サブナノ秒パルスによる非熱平衡プラズマの形成とその医療応用

利用亚纳秒脉冲形成非热平衡等离子体及其医学应用

基本信息

批准号：
11J06997
负责人：
八木一平
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J06997/
关键词：
プラズマ医療応用癌治療化学的活性種計測細胞生存率マウス動物実験パルスパワー電源プラズマ医療プラズマ-生体相互作用ガン治療マウス線維芽細胞アポトーシスの誘導極短パルス高電圧非熱的低温プラズマ大気圧放電

项目摘要

研究背景 : 非熱平衡プラズマは化学的活性種の生成場であり, これを生体に曝すことで抗癌作用や止血・創傷治癒に代表される医療効果が報告されている。医療効果の原因はプラズマ中の活性種であると考えられているが, その作用機構は未解明な部分が多く, 医療効果の最適化や実用化の壁となっている。非熱平衡プラズマの形成 : 本研究は, ナノ秒パルスプラズマと呼ぶ新たな方式を提案し, 高速なスイッチング電源の開発により非熱平衡プラズマの発生を実現した。この発生方式は, 従来法と異なり放電ガスを選ばないため, 生成される活性種の種類と発生量を幅広く変更することが出来る。また, 金属電極を誘電体の被覆なしで使用できるため, 複雑な電極構造やワイヤー上のコンパクトな設計が可能となり, 内視鏡や電気メスなど既存デバイスへの適用が比較的容易にできるという特徴を持つ。癌細胞・マウス腫瘍へのプラズマ照射効果の検証 : 本プラズマ源の医療効果を検証するため, 皮膚癌細胞とマウス腫瘍モデルによる実験を行った。皮膚癌細胞に対して, 癌治療に有用だと考えられるアポトーシス細胞死を誘導することが分かった。マウスの皮膚腫瘍に5日間連続でプラズマ照射するで, 一定程度の抗癌作用が得られた。以上より, 独自のプラズマ発生方式を提案し, その治療効果を細胞・動物レベルで証明した。動物細胞への活性種の影響 : 照射対象から蒸散した水分の2次元分布をレーザー誘起蛍光法(LIF)により計測し, 活性種の生成に影響を与える対象表面の湿度をガス流速により制御した。生体作用が強いと考えられる酸素原子O(3P), ヒドロキシルラジカルOH(X^2P), 一酸化窒素NO(X^2P)をHF法により計測し, これらが細胞の生存率に与える影響を評価した。その結果, 放電ガスの酸素濃度よりも対象表面の湿度環境に依存して生細胞数が減少しており, 特にOHの投入量に相関がみられた。このように活性種と生体効果を定量的に議論した研究は世界初である。

研究背景：非热平衡等离子体是化学活性物种的生产地点，其医疗作用（例如抗癌作用，止血和伤口愈合）在暴露于活生物体时。据信，医学效应的原因是血浆中的活性物种，但作用机理尚不清楚，这是对医学效应的优化和实际应用的障碍。非热平衡等离子体的形成：这项研究提出了一种称为纳秒脉冲等离子体的新方法，通过开发高速开关电源，实现了非热平衡等离子体的产生。与常规方法不同，此一代方法不选择排放气体，因此可以广泛更改生成的活性物种的类型和数量。此外，可以在没有介电涂层的情况下使用金属电极，从而可以在电线上进行复杂的电极结构和紧凑的设计，从而使其相对容易应用于内窥镜和电镜手术刀等现有设备。验证血浆辐照对癌细胞和小鼠肿瘤的影响：为了验证该血浆源的医疗作用，使用皮肤癌细胞和小鼠肿瘤模型进行了实验。已经发现，它诱导凋亡细胞死亡，这被认为对癌症治疗有用，可诱导皮肤癌细胞。连续五天用血浆照射小鼠时，可以达到一定程度的抗癌作用。基于上述，我们提出了一种独特的等离子体生成方法，并在细胞和动物水平上证明了其治疗作用。活性物种对动物细胞的影响：通过激光诱导的荧光（LIF）测量从受辐照受试者蒸发的水的二维分布，而靶表面的湿度（影响活性物种的产生）受气流速控制。通过HF方法测量了氧原子O（3p），羟基自由基OH（X^2p）和一氧化氧化物NO（X^2p），它们被认为具有很强的生物学作用，并通过HF方法进行了测量，并评估了这些氧气对细胞存活率的影响。结果，活细胞的数量减少了，具体取决于目标表面的湿度环境，而不是排放气体的氧气浓度，并且与OH输入的量特别相关。这是世界上关于活性物种和生物学作用的定量讨论的首次研究。