび低酸素インキュベータによる培養細胞の予備的実験を開始した。1%酸素環境下での培養および長期飼育できる実験条件を決めることが出来、次年度以降、短期間の無酸素実験に加え、長期間での低酸素環境下での実験も行えるようになった。低酸素の指標としてHIF1αの発現を調べ、ハムスター細胞、マウスがん細胞ならびにヒトがん細胞で大気環境下では定量が難しいHIF1αの発現をウエスタンブロットで確認した。

今後の研究の推進方策

微小核形成を指標にした染色体異常のエンドポイントについても、概ねデータの取得に成功したが、統計的な評価を行うまでには至っていないため、2年目も継続して調査を行う予定である。当初予定していた、二動原体染色体異常についても継続してデータ取得に努める予定である。X線実験を中心に、無酸素環境下での培養細胞のDNA修復動態のメカニズム解明を進める目的で、DNA修復欠損細胞を使った実験を始める予定である。候補として、今まで用いてきたCHO細胞を親株とする非相同末端結合(NHEJ)欠損細胞2種類と相同組換え(HR)欠損細胞2種類に加え、ワイルドタイプをもう1種類加えて実験を行う予定である。
低酸素ワークステーションおよび低酸素インキュベータでの予備運転を踏まえ、放射線照射前・後の低酸素(1%酸素)環境下での培養を試み、コロニー形成法による放射線感受性の調査を開始する。照射前・中・後を1%酸素で保ちつつデータ取得に必要な条件設定を行いながら進めていく予定である。合わせて低酸素ストレスに対する細胞内分子変化についても着目し、DNA損傷修復や細胞周期などの放射線感受性因子のタンパク発現等を分子生物学的手法によって明らかにしていく予定である。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (2件) 学会発表 (7件) (うち招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Institut Curie/Universite Paris-Saclay(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Institut Curie/Universite Paris-Saclay
  • [国際共同研究] ANSTO(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      ANSTO
  • [雑誌論文] 重粒子線誘発フリーラジカルの細胞への影響2023

    • 著者名/発表者名
      平山亮一
    • 雑誌名

      化学工業

      巻: 74 ページ: 116-119

  • [雑誌論文] 低酸素環境下における光子ならびに重粒子放射線が与える生物効果の機構解明2023

    • 著者名/発表者名
      平山亮一
    • 雑誌名

      RADIOISOTOPES

      巻: 72 ページ: 1-8

    • DOI

      10.3769/radioisotopes.72.1

  • [学会発表] 酸素を使った放射線治療生物研究2023

    • 著者名/発表者名
      平山亮一
    • 学会等名
      第23回菅原・大西記念癌治療増感研究シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 重粒子線および超高線量率照射におけるフリーラジカルの役割2022

    • 著者名/発表者名
      平山亮一、鵜澤玲子、髙野勇貴、長谷川純崇
    • 学会等名
      日本放射線影響学会第65回大会
  • [学会発表] がん組織を模擬した低酸素培養環境下における放射線生物影響2022

    • 著者名/発表者名
      小泉凱也、澤田陽加、平山亮一、伊藤敦、吉田茂生
    • 学会等名
      関東・甲越支部「第 16 回学生研究発表会 -原子力・放射線分野-」
  • [学会発表] 低酸素下での放射線誘発DNA損傷に対する修復時における酸素影響に関する基礎研究2022

    • 著者名/発表者名
      平山亮一、鵜澤玲子、長谷川純崇
    • 学会等名
      日本放射線腫瘍学会第59回生物部会学術大会
  • [学会発表] X線ならびに高LET放射線におけるDNA断片化とその修復における低酸素の影響2022

    • 著者名/発表者名
      平山亮一、鵜澤玲子、髙野勇貴、劉翠華、平野祥之、野口実穂、小西輝昭、長谷川純崇
    • 学会等名
      日本量子医科学会第2回学術大会
  • [学会発表] 酸素環境におけるDNA誤修復とLET依存性2022

    • 著者名/発表者名
      髙野勇貴、平山亮一、鵜澤玲子、長谷川純崇
    • 学会等名
      日本量子医科学会第2回学術大会
  • [学会発表] Biological responses are altered when mouse kidney cells are cultured in different oxygen concentrations after radiations2022

    • 著者名/発表者名
      Cuihua Liu, Hirakawa Hirokazu, Hirayama Ryoichi, Fujimori Akira
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会年会
  • [備考] 重粒子線治療研究部 - 量子科学技術研究開発機構

    • URL

      https://www.qst.go.jp/site/qms/1885.html

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公開日: 2023-12-25  

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