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C ions based on first-principles calculations関川 卓也; 松谷 悠佑; Hwang, B.*; 石坂 優人*; 川井 弘之*; 大野 義章*; 佐藤 達彦; 甲斐 健師
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 548, p.165231_1 - 165231_6, 2024/03
被引用回数：0 パーセンタイル：0.44(Instruments & Instrumentation)放射線の人体に与える影響の主な原因として、遺伝情報を担うDNAの損傷が考えられている。しかし、DNAが放射線損傷によりどのような分子構造変化を示すかは十分理解されていない。DNAに放射線を照射すると様々な種類のDNA損傷が形成されることが報告されていることから、我々のグループではDNAが受ける損傷と放射線によって引き起こされる様々なパターンのイオン化の関係を調べてきた。これまでDNAを模した剛体モデルを用いた簡易な体系における解析を行っていたが、人体への影響を考える上で重要と考えられるDNAの分子構造変化を解析するためにはより詳細な計算を必要とする。そこで、本研究では分子構造に基づいて電子状態を議論できる第一原理計算ソフトウェアOpenMXを用いてDNAの分子構造変化を明らかにすることを試みた。具体的には、放射線により1電子及び2電子が電離した状況のDNAを仮定し、最安定構造、バンド分散、及び波動関数を計算した。発表では、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSを用いて計算した放射線の線種及びエネルギーとDNAの分子構造変化の関係とともに議論する。また、放射線物理・固体物理の双方の観点から、放射線がもたらすDNAの基礎物性変化(DNA損傷の最初期過程に相当)について議論する。
平田 悠歩; 甲斐 健師; 小川 達彦; 松谷 悠佑; 佐藤 達彦
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 547, p.165183_1 - 165183_7, 2024/02
被引用回数：0 パーセンタイル：0.02(Instruments & Instrumentation)蛍光体の粒子線に対する発光効率は消光効果により低下することが知られている。蛍光体検出器を用いて正確な線量分布を得るためには、消光効果のメカニズムを理解することが不可欠である。本研究では、PHITSに実装された任意の物質に対する飛跡構造解析モードに基づいて蛍光体の発光強度を推定する新しいモデルを開発した。開発したモデルにより、BaFBr検出器の消光効果のシミュレーションが可能となり、その結果を対応する測定データと比較することにより検証した。このモデルは、様々なの蛍光体検出器の開発に貢献することが期待される。
白石 裕太*; 松谷 悠佑; 楠本 多聞*; 福永 久典*
Physics in Medicine & Biology, 69(1), p.015017_1 - 015017_14, 2024/01
被引用回数：0 パーセンタイル：0.05(Engineering, Biomedical)超高線量率照射(
40Gy/sec)を使用するFLASH放射線療法(FLASH-RT)は、従来の高線量率(
6Gy/min)を用いた治療(CONV-RT)と比較し、正常組織の機能を温存することが期待できる新たな治療法として知られる。FLASH-RTによる照射中では、放射線飛跡間の相互作用により生じる化学過程の変調が正常組織の機能保存の主要因であることが提案されているが、化学過程の変化と細胞応答の関係性は未だ解明されていない。そこで本研究では、超高線量率照射下における化学過程と初期応答であるDNA損傷発生数の関係を考慮した予測モデル(integrated microdosimetric-kinetic (IMK) model for FLASH-RT)を開発し、細胞応答メカニズムの研究を行った。その結果、化学過程依存的に変化するDNA損傷収率を考慮した本モデルにより、さまざまな細胞株タイプに対するCONV-RTとFLASH-RTの細胞殺傷効果の実測値の再現に成功した。本成果は、FLASH-RT照射後の細胞応答メカニズムの理解と治療効果の高精度な予測に貢献することが期待される。
嵯峨 涼*; 松谷 悠佑; 小原 秀樹*; 駒井 史雄*; 吉野 浩教*; 青木 昌彦*; 細川 洋一郎*
Advances in Radiation Oncology (Internet), 9 Pages, 2024/00
放射線治療後の治療効果は腫瘍制御率という指標により評価され、臨床治験に基づき治療計画が経験的に決定されてきた。任意の放射線治療計画に対する腫瘍制御率を、細胞実験に基づいて決定するためには、腫瘍内に数から数十%含まれ、放射性抵抗性を示すがん幹細胞の存在を考慮する必要性が近年わかってきた。先行研究では、がん幹細胞を明示的に考慮したintegrated microdosimetric-kinetic(IMK)モデルを開発し、細胞実験により得られるがん細胞死と臨床の腫瘍制御率を同時に予測することに可能してきた。しかし、これまでの検証は、弘前大学病院の臨床データとの比較に留まり、他施設の臨床データとの比較検証は行っていない。そこで、本研究では、一度に大線量を処方する定位放射線療法による非小細胞肺がんの腫瘍制御率データに着目し、メタ解析により収集された公衆のデータと先行研究では開発されたIMKモデルとの比較を行った。その結果、観測された施設に関わらず、がん幹細胞を考慮したIMKモデルは臨床の腫瘍制御率をよく再現することがわかった。本研究の成果は、放射線治療効果の正確な予測技術の発展に貢献するものである。
甲斐 健師; 樋川 智洋; 松谷 悠佑; 平田 悠歩; 手塚 智哉*; 土田 秀次*; 横谷 明徳*
RSC Advances (Internet), 13(46), p.32371 - 32380, 2023/11
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Chemistry, Multidisciplinary)水の光分解・放射線分解の科学的知見は、生命科学などに幅広く利用されるが、水へのエネルギー付与の結果生じる水和電子の空間分布(スパー)の形成メカニズムは未だ良く分かっていない。スパー内に生じる水和電子、OHラジカル及びH
O
の化学反応時間は、このスパー半径に強く依存する。我々は先行研究において、特定の付与エネルギー(12.4eV)におけるスパー形成メカニズムを第一原理計算により解明した。本研究では付与エネルギーが11-19eVにおけるスパー半径を第一原理計算した。本計算のスパー半径は3-10nmであり、付与エネルギーが8-12.4eVにおける実験予測値(~4nm)と一致し、付与エネルギーの増加に伴いその半径は徐々に拡大することがわかった。本研究で得られたスパー半径は新たな科学的知見であり、放射線DNA損傷の推定などに幅広く活用されることが期待できる。
平田 悠歩; 甲斐 健師; 小川 達彦; 松谷 悠佑*; 佐藤 達彦
Japanese Journal of Applied Physics, 62(10), p.106001_1 - 106001_6, 2023/10
被引用回数：2 パーセンタイル：75.57(Physics, Applied)半導体検出器の設計を最適化するには、半導体物質内において放射線がキャリア(励起電子)に変換されるまでの過程を理論的に解析する必要がある。本研究では、任意の半導体物質に対し、放射線により生じる二次電子の挙動を極低エネルギー(数eV)まで追跡し、励起電子が生成される過程を模擬できる機能(ETSART)を開発し、PHITSに実装した。具体的には、ETSARTを用いて計算した電子の飛程はICRU37で推奨されたデータ別の計算結果と一致することを確認した。さらに、半導体検出器の特性を表す重要な指標である、一つの励起電子の生成に必要な平均エネルギー(
値)について検討し、これまで値とバンドギャップエネルギーの関係は単純な直線モデルで考えられていたが、その関係は非線形関数であることを明らかにした。ETSARTは半導体検出器の最適化設計や応答解析に留まらず、新しい半導体物質の特性評価への応用も期待できる。
松谷 悠佑; 嵯峨 涼*
Radiation Environment and Medicine, 12(2), p.81 - 90, 2023/08
放射線輸送シミュレーションと生物物理モデルは、放射線防護と治療分野において放射線照射後の生物効果を評価するための強力なツールである。生体が放射線によって被ばくすると、付与エネルギーによって初期応答であるDNA損傷が誘発され、一定の確率で細胞死に至る。そのような生物効果を正確に評価するためには、物理学,化学,生物学の間の橋渡し研究を行う必要がある。近年、放射線による生物効果を予測するための2つのシミュレーションツールとして、Particle and Heavy Ion Transport System (PHITS)とintegrated microdosimetric-kinetic model (IMKM)が開発されてきた。まず、DNAスケールの放射線飛跡を計算できるPHITSの開発により、電子や陽子線より発生するDNA損傷数の予測に成功してきた。一方、DNA修復過程やがん幹細胞などの様々な生物要素を考慮したIMKMの開発により、細胞実験で得られる細胞死と臨床の治療成果を同時に再現することに成功した。本稿で解説するこれらツールに関するこれまでの開発経緯と将来展望により、放射線影響研究や量子生命科学分野への応用がより一層期待される。
佐藤 達彦; 松谷 悠佑*; 小川 達彦; 甲斐 健師; 平田 悠歩; 津田 修一; Parisi, A.*
Physics in Medicine & Biology, 68(15), p.155005_1 - 155005_15, 2023/07
被引用回数：2 パーセンタイル：84.52(Engineering, Biomedical)PHITSには、マイクロドジメトリ機能と呼ばれるモンテカルロ法と解析関数を組み合わせて巨視的な空間内における微視的な領域の線量分布を計算する機能が備わっている。本論文では、そのマイクロドジメトリ機能を同じくPHITSに組み込まれた最新の飛跡構造解析モードを使って改良した結果について報告する。
松谷 悠佑; McMahon, S. J.*; Butterworth, K. T.*; 谷内 淑恵*; 嵯峨 涼*; 佐藤 達彦; Prise, K. M.*
Physics in Medicine & Biology, 68(9), p.095008_1 - 095008_12, 2023/04
被引用回数：1 パーセンタイル：65.01(Engineering, Biomedical)低酸素症は腫瘍の放射線抵抗性を誘導し、強度変調放射線治療後に悪性進行を招く可能性がある。また、照射野内外に位置する細胞間のシグナル効果が、低酸素下の放射線感受性に影響を与えることも近年わかってきた。しかし、低酸素下において誘導される細胞間シグナリングとその細胞応答メカニズムは完全には解明されていない。そこで本研究では、低酸素症下における細胞間シグナリングと細胞殺傷効果をモデリングし、不均一な放射線治療後の放射線感受性メカニズムの解明を行った。DNA損傷数から与えられた酸素増感効果比(OER)を使用し、照射野内外の細胞の放射線感受性を推定できる統合的な細胞応答モデル(IMKモデル)を開発した。その結果、細胞間シグナルを放出する細胞内ターゲットへのヒット確率は酸素濃度に依存する一方、放射線照射場の不均一性に依存しない共通のOERの使用により照射野内外の両方の放射線感受性を再現できることがわかった。これらの成果は、強度変調放射線治療による不均一被ばく下で発生する細胞間シグナリングのより正確な理解に貢献するものである。
甲斐 健師; 樋川 智洋; 松谷 悠佑*; 平田 悠歩; 手塚 智哉*; 土田 秀次*; 横谷 明徳*
RSC Advances (Internet), 13(11), p.7076 - 7086, 2023/03
被引用回数：3 パーセンタイル：81.33(Chemistry, Multidisciplinary)水の放射線分解に関する科学的知見は、生命科学などに幅広く利用されるが、水の分解生成物であるラジカルの生成メカニズムは未だ良く分かっていない。我々は、放射線物理の観点から、この生成メカニズムを解く計算コードの開発に挑戦し、第一原理計算により、水中の二次電子挙動は、水との衝突効果のみならず分極効果にも支配されることを明らかにした。さらに、二次電子の空間分布をもとに、電離と電子励起の割合を予測した結果、水和電子の初期収量の予測値は、放射線化学の観点から予測された初期収量を再現することに成功した。この結果は、開発した計算コードが放射線物理から放射線化学への合理的な時空間接続を実現できることを示している。本研究成果は、水の放射線分解の最初期過程を理解するための新たな科学的知見になることが期待できる。
-H2AX focus formation assay based on track-structure simulation谷内 淑恵*; 松谷 悠佑*; 吉井 勇治*; 福永 久典*; 伊達 広行*; 甲斐 健師
International Journal of Molecular Sciences (Internet), 24(2), p.1386_1 - 1386_14, 2023/01
被引用回数：2 パーセンタイル：75.46(Biochemistry & Molecular Biology)生きた細胞に放射線が照射され、DNAの数ナノメートル以内に複雑な損傷が形成されると、細胞死のような生物影響を誘発すると考えられている。一般的に、細胞に形成された複雑なDNA損傷は、蛍光体を利用すると、損傷部位の周辺が焦点のように発光するため、蛍光顕微鏡で実験的に検出することができる。しかしながらこの検出法で、DNA損傷の複雑さの度合いを解析するまでには至ってなかった。そこで本研究では、計測した焦点サイズに注目すると共に、飛跡構造解析コードを用いてDNA損傷の複雑さの度合いを評価した。その結果、DNA損傷がより複雑になると、焦点サイズも増大する ことがわかった。本研究成果は、放射線生物影響の初期要因を解明するための新たな解析手法になることが期待される。
佐藤 達彦; 岩元 洋介; 橋本 慎太郎; 小川 達彦; 古田 琢哉; 安部 晋一郎; 甲斐 健師; 松谷 悠佑; 松田 規宏; 平田 悠歩; et al.
Journal of Nuclear Science and Technology, 9 Pages, 2023/00
被引用回数：5 パーセンタイル：98.08(Nuclear Science & Technology)放射線挙動解析コードPHITSは、モンテカルロ法に基づいてほぼ全ての放射線の挙動を解析することができる。その最新版であるPHITS version 3.31を開発し公開した。最新版では、高エネルギー核データに対する親和性や飛跡構造解析アルゴリズムなどが改良されている。また、PHIG-3DやRT-PHITSなど、パッケージに組み込まれた外部ソフトウェアも充実している。本論文では、2017年にリリースされたPHITS3.02以降に導入された新しい機能について説明する。
松谷 悠佑; 吉井 勇治*; 楠本 多聞*; 赤松 憲*; 平田 悠歩; 佐藤 達彦; 甲斐 健師
Physics in Medicine & Biology, 19 Pages, 2023/00
被引用回数：0 パーセンタイル：0.05(Engineering, Biomedical)水の放射線分解における化学生成物の時間依存性は、電離放射線へ被ばくした後のDNA損傷応答を評価する際に重要な役割を果たす。粒子および重イオン輸送コードシステム(PHITS)は、放射線輸送のための汎用モンテカルロシミュレーションコードであり、物理過程であるイオン化や電子励起などの原子相互作用を計算することができる。しかし、水の放射線分解生成物をシミュレートするための化学コードはPHITSパッケージには存在しない。本研究では、電子線による水の放射線分解生成物(OHラジカル、e
、H
、HOなど)のG値を計算できるPHITS専用の化学シミュレーションコード(PHITS-Chemコード)を開発した。その結果、開発したPHITS-Chemコードは1 
sまでのG値の測定値や他のシミュレーション値と一致することが確認できた。また、このコードは、OHラジカルスカベンジャー存在下での様々な化学生成物のシミュレーションや、DNA損傷誘発に対する直接的および間接的な影響の寄与を分析にも役立つ。このコードは原子力機構が主となり開発を進めるPHITSパッケージに内包され、8000名以上のユーザーに提供される予定である。
data嵯峨 涼*; 松谷 悠佑; 佐藤 光*; 長谷川 和輝*; 小原 秀樹*; 駒井 史雄*; 吉野 浩教*; 青木 昌彦*; 細川 洋一郎*
Radiotherapy and Oncology, p.109444_1 - 109444_9, 2023/00
被引用回数：2 パーセンタイル：0(Oncology)非小細胞肺癌を治療する際、一度に大線量を照射する定位放射線療法が使用される。この治療計画と治療効果の関係は、一般的に線量と細胞死の関係を予測する数理モデルにより評価される。そのモデルパラメーターの数値は生物実験により決定できるが、臨床では治療成果の経験に基づき決定されるため、実験研究と臨床研究ではパラメータ決定の手法と数値に違いがある。以上の背景から、細胞実験で測定される細胞死と臨床の治療効果を結びつける橋渡し研究を進めた。ここでは、その相違の要因として考えられる癌幹細胞に着目し、細胞死と臨床成果を同時に予測可能な数理モデル(integrated microdosimetric-kinetic (IMK) model)を開発し、弘前大学病院における非小細胞肺癌の定位放射線療後の臨床治験に対して遡及的評価を行った。その結果、癌幹細胞を考慮したIMKモデルを用いることで、広範囲の線量域(0-15Gy)に対する細胞死と様々な治療計画(一回線量6-10Gy)に対する治療成果を同時に再現することに成功した。開発した数理モデルにより、癌幹細胞が臨床の治療効果に与える影響の正確な理解、これに基づく治療効果の予測技術の高精度化が期待できる。
小川 達彦; 平田 悠歩; 松谷 悠佑; 甲斐 健師
Isotope News, (784), p.13 - 16, 2022/12
入射荷電粒子が二次電子を生じる過程を原子サイズで明示的に計算する飛跡構造解析計算は、放射線生物影響,材料照射効果,放射線検出などの研究にとって重要な技術であり、近年主著者らの研究で新しい飛跡構造解析計算コードが開発された。従来の飛跡構造解析計算は標的物質の誘電関数を基に断面積を計算するため、誘電関数が良く測定されている水以外に、適用できるモデルは限られていた。本研究では誘電関数を使うことなく、二次電子エネルギー分布の系統式と阻止能を基に飛跡構造解析計算を行う手法により、誘電関数の測定値の有無にかかわらず、任意の物質で飛跡構造解析計算を実行することを可能とした。こうして開発したモデルで、陽子による水中の動径線量分布や二次電子生成量を計算したところ、従来のコードや実験値とよく一致した。このモデルは原子力機構の放射線輸送計算コードであるPHITS Ver3.25以降に実装され、任意物質に適用できる世界初の汎用飛跡構造解析コードとしてユーザーに提供されている。
松谷 悠佑; 甲斐 健師; Parisi, A.*; 吉井 勇治*; 佐藤 達彦
Physics in Medicine & Biology, 67(21), p.215017_1 - 215017_13, 2022/11
被引用回数：5 パーセンタイル：78.03(Engineering, Biomedical)陽子線治療は、X線治療と比較して、正常組織への副作用を低減しつつ腫瘍を照射することが可能である。陽子線照射後に発生する細胞死などの生物影響は、陽子線の運動エネルギーに依存し、初期のDNA損傷の誘発に本質的に関係する。そのため、モンテカルロシミュレーションに基づくDNA損傷収率の推定は、世界的に関心の高い研究トピックとなっている。本研究では、放射線輸送計算コードであるPHITS飛跡構造解析モードの応用、ならびに電子線用に開発された単純なモデルの陽子線への適用により、陽子線エネルギーと一本鎖切断(SSB)、二本鎖切断(DSB)および複雑なDSBの収量との関係性を評価した。その結果、PHITSに基づく推定結果は、約30keV/m以下の線エネルギー付与(LET)の特性を有する陽子線により発生する様々なタイプのDNA損傷収量の実験値や他コードの推定値を正確に再現することが分かった。これらの結果は、PHITSに実装されている現在のDNA損傷モデルが、1MeV未満の非常に低いエネルギーを除いて、陽子照射後に誘発されるDNA損傷収量を推定するのに十分であることを示唆している。
平田 悠歩; 甲斐 健師; 小川 達彦; 松谷 悠佑; 佐藤 達彦
Japanese Journal of Applied Physics, 61(10), p.106004_1 - 106004_6, 2022/10
被引用回数：5 パーセンタイル：67.2(Physics, Applied)検出器や半導体メモリなどのSiデバイスにおいて、パルス波高欠損やソフトエラーなどの放射線影響が問題となっている。このような放射線影響のメカニズムを解明するためには、放射線による精密なエネルギー付与情報が必要である。そこで、Siにおける電子線のエネルギー付与をナノスケールで計算できる電子線飛跡構造解析機能を開発しPHITSに実装した。開発した機能の検証として電子の飛程や付与エネルギー分布を計算したところ、既報のモデルと一致することを確認した。また、一つのキャリア生成に必要なエネルギー(値)について、実験値を再現する二次電子生成のエネルギー閾値は2.75eVであることを見出すとともに、このエネルギー閾値は解析的に計算された結果および実験値と一致することがわかった。本研究で開発した電子線飛跡構造解析機能はSiデバイスに対する放射線影響の調査に応用することが期待される。
Papadopoulos, A.*; Kyriakou, I.*; 松谷 悠佑; Incerti, S.*; Daglis, I. A.*; Emfietzoglou, D.*
Applied Sciences (Internet), 12(18), p.8950_1 - 8950_20, 2022/09
被引用回数：2 パーセンタイル：28.33(Chemistry, Multidisciplinary)線質係数(Q)は、放射線により発生する確率的影響(発がんリスク)を評価する際に使用される指標である。一般的に、Q値は線エネルギー付与(LET)により決定できるが、より精巧なアプローチでは、分析モデルまたはモンテカルロシミュレーションによって計算される微視的線量付与(y分布)に基づき算出される。本研究では、
線輸送とエネルギー損失効果の両方を考慮した様々な従来分析モデルを用いてy分布を計算し、1-250MeVの陽子線エネルギーに対するQ値を評価した。ICRP report 60において推奨されるLETに基づく決定法とy分布に基づく精巧な決定法を比較した結果、推奨法は約100MeV未満の陽子線のQ値を過小評価することがわかった。また、y分布を算出する手法として、従来の分析モデルが、モンテカルロシミュレーションの実用的な代替手段となる可能性を示唆した。今後、様々な最新の物理モデルを考慮したシミュレーションコード(Geant4-DNAやPHITS)によるy分布を比較し、高精度なリスク評価を目指してQ値に関する更なる解析を進める予定である。
佐藤 達彦; 松谷 悠佑; 浜田 信行*
International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, 114(1), p.153 - 162, 2022/09
被引用回数：6 パーセンタイル：83.07(Oncology)放射線皮膚反応に対する生物学的効果比(RBE)の評価は、粒子線治療やホウ素中性子補足療法(BNCT)の治療計画、及びJCO事故のような中性子を含む緊急時被ばくや宇宙飛行士被ばくの放射線防護指針を決定する際、極めて重要となる。本研究では、マイクロドジメトリに基づく放射線皮膚反応に対するRBE評価モデルを開発し、そのモデルパラメータを過去数10年に渡って発表されてきた細胞実験や動物実験結果より決定した。その結果、細胞実験から推定したRBEは、動物実験から推定した値と比べて低い傾向にあることが分かった。また、開発したモデルを用いて様々な放射線被ばくに対する皮膚反応RBEの平均値及びその誤差範囲を計算した結果、20-30年前に国際放射線防護委員会(ICRP)や米国放射線審議会(NCRP)が評価した値は、最新の実験値とも整合性があることが明らかになった。本成果は、粒子線治療やBNCTの治療計画のみならず、放射線防護に用いる皮膚反応RBEの奨励値を決定する際にも有用となる。
谷内 淑恵*; 甲斐 健師; 松谷 悠佑; 平田 悠歩; 吉井 勇治*; 伊達 広行*
Scientific Reports (Internet), 12, p.16412_1 - 16412_8, 2022/09
被引用回数：2 パーセンタイル：47.19(Multidisciplinary Sciences)近年、腫瘍を見ながら治療する磁場共鳴誘導放射線治療法(MRgRT)が開発され、その装置が医療施設へ導入され始めている。MRgRTにおいて、ローレンツ力は荷電粒子によるマクロな線量分布を変調することが知られているが、生体内におけるミクロな放射線飛跡構造や初期DNA損傷に対するローレンツ力の影響は未解明のままである。本研究では、PHITSを利用し、静磁場が印加された生体内の電子線飛跡構造を模擬し、その結果から生物学的効果の特徴を推定した。本研究により、腫瘍サイズのマクロな線量分布はローレンツ力に強く依存する一方、分子サイズのミクロなDNA損傷は、ローレンツ力の影響を受けない数10eV未満の二次電子がDNAの二本鎖切断に起因することを明らかにした。本研究から得られた新たな知見はMRgRTの発展に大きく寄与することが期待される。
