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产生化学活性物质的领域，当接触到生物体时，已经报道了抗癌作用、止血作用和伤口愈合等医疗作用。尽管血浆中的活性物质被认为是产生医疗效果的原因，但其作用机制的许多方面仍不清楚，这阻碍了优化医疗效果并将其投入实际应用。非热平衡等离子体的形成：在本研究中，我们提出了一种称为纳秒脉冲等离子体的新方法，并通过开发高速开关电源实现了非热平衡等离子体的产生。与传统方法不同，这种生成方法不选择放电气体，因此生成的活性物质的类型和数量可以在很宽的范围内变化。此外，由于金属电极可以在没有介电涂层的情况下使用，因此可以实现复杂的电极结构和紧凑的电线设计，使其相对容易应用于内窥镜和电动手术刀等现有设备。验证等离子体照射对癌细胞和小鼠肿瘤的效果：为了验证该等离子体源的医疗效果，我们使用皮肤癌细胞和小鼠肿瘤模型进行了实验。研究发现它会诱导皮肤癌细胞凋亡，这被认为对癌症治疗有用。连续5天对小鼠皮肤肿瘤进行等离子体照射，产生了一定的抗癌作用。基于上述，我们提出了一种独特的血浆生成方法，并在细胞和动物水平上证明了其治疗功效。活性物种对动物细胞的影响：利用激光诱导荧光（LIF）测量从照射目标蒸发的水的二维分布，并通过控制影响活性物种产生的目标表面的湿度气体流量。采用HF法测定了被认为具有较强生物效应的氧原子O(3P)、羟自由基OH(X^2P)和一氧化氮NO(X^2P)，并得出它们对细胞存活率的影响评价了。结果，与放电气体的氧浓度相比，活细胞的数量更多地取决于目标表面的湿度环境，并且特别观察到与OH输入量的相关性。这是世界上第一项定量讨论活性物种和生物效应的研究。