パルスパワーの生体への作用解明と応用展開

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25289076
• 研究機関: 熊本大学
• 研究代表者: 秋山 秀典 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (50126827)
• 研究分担者: 勝木 淳 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (80233758) ; 矢野 憲一 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (70311230) ; ホセイニ ハミドレザ 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (00543406) ; 浪平 隆男 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 准教授 (40315289) ; 佐久川 貴志 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (40398186) ; 王 斗艶 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 准教授 (30508651)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: パルスパワー / バイオエレクトリクス

研究実績の概要

パルス幅がナノ秒と短い大電力をパルスパワーと呼び、単発でのエネルギーは10Ｊと極小である。このパルスパワーを生体に印加することにより、皮膚がんの消滅や傷の回復（医療分野）、アオコの処理（水環境）、柔らかい高齢者用食品（健康福祉）、藻類からの油分離（エネルギー）、植物工場や魚養殖工場（農漁業）等、多くの重要な研究がなされており、この新しい異分野融合型の研究領域をバイオエレクトリクスと名付けている。パルスパワーの生体への作用の解明と応用展開を目指して、世界トップレベルの15機関でBioelectrics 国際コンソーシアムを形成している。本研究目的は、バイオエレクトリクスに特化した全固体素子を用いたパルスパワー技術の新展開とパルスパワーの生体への作用の解明である。さらに、本基盤研究の遂行とともに、Bioelectrics 国際コンソーシアム各機関との共同研究を通した応用研究の展開につなげる。
平成26年度は、半導体オープニングスイッチを用いて立ち上がり時間が1ナノ秒のパルスパワー発生装置の製作を行うと共に、パルスパワーの細胞へのストレス作用等細胞への作用（分子機構）をある程度解明した。さらに、パルスパワーの固体への作用解明も進み、超臨界プラズマ反応装置の性能試験などのパルスパワー利用機器の性能試験も進んだ。バイオエレクトリクス国際コンソーシアム機関との共同研究推進も着実に進んだ。

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

平成26年度の研究計画として記述した、高機能サブナノ秒パルスパワー発生装置の開発、細胞へのストレス応答の解明、植物の成長促進機構の解明、非加熱調理器の性能試験、及びバイオエレクトリクス国際コンソーシアム機関との共同研究推進の目的をおおむね達成した。

今後の研究の推進方策

当初計画通り、平成27年度は、下記項目の研究を実施する。
１．がん細胞のアポトーシス誘導機構解明：パルス電界をがん細胞に印加することにより、ネクローシスとアポトーシスが起こっている。その相違を明らかにする。
２．植物の成長促進機構の解明：パルスパワーが直接植物に影響するのか、周囲環境である水に変化を起こして成長促進をするのかを調べる。
３．非侵襲がん治療装置の性能試験：現在のバースト高周波では電界強度が小さくがん細胞への影響がないことが分かってきたので、高出力のバースト高周波発生装置を開発する。
４．バイオエレクトリクス国際コンソーシアム機関との共同研究推進：色々なグループとコンタクトを取り、並行して複数の共同研究を実施する。

研究成果

• [雑誌論文] In vivo effects of focused shock waves on tumor tissue visualized by fluorescence staining techniques (2015)
  • 著者名/発表者名: Lukes, P., Zeman, J., Horak, V., Hoffer, P., Pouckova, P., Holubova, M., Hosseini, S.H.R., Akiyama, H., Sunka, P., Benes, J.
  • 雑誌名: Bioelectrochemistry 巻: 103 ページ: 103-110
  • DOI: 10.1016/j.bioelechem.2014.08.019
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical observations of post-discharge phenomena of laser-triggered discharge produced plasma for EUV lithography (2015)
  • 著者名/発表者名: Soowon Lim, Seiya Kitajima, Peng Lu, Takashi Sakugawa, Hidenori Akiyama, Sunao Katsuki and Yusuke Teramoto
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 54 ページ: -
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.01AA01
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Investigation of Preionization Effects in Atmospheric Pulsed Discharge (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sakugawa, T. Iwaishi, S.H.R. Hosseini, H. Akiyama
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 42 ページ: 3633-3638
  • DOI: 10.1109/TPS.2014.2333053
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Investigation on recovery of gap insulation strength and EUV radiation in the post-discharge stage of a laser-triggered discharge produced tin plasma EUV source (2014)
  • 著者名/発表者名: P. Lu, S. Kitajima, S. Lim, S. Katsuki, H. Akiyama and Y. Teramoto
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 47 ページ: -
  • DOI: 10.1088/0022-3727/47/43/435205
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Study of Hydrogen Peroxide Generation by Water Surface Discharge (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshihara, Ruma, S.H.R. Hosseini, T. Sakugawa, H. Akiyama
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 42 ページ: 3226-3230
  • DOI: 10.1109/TPS.2014.2345074
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Characteristics of Shock Waves Generated by a Negative Pulsed Discharge in Supercritical Carbon Dioxide (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Tanoue, T. Furusato, K. Takahashi, S.H.R. Hosseini, S. Katsuki, H. Akiyama
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 42 ページ: 3258-3263
  • DOI: 10.1109/TPS.2014.2345435
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Two Successive Shock Waves Generated by Underwater Pulse Electric Discharge for Medical Applications (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Oshita, S.H.R. Hosseini, K. Mawatari, S.M. Nejad, H. Akiyama
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 42 ページ: 3209-3214
  • DOI: 10.1109/TPS.2014.2328096
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of Underwater Streamer Discharges Produced by Pulsed Power Using High-Speed Camera (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Akiyama, Yang. Zhibo, S. Gnapowski, S.H.R. Hosseini, H. Akiyama
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 42 ページ: 3215-3220
  • DOI: 10.1109/TPS.2014.2338353
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Growth Control of Leaf Lettuce Using Pulsed Electric Field (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sonoda, N. Takamura, Wang Douyan, T. Namihira, H. Akiyama
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 42 ページ: 3202-3208
  • DOI: 10.1109/TPS.2014.2326599
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Properties of water surface discharge at different pulse repetition rates (2014)
  • 著者名/発表者名: Ruma, S. H. R. Hosseini, K. Yoshihara, M. Akiyama, T. Sakugawa, P. Lukes and H. Akiyama
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 116 ページ: -
  • DOI: 10.1063/1.4896266
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Shock wave interaction with interfaces between materials having different acoustic impedances (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Hosseini, S. Moosavi-Nejad, H. Akiyama and V. Menezes
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 104 ページ: -
  • DOI: 10.1063/1.4867883
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Prebreakdown process of a negative nanosecond pulsed discharge in supercritical carbon dioxide (2014)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Furusato, Hiroyuki Tanoue, Sunao Katsuki, Masanori Hara and Hidenori Akiyama
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 7 ページ: -
  • DOI: 10.7567/APEX.7.026201
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Post-breakdown dielectric recovery characteristics of high-pressure liquid co2 including supercritical phase (2014)
  • 著者名/発表者名: Z.B. Yang, S.H.R. Hosseini, T. Kiyan, S. Gnapowski, H. Akiyama
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 巻: 21 ページ: 1089-1094
  • DOI: 10.1109/TDEI.2014.6832252
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Different involvement of extracellular calcium in two modes of cell death induced by nanosecond pulsed electric fields (2014)
  • 著者名/発表者名: Keiko Morotomi-Yano, Hidenori Akiyama, Ken-ichi Yano
  • 雑誌名: Archives of Biochemistry and Biophysics 巻: 555-556 ページ: 47-54
  • DOI: 10.1016/j.abb.2014.05.020
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] パルスパワー用シングルチョッパ方式超小型キャパシタ充電回路 (2014)
  • 著者名/発表者名: 梶原 泰治, 境 健太, 佐久川 貴志, 秋山 秀典
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ａ（基礎・材料・共通部門誌） 巻: 134 ページ: 211-216
  • DOI: 10.1541/ieejfms.134.211
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A Method of Cyanobacteria Treatment Using Underwater Pulsed Streamer-Like Discharge (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sakugawa, N. Aoki, H. Akiyama, K. Ishibashi, M. Watanabe, A. Kouda, K. Suematsu
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 42 ページ: 794-798
  • DOI: 10.1109/TPS.2014.2303512
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] パルス高電界を印加した動物細胞の即時応答 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大田 美由紀
  • 学会等名: 平成27年電気学会全国大会
  • 発表場所: 東京都市大学, 東京都世田谷
  • 年月日: 2015-03-24 – 2015-03-26
• [学会発表] 電熱加速型パルスプラズマスラスタにおけるパルス用波数が及ぼす影響の調査 (2015)
  • 著者名/発表者名: 江畑 雄大
  • 学会等名: 宇宙輸送シンポジウム
  • 発表場所: JAXA宇宙科学研究所, 神奈川県相模原市
  • 年月日: 2015-01-16 – 2015-01-17
• [学会発表] Effect of Current Pulse Rise Time on Characteristics of Laser-Triggered Discharge Plasma (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 秀原
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部第18回支部大会
  • 発表場所: 福岡県春日市
  • 年月日: 2014-12-20 – 2014-12-21
• [学会発表] Calcium-dependent cellular responses to nanosecond pulsed electric fields (2014)
  • 著者名/発表者名: 矢野 憲一
  • 学会等名: 11th International Bioelectrics Symposium
  • 発表場所: Missouri, アメリカ
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-16
• [学会発表] Mechanisms of shock wave-induced traumatic brain injury: Experimental and analytical evaluations (2014)
  • 著者名/発表者名: ホセイニ セイド ハミド レザ
  • 学会等名: 11th International Bioelectrics Symposium
  • 発表場所: Missouri, アメリカ
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-16
• [学会発表] Influence of pulsed power discharges in water on plants， fishes， foods and Bacteria (2014)
  • 著者名/発表者名: 秋山 秀典
  • 学会等名: 11th International Bioelectrics Symposium
  • 発表場所: Missouri, アメリカ
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-16
  • 招待講演
• [学会発表] Behavior of Proteins Under Non-thermal Large Electric Fields (2014)
  • 著者名/発表者名: 勝木 淳
  • 学会等名: 11th International Bioelectrics Symposium
  • 発表場所: Missouri, アメリカ
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-16
• [学会発表] Shock wave driven needle-less syringe (2014)
  • 著者名/発表者名: ホセイニ セイド ハミド レザ
  • 学会等名: The Fourth Asian Conference on Mechanics of Functional Materials and Structures
  • 発表場所: Nara Prefectural New Public Hall, 奈良市
  • 年月日: 2014-10-10 – 2014-10-13
• [学会発表] 液体及び超臨界二酸化炭素内における絶縁回復過程調査 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田上 裕之
  • 学会等名: 平成26年度（第67回）電気・情報関係学会九州支部連合大会
  • 発表場所: 鹿児島大学工学部, 鹿児島市
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-19
• [学会発表] 水面上放電における導電率の影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 吉原 和希
  • 学会等名: 平成26年度（第67回）電気・情報関係学会九州支部連合大会
  • 発表場所: 鹿児島大学工学部, 鹿児島市
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-19
• [学会発表] 電熱加速型パルスプラズマスラスタにおける電源周波数の影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 江口 丈太郎
  • 学会等名: 平成26年度（第67回）電気・情報関係学会九州支部連合大会
  • 発表場所: 鹿児島大学工学部, 鹿児島市
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-19
• [学会発表] バースト電磁波とナノ秒パルス電界のガン細胞への影響調査 (2014)
  • 著者名/発表者名: 杉本 賢二郎
  • 学会等名: 平成26年度（第67回）電気・情報関係学会九州支部連合大会
  • 発表場所: 鹿児島大学工学部, 鹿児島市
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-19
• [学会発表] パルス高電界と温熱の併用による液体の低温殺菌 (2014)
  • 著者名/発表者名: 馬場 一磨
  • 学会等名: 平成26年度（第67回）電気・情報関係学会九州支部連合大会
  • 発表場所: 鹿児島大学工学部, 鹿児島市
  • 年月日: 2014-09-18 – 2014-09-19
• [学会発表] STUDY OF WATER TREATMENT BY USING UNDERWATER PULSED DISCHARGE PLASMA (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐久川 貴志
  • 学会等名: 2014 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference
  • 発表場所: Santa Fe, アメリカ
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-05
• [学会発表] A STUDY ON THE CAPACITOR CHARGER USING A VARIABLE FREQUENCY INVERTER FOR HIGH REPETITIVE PULSED POWER MODULATOR (2014)
  • 著者名/発表者名: 梶原 泰治
  • 学会等名: 2014 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference
  • 発表場所: Santa Fe, アメリカ
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-05
• [学会発表] LIQUID STERILIZATION USING INTENSE ELECTRICAL PULSES COMBINED WITH THERMAL POSTTREATMENT (2014)
  • 著者名/発表者名: 梶原 大河
  • 学会等名: 2014 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference
  • 発表場所: Santa Fe, アメリカ
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-05
• [学会発表] OBSERVATION OF STREAMER PROGRESS， BUBBLE PRODUCTION，SHOCK WAVE GENERATION AND BUBBLE EXTINCTION IN UNDERWATER STREAMER DISCHARGES (2014)
  • 著者名/発表者名: 秋山 雅裕
  • 学会等名: 2014 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference
  • 発表場所: Santa Fe, アメリカ
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-05