生体情報・治療システム研究部門
メンバー
| 教授 | 川内聡子（医博・工博） |
| 学内講師 | 角井泰之（工博） |
| 助教 | 杉山夏緒里（人間生物学） |
| 客員研究員 | 西館泉（東京農工大学） |
| Ibolja Cernak（Thomas F. Frist, Jr. College of Medicine, Belmont University） | |
| 水足邦雄（東京女子医科大学附属足立医療センター 耳鼻咽喉科） | |
| 栗岡隆臣（北里大学 耳鼻咽喉科・頭頸部外科） |
研究目的・方針
光・レーザーの多様・多才な生体作用を活用し，大規模災害・テロ・有事等において多発が想定される各種外傷患者，戦傷病患者の救命，ならびにQOL（生活の質）の向上を目的とした診断・治療技術，さらに特殊環境下における自衛隊員等の安全確保を目的とした生体モニタリング技術の実用化を目指した研究を推進します。これら目的達成のため，積極的に学内の講座等，自衛隊の関係部署，米軍等との連携に取り組みます。
主要研究テーマ
- ⑴ 熱傷診断・治療技術の開発
- ① 光音響イメージング法を用いた熱傷深度診断法の開発
- ② 移植用三次元皮膚培養技術の開発
- ⑵ 創部感染制御・生体除染技術の開発 • 光線力学効果に基づく創部感染治療
- ⑶ レーザー誘起衝撃波を用いた頭部爆傷の研究 爆発物を用いたテロや攻撃の多発により，爆発に起因する頭部外傷（bTBI: blast-induced traumatic brain injury）が米国を中心に大きな社会問題となっています。その特徴は，急性期に軽症と診断されながら，慢性期に高次脳機能障害,片頭痛，睡眠障害，さらにうつ，不安等の精神症状を高率に来すことにあり，心的外傷後ストレス障害（PTSD）との関連も指摘されています。これらの症状は，爆発に伴う衝撃波の脳への作用が原因と考えられていますが，bTBIの病態，メカニズムには不明な点が多く，医学対処法が確立していません。
図1 光音響法による熱傷深度診断の原理
その後実用化を目指した橋渡し研究を進め，2013年に臨床用プロトタイプ機を試作しました。また装置の小型・低コスト化，高性能化を図るため，光源としてLED（発光ダイオード）を用いる方式の光音響診断法（Y. Tsunoi et al., Wound Rep. Reg., 2022）についても研究を行っています。
図2 三次元皮膚の培養
図3 三次元培養皮膚に対するPBMを
行っている様子
その一つが光生体調節作用（PBM: photobiomodulation，図3）の応用です。生体組織に可視から近赤外領域の特定波長の低強度の光を照射すると，ミトコンドリアの電子伝達反応が促進され，ATP（アデノシン三リン酸）や活性酸素の生成等が促進されます（PBM）。私達はこのPBMを培養組織のバイアビリティー向上（Y. Tsunoi et al., Photochem Photobiol, 2022）や分化促進に応用し，本技術に基づく細胞培養装置について特許を取得しました（特許第 6956340 号，2021）。 また，三次元皮膚培養は多孔質のメンブレン（膜）上で行われますが，培養した皮膚を移植のためにメンブレンから剥離すること，および剥離した柔らかい皮膚をハンドリングすることが難しいという問題がありました。そこで私達は，生分解性材料と超短パルスレーザーによる微細加工技術を用いて，メンブレンごと移植可能な，生分解性多孔質メンブレンを用いた培養・移植技術の開発を進めています。同メンブレンを用いて実際に皮膚培養を行い，移植が行えることを確認しており（Y. Tsunoi et al., Tissue Eng.: Part A, 2023），実用化が期待されます。
重症熱傷などの重症外傷においては，急性期の救命に成功しても，慢性期の創部感染に起因して敗血症に至ると死亡率が高く，特に感染が薬剤耐性菌に由来する場合は有効な治療法が存在しません。そこで私達は，薬剤耐性菌にも有効性が期待される光線力学的治療（PDT: photodynamic therapy）に着目し，創部感染に起因する敗血症を予防するための技術開発を目指しています。PDTは光感受性薬剤を光励起し，薬剤分子の励起エネルギーを生体組織中の溶存酸素に移乗させて一重項酸素を生成し，その酸化力によって殺細胞効果を得る治療法であるため，薬剤耐性菌に対しても有効です。また細菌を薬剤や免疫細胞から保護する働きをするバイオフィルムを不活性化する効果も知られています（R. R. Sarker et al., Photochem Photobiol, 2021）。しかしPDTを敗血症の予防に応用した例はありませんでした。
図4 ラット熱傷感染創部に対するPDT
図5 ラット頭部へのLISW適用
図6 ラット脳のマルチスペクトル
イメージング実験(S. Kawauchi et
al., J Biomed Opt, 2019)
そもそも，脳が衝撃波に曝露したときに起きる現象に関する報告は全くありませんでしたが，私達はラット頭部にLISWを適用して脳で起きる現象をリアルタイム観測した結果（図6），大脳皮質において拡延性脱分極（神経細胞の集団的過興奮状態が伝搬する現象）が起き，その後，酸欠状態（低酸素血症）長時間持続することがわかりました（S. Sato et al., PLoS ONE, 2014）。
また頭蓋骨直下にある髄膜（硬膜，くも膜，軟膜），特に硬膜中の血管が損傷を受けやすく（図7），これに起因して受傷後数日から数週間にわたり，活性化したグリア細胞が損傷部位に集積する現象（グリア瘢痕）を観測しました（S. Kawauchi et al., J Neurotrauma, 2024）。グリア瘢痕は，bTBI受傷者（人）の死後脳で観測されている重要な病態あり，これを模擬することに成功したことから，このモデルを用いた治療実験を開始しています。
図7 LISWを適用したラットの髄膜損傷
業績(令和５年度)
原著論文（欧文）
学会発表（国外）
学会発表（国内）
