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論文

最新放射線化学(応用編),16; 計算機シミュレーションによる放射線生物作用の初期過程の研究

渡邊 立子*; 甲斐 健師; 服部 佑哉*

Radioisotopes, 66(11), p.525 - 530, 2017/11

放射線による生物影響のメカニズムの解明には、モデルやシミュレーションを用いた研究は重要な役割を持つ。特に、生物影響メカニズムに関するモデル化や、DNA分子と細胞のような生体の異なる空間スケールから得られた実験データの関係を評価するためにはミュレーションは有効な手段である。本稿では、DNAと細胞への放射線影響のシミュレーションによる研究の概要について述べる。この中で、従来のDNA損傷推定法に加えDNA損傷生成に関わる物理化学過程の詳細を推定する新たな理論的アプローチと、DNA損傷と細胞応答のダイナミクスを推定する数理モデルも紹介する。

論文

Evaluation of DNA damage induced by Auger electrons from $$^{137}$$Cs

渡辺 立子; 服部 佑哉; 甲斐 健師

International Journal of Radiation Biology, 92(11), p.660 - 664, 2016/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:24.92(Biology)

本研究では、$$^{137}$$Csによる内部照射の担い手となるオージェ電子や内部転換電子等の低エネルギー電子のエネルギースペクトルや電子の放出位置の違いが、DNAレベルの微小な標的における線量分布とDNA損傷に与える影響を明らかにするために、電子線のトラックの微視的なシミュレーションに基づいた、線量分布とDNA損傷スペクトル(量や質)の推定を行った。方法としては、細胞集団モデルを標的系として、微視的なトラックシミュレーションを行い、次に、DNA損傷生成モデルに基づいた損傷スペクトルを計算した。計算結果を解析したところ、オージェ電子線等によるDNA損傷のスペクトルには、外部照射($$gamma$$線照射)の場合と比べて大きな差が生じないことが示され、内部照射は外部照射と比べてDNA損傷が起きやすいということはないという結果が得られた。

論文

Cellular automaton-based model for radiation-induced bystander effects

服部 佑哉; 横谷 明徳; 渡辺 立子

BMC Systems Biology (Internet), 9, p.90_1 - 90_22, 2015/12

 被引用回数:17 パーセンタイル:62.05(Mathematical & Computational Biology)

低線量放射線が照射された細胞集団では、細胞間シグナル伝達により、放射線が当たっていない細胞に放射線の影響が伝達する。低線量の放射線による生物影響の評価やリスクを考える上で、個々の細胞間の照射影響伝達が組織や細胞集団に与える影響を調べることは重要である。本研究では、2種類の細胞間シグナル伝達を考慮した細胞集団の放射線応答モデルを構築し、モデルの特性を解析した。モデルは、1細胞レベルで細胞集団の動的変化を表現した数理モデルのセルオートマトンをベースとして、(1)放射線照射、(2)細胞間シグナルの生成と伝達、(3)DNA損傷の誘発、(4)細胞周期変化の要素を新たに導入した。細胞間シグナル伝達では、低線量放射線応答モデルとしては初めて、異なる伝達経路である培養液経由とギャップ結合経由を両方とも考慮した。細胞応答では、細胞周期の時間変化に着目した。モデルの特性解析では、照射線量と細胞間シグナルの伝達経路が、細胞周期変化に与える影響を調べた。解析結果から、細胞周期停止を示す細胞の数が照射線量に対して非線形に増加することが分かった。また、2種類の細胞間シグナル伝達ともに細胞周期停止を誘発し、その細胞数は伝達経路によって異なる時間変化を示した。モデルが示した特性は、今後、実験と比較して検証する。本モデルは、細胞間シグナル伝達による時間・空間的な細胞集団の変化を追跡可能であり、低線量放射線の応答解析に有用である。

論文

A Mathematical model of radiation-induced responses in a cellular population including cell-to-cell communications

服部 佑哉; 鈴木 芳代; 舟山 知夫; 小林 泰彦; 横谷 明徳; 渡辺 立子

Radiation Protection Dosimetry, 166(1-4), p.142 - 147, 2015/09

 被引用回数:5 パーセンタイル:35.46(Environmental Sciences)

本研究では、細胞集団中の細胞間シグナル伝達と細胞周期の時間・空間的な動態を計算可能な数理モデルを構築し、照射する放射線の線量や照射領域によってシグナル伝達がどのように変化するのか、その結果、放射線応答として細胞周期や細胞の生存にどのような変化が現れるのかを明らかにすることを目的とする。提案する放射線応答モデルでは、細胞間のシグナルをギャップ結合経由のシグナルX、培養液経由のシグナルYとし、これら2つのシグナル伝達を誘発する放射線をシグナルZとして表現する。個々の細胞の細胞周期は、周期的な進行(G1, S, G2, M期)がシグナルX, Y, Zによって停止する仮想時計として表現する。講演では、2次元平面上に配置された細胞集団にシグナルZが入力されたとき、シグナルX, Yが拡散方程式に基づいて集団全体に伝達する様子と、各シグナルによって仮想時計(細胞周期)が変化する様子について、線量や照射領域を変えた計算結果の一例を示し、放射線応答の解析に対する本モデルの有用性を報告する。

論文

Responses of the salt chemotaxis learning in ${it C. elegans}$ mutants to microbeam irradiation

坂下 哲哉; 鈴木 芳代; 服部 佑哉; 池田 裕子; 武藤 泰子*; 横田 裕一郎; 舟山 知夫; 浜田 信行*; 白井 花菜*; 小林 泰彦

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 74, 2015/03

昆虫・哺乳動物等を用いた実験から、放射線被ばくにより学習障害等の神経系への影響がもたらされることが示唆されている。我々は、神経系を研究するためのモデル生物として知られる線虫を用いて、化学走性学習が、特定の条件下においてのみコバルト60$$gamma$$線照射の影響を受けることを明らかにした。しかし、線虫のどの部位における放射線応答が、化学走性学習行動の変化を誘導するかは明らかでない。そこで、我々は、炭素イオンマイクロビームを用いて、線虫の化学走性学習に対する直接的な放射線の影響部位を明らかにすることを目的とした。マイクロビーム照射技術は、細胞あるいは組織レベルでの直接的な放射線の影響を調べるための有効なツールとして知られている。本報告では、2つの線虫変異体(${it gpc-1}$, ${it daf-2}$)に対して、マイクロビームの局部照射を行った結果について報告する。

論文

Effects of carbon-ion microbeam irradiation on locomotion and pharyngeal pumping motion in $textit{C. elegans}$

鈴木 芳代; 服部 佑哉; 坂下 哲哉; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 池田 裕子; 小林 泰彦

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 88, 2015/03

The nematode $textit{Caenorhabditis elegans}$ is a good $textit{in vivo}$ model system to examine radiation effects on vital functions such as locomotion, feeding, learning and memory. Using $textit{C. elegans}$, we recently investigated the radiation effects on locomotion (snake-like crawling motion) and found that whole-body irradiation significantly reduced locomotion. Furthermore, we focused on the pharyngeal pumping motion (chewing and swallowing), which is a rapid periodic motion, and found that the proportion of pumping-motion arrest increased after whole-body irradiation. As the next step, we started to examine whether or not the effects observed after whole-body irradiation could be induced by microbeam irradiation to a very limited region. In this report, we summarize the results of microbeam irradiation experiments we carried out in the past few years. Main findings in this study are the following: (1) Effects of the region-specific microbeam irradiation differ depending on types of motion, and (2) effects of whole-body irradiation tend to be more effective than those of the region-specific microbeam irradiation at the same irradiation dose. Further studies on the mechanisms underlying the radiation-induced changes of movements are required.

論文

Ion-species dependent bystander mutagenic effect on ${it HPRT}$ locus in normal human fibroblasts induced by C-, Ne- and Ar-ion microbeams

鈴木 雅雄*; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 武藤 泰子*; 鈴木 芳代; 池田 裕子; 服部 佑哉; 小林 泰彦

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 78, 2015/03

これまでに、バイスタンダー効果で誘発される細胞死や染色体変異における照射イオン種依存性の解析を進めてきた。2015年度の研究では、バイスタンダー効果による${it HPRT}$遺伝子の変異誘発におけるイオン種依存性を、ヒト正常線維芽細胞を用いて解析した。コンフルエントに培養した細胞試料に対し、16$$times$$16マトリックス照射法で、異なる核種(炭素,ネオン,アルゴン)のマイクロビーム照射を行った。${it HPRT}$遺伝子の変異誘発頻度は、6-チオグアニン耐性コロニーの頻度で測定した。炭素イオンマイクロビーム照射した試料では、非照射試料およびギャップジャンクション経由の細胞間情報伝達に特異的な阻害剤で処理した試料と較べ、変異頻度が6倍高くなった。一方、ネオン及びアルゴンマイクロビームで照射した試料では、このような変異頻度の上昇が認められなかった。この結果は、ギャップジャンクションを介したバイスタンダー効果による突然変異誘発において、イオン種依存性が存在すること意味する。

論文

Radiation-quality-dependent bystander effects induced by the microbeams with different radiation sources

鈴木 雅雄*; Autsavapromporn, N.*; 宇佐美 徳子*; 舟山 知夫; Plante, I.*; 横田 裕一郎; 武藤 泰子*; 鈴木 芳代; 池田 裕子; 服部 佑哉; et al.

Journal of Radiation Research, 55(Suppl.1), P. i54, 2014/03

It is essentially important for evaluating risk such a low-dose-rate exposure as the accident of Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants to examine bystander effects induced by low-LET electromagnetic radiations, such as X or $$gamma$$ rays. We have been studying the cellular responses in normal human fibroblasts by targeted cell nucleus irradiations with monochromatic X-ray microbeams (5.35 keV) produced by Photon Factory in High Energy Accelerator Research Organization. The results indicated that the bystander effect in cell- killing effect was observed in the targeted cell nucleus irradiation, not in the random irradiation containing both cell nucleus and cytoplasm by Poisson distribution. The results suggest that energy deposition in cytoplasm is an important role of inducing bystander effects in case of low-LET radiations. We have also been investigating high-LET-radiation induced bystander effects using the heavy-ion microbeams at Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application in Japan Atomic Energy Agency. Only 0.04% of the total numbers of normal human fibroblasts were irradiated with C-ion (220 MeV), Ne-ion (260 MeV) and Ar-ion (460 MeV) microbeams collimated at 20 micro meter in diameter. Cell-killing effect and gene mutation at HPRT locus in the cells irradiated with C ions were higher beyond our expectations and returned the estimated values that only 0.04% of the total cells were irradiated when using the specific inhibitor of gap junctions. On the other hand, no induced biological effects were observed in Ne and Ar ions whether the inhibitor was applied or not. The result suggested that the C-ion microbeam was capable of inducing bystander cellular effects via gap junction mediated cell-cell communication. There is clear evidence that bystander cellular effects are dependent on radiation quality.

論文

Modeling of the pharyngeal muscle in $textit{Caenorhabditis elegans}$ based on FitzHugh-Nagumo equations

服部 佑哉; 鈴木 芳代; 曽 智*; 小林 泰彦; 辻 敏夫*

Artificial Life and Robotics, 17(2), p.173 - 179, 2012/12

The pharyngeal pumping motion to send food to the bowel is a rhythmic movement in $textit{Caenorhabditis elegans}$. We proposed a computer simulation of the pumping motion to investigate the mechanisms of rhythm phenomena in living organisms. To conduct the simulations we developed a mathematical model of the pharyngeal muscle that corresponds to the actual structure at a muscular level, and which generates the pumping rhythms. Each of 29 cells was modeled as a membrane potential model based on FitzHugh-Nagumo Equations to simulate the internal response. The electrophysiological responses of the pharyngeal muscular cells were measured as an electropharyngeogram (EPG) that records the activities of the pharynx as a signal pattern, including the membrane potentials in multiple cells. We also developed an EPG model that calculated EPG based on the outputs of individual membrane-potential models. We confirmed that our model of the pharynx could generate rhythms similar to the EPG measured from $textit{C. elegans}$.

論文

Theoretical and evolutionary parameter tuning of neural oscillators with a double-chain structure for generating rhythmic signals

服部 佑哉; 鈴木 芳代; 曽 智*; 小林 泰彦; 辻 敏夫*

Neural Computation, 24(3), p.635 - 675, 2012/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:32.63(Computer Science, Artificial Intelligence)

Neural oscillator with a double-chain structure is one of the central pattern generator models used to simulate and/or understand rhythmic movements in living organisms. However, it is difficult to reproduce desired rhythmic signals by tuning an enormous number of parameters of neural oscillators. In this study, we propose an automatic tuning method consisting of two parts. The first involves tuning rules for both the time constants and the amplitude of the oscillatory outputs based on theoretical analyses of the relationship between parameters and outputs of the neural oscillators. The second involves an evolutionary tuning method with a two-step genetic algorithm (GA), consisting of a global GA and a local GA, for tuning of parameters such as neural connection weights that have no exact tuning rule. Using numerical experiments, we confirmed that the proposed tuning method could successfully tune all parameters and generate sinusoidal waves. The tuning performance of the proposed method was less affected by factors such as the number of excitatory oscillators or the desired outputs. Furthermore, the proposed method was applied to the parameter-tuning problem of some types of artificial and biological wave reproduction, and yielded optimal parameter values that generated complex rhythmic signals in ${it C. elegans}$ without trial and error.

論文

An Electrophysiological model of the pharyngeal muscle in $textit{Caenorhabditis elegans}$

服部 佑哉; 鈴木 芳代; 曽 智*; 小林 泰彦; 辻 敏夫*

Proceedings of 17th International Symposium on Artificial Life and Robotics (AROB 2012) (CD-ROM), p.690 - 695, 2012/01

The pharyngeal pumping motion to send food to bowel is one of rhythmic movements in ${it Caenorhabditis elegans}$. In the present study we introduce the computer simulation of biological responses to investigate the mechanism of rhythm generation of the pharyngeal muscle. To conduct the simulations, we develop a mathematical model of the pharynx that corresponds to the actual structure at a muscular level and is possible to generate the pumping rhythms. Each of 20 muscular cells was represented as an electrophysiological model that calculates the individual membrane potential to simulate the behavior of membrane potentials and the characteristics of each pharyngeal muscular cell. The connections between individual muscular-cell models were defined based on the actual electrical connections of muscular cells so as to transmit the membrane potentials. To examine whether the proposed model can generate the pumping rhythms in the pharynx, we simulated the electropharyngeogram (EPG), which is caused by the electrophysiological response of muscular cells and is one of the few signals possible to measure. We confirmed that the proposed model could generate rhythms similar to the EPG measured from ${it C. elegans}$. Moreover, our model could reproduce the EPG of a mutant. This is probably the first study that constructed a mathematical model of pharynx in ${it C. elegans}$ and successfully simulated its rhythmic signals.

論文

A Novel tuning method for neural oscillators with a ladder-like structure based on oscillation analysis

服部 佑哉; 鈴木 芳代; 曽 智*; 小林 泰彦; 辻 敏夫*

Lecture Notes in Computer Science 6352, p.401 - 410, 2010/09

Neural oscillators with a ladder-like structure is one of the central pattern generator (CPG) model that is used to simulate rhythmic movements in living organisms. However, it is not easy to realize rhythmical cycles by tuning many parameters of neural oscillators. In this study, we propose an automatic tuning method. We derive the tuning rules for both the time constants and the coefficients of amplitude by linearizing the nonlinear equations of the neural oscillators. Other parameters such as neural connection weights are tuned using a genetic algorithm (GA). Through numerical experiments, we confirmed that the proposed tuning method can successfully tune all parameters.

口頭

線虫の筋運動に対する重イオンマイクロビーム局部照射の影響

鈴木 芳代; 服部 佑哉; 坂下 哲哉; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 池田 裕子; 小林 泰彦

no journal, , 

動物の細胞・組織レベルでの放射線応答・影響に関する知見は蓄積されてきているが、個体の行動レベルでの放射線応答・影響に関する知見は限定的である。そこで、発表者らは、線虫を対象として放射線の運動機能への影響を調べ、全身運動及び咽頭ポンピング運動(餌の咀嚼・嚥下)が放射線の全身照射により一時的に低下あるいは停止することをこれまでに明らかにした。本研究では、線虫の体のごく一部を狙って放射線を照射し、全身照射直後のような運動の変化が観られるか、照射部位によって運動の変化に違いがあるかを明らかにすることを目的とした。原子力機構のマイクロビーム細胞局部照射装置を用いて、線虫(成虫)の神経細胞が密集する頭部、腸などがある中央部、尾部のエリアを狙って炭素イオンマイクロビームを照射した。照射直後に線虫を寒天平板上に移して運動を撮影し、その画像をもとに全身運動については20秒間の頭部屈曲回数、咽頭ポンピング運動については1秒間のポンピングストローク数を計数した。線虫の全身運動は、頭部,中央部,尾部のいずれへの局部照射でも低下するものの、全身照射のような顕著な低下とはならなかった。一方、咽頭ポンピング運動は、頭部,中央部,尾部のいずれへの照射でも非照射と変わらず、全身照射のような顕著な運動の低下や停止は生じなかった。以上から、照射範囲や筋運動の種類によって放射線の影響の現れ方が異なることが明らかになった。

口頭

細胞間コミュニケーションに着目した細胞集団の放射線応答モデルの構築

服部 佑哉; 鈴木 芳代; 舟山 知夫; 小林 泰彦; 横谷 明徳; 渡辺 立子

no journal, , 

本研究では、細胞集団中の細胞間コミュニケーションの時間・空間的な動態を計算可能な数理モデルを構築し、照射する放射線の線量や照射領域によってコミュニケーションがどのように変化するのか、その結果、細胞集団にどのような放射線応答が現れるのかを明らかにすることを目的とする。提案する放射線応答モデルでは、細胞周期と細胞死を表現する1細胞の細胞モデルを、2次元平面の培養液上に複数配置して細胞集団を表現する。細胞間の伝達物質は、細胞モデルの状態を細胞周期停止と細胞死にスイッチングさせるギャップ結合経由の物質X、培養液経由の物質Yとして表現する。物質Xの伝達は、隣接する細胞モデル内の物質Xの濃度差をもとに計算し、物質Yの伝達は、2次元平面の培養液を格子で分割し、隣接する格子内の物質Yの濃度差をもとに計算する。講演では、放射線照射によって照射細胞モデル内の物質Xと物質Yの濃度が上昇したときに、それぞれの物質が隣接する細胞・培養液を介して非照射細胞モデルを含んだ集団全体へ伝達する様子と細胞集団中の個々の細胞モデルの状態について、線量や照射領域を変えた計算結果の一例を示し、本モデルの有用性を報告する。

口頭

The Video-based quantitative evaluation of IR-induced effects on locomotory behavior in ${it Caenorhabditis elegans}$

鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 服部 佑哉; 簗瀬 澄乃*; 菊地 正博; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 辻 敏夫*; 小林 泰彦

no journal, , 

神経系のモデル生物である線虫(${it C. elegans}$)に、その生存に影響しない程度の放射線(1000Gy以下の$$gamma$$線)を照射すると、照射量に依存して運動が低下する。従来より、線虫の運動性の評価には、頭部の屈曲回数(Body bends)が用いられており、照射個体の評価も非照射線虫に準じてBody bendsを指標として行われてきた。しかし、体幹後部のくねりが緩くなり、移動の範囲が非照射に比べて狭くなるなど、照射線虫に観られる全身的な運動の微妙な変化は、Body bendsでは評価できなかった。そこで、本研究では、放射線の運動への影響をより詳細に理解することを目的として、線虫の全身的な運動の変化を捉え得る画像解析を用いた新しい指標を提案し、運動の定量評価を試みた。講演では、予備的なデータを示し、新しい線虫運動評価法の有効性について議論する。

口頭

A Mathematical model of the radiation-induced intercellular-signaling and cell-cycle response

服部 佑哉; 鈴木 芳代; 舟山 知夫; 小林 泰彦; 横谷 明徳; 渡辺 立子

no journal, , 

本研究では、低線量の放射線応答で重要となる細胞間シグナル伝達の動態に着目し、照射する放射線の線量や照射領域によって細胞間シグナル伝達がどのように変化するのか、その動態と細胞周期応答や細胞の生存にはどのような関係性があるのかを明らかにすることを目的とする。そのために、放射線によって誘発された細胞間シグナル伝達と細胞周期応答の時間・空間的な動態を計算可能な数理モデルを構築する。提案する放射線応答モデルでは、細胞集団を格子で分割した2次元平面で表現し、各格子内のシグナル濃度と細胞周期を計算する。細胞間のシグナルは、培養液経由のシグナルX、ギャップ結合経由のシグナルYとし、格子間を拡散方程式に基づいて伝達する。個々の細胞の細胞周期は、周期的な進行(G1, S, G2, M期)がシグナルX, Yによって停止する仮想時計として表現する。モデルを用いて非照射細胞集団のシミュレーションを実施した結果、モデルの細胞周期変化は、実験値をよく再現できた。発表では、さらに、シグナルX, Yを誘発する放射線シグナルZをモデルの特定の細胞に入力後、放射線に誘発されたシグナル伝達の動態と細胞周期応答を計算した一例を示し、放射線応答の解析に対する本モデルの有用性を報告する。

口頭

Radiation effects on rhythmic movements ${it Caenorhabditis elegans}$

鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 服部 佑哉; 小林 泰彦

no journal, , 

${it Caenorhabditis elegans}$ is a good ${it in vivo}$ model system for the examination of radiobiological effects. Using ${it C. elegans}$, we recently found that whole body irradiation reduced locomotion using body-wall muscles. To investigate the radiation effects on different types of rhythmic movement using different muscles, we subsequently focused on pumping motion (chewing and swallowing) which is a rapid periodic motion involving the use of the pharyngeal muscles, and found that the frequency of pumping-motion arrest had increased after whole body irradiation. Interestingly, the radiation-induced changes of locomotion and pumping motion were restored within several hours. In addition, effects of heavy ion beams on rhythmic movements (locomotion and pumping motion) of ${it C. elegans}$ were same as those of $$gamma$$ rays, though it is well-known that heavy ions charging particles with high energy transfer (LET) induce higher relative biological effectiveness than low LET radiation such as $$gamma$$ rays. In this presentation, we will give an outline of the radiation effects on rhythmic movements of ${it C. elegans}$ and discuss about further studies to understand the detailed mechanisms underlying the temporary changes of the movements following irradiation. Especially, we will refer to our simulation-based approach that aims to estimate the mechanisms of radiation effects on oscillation generation of pumping motion in pharynx at cell level.

口頭

Oxidative stress suppresses locomotion and pumping motion in $textit{Caenorhabditis elegans}$

鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 服部 佑哉; 小林 泰彦

no journal, , 

We recently found that whole body irradiation reduced locomotion in $textit{C. elegans}$, though the mechanisms are not clear. It is well known that free radicals such as OH$$^-$$ and H$$^-$$ are produced following exposure of ionizing radiation. The reactions of free radicals cause the production of oxidative stress including hydrogen peroxide (H$$_2$$O$$_2$$). Oxidative stress is known as an important factor of aging, and may relate to the decrease of motility observed in the aging process. We therefore explored the potential effectiveness of H$$_2$$O$$_2$$ in the suppression of $textit{C. elegans}$'s locomotion. Wild-type animals were exposed to graded doses of H$$_2$$O$$_2$$ and the locomotory rate was evaluated. The locomotory rate was significantly decreased in H$$_2$$O$$_2$$-exposed animals, in which the dose response was similar to that in the irradiated animals. We subsequently investigated the radiation effects on the pharyngeal pumping motion (chewing and swallowing) and the involvement of oxidative stress. As a result, the proportion of the pumping-motion arrest significantly increased after whole body irradiation and the pumping-motion arrest was restored within several hours. Furthermore, the response in H$$_2$$O$$_2$$-exposed animals was similar to that in the irradiated animals. These results support the possibility that radiation-induced suppression of both locomotion and pumping motion in $textit{C. elegans}$ was caused by radiation-produced H$$_2$$O$$_2$$.

口頭

数理モデルを用いた放射線照射後の細胞生存率に対する細胞間シグナル伝達の影響解析

服部 佑哉; 横谷 明徳; 渡辺 立子

no journal, , 

低線量放射線が全体に照射された細胞集団では、放射線が当たっていない細胞(非照射細胞)が存在し、細胞間シグナル伝達により、照射細胞から非照射細胞へと放射線の影響は伝達する。低線量の放射線による生物影響の評価やリスクを考える上で、個々の細胞間の照射影響伝達が組織や細胞集団に与える影響を調べることは重要である。本研究では、個々の細胞応答と細胞間シグナル伝達を考慮した細胞集団の放射線応答モデルを用いて、細胞集団内の生存細胞に対する細胞間シグナル伝達の作用を調べる。本研究で用いる放射線応答モデルは、細胞集団を2次元平面の格子の集団で表現し、1格子を1細胞とする。放射線のヒット数は、線量と線量率を基に$$R$$で与える。細胞間シグナルの格子内濃度は、培養液経由シグナルの濃度$$M$$、ギャップ結合経由シグナルの濃度$$G$$とし、格子間の伝達を拡散方程式に基づいて計算する。$$R$$, $$M$$, $$G$$が個々の細胞に与えるダメージは、修復能力を持った細胞ダメージ量$$Z$$として定義する。個々の細胞の細胞周期は、周期的な進行(G1, S, G2, M期)が細胞ダメージ量$$Z$$の大きさに応じて一時停止する仮想時計として表現する。細胞周期が1周すると、周辺の格子に細胞を生成し、格子内の$$Z$$が修復可能な量である閾値$$H$$を超えた時、その格子の細胞の状態を細胞死とする。発表では、細胞間シグナル伝達がある条件とない条件の計算結果を基に、細胞間シグナル伝達による生存率への影響の推定結果を報告する。

口頭

DNA二本鎖切断の修復と細胞周期制御の放射線応答モデルの構築

服部 佑哉; 横谷 明徳; 渡辺 立子

no journal, , 

放射線によって生成されたDNAの二本鎖切断(Double Strand Break: DSB)は、細胞周期の停止や細胞死、突然変異等を引き起こす。一方、細胞にはDSBを修復する機能が備わっており、そのメカニズムは、DSBの生成数が多い高線量域で調べられている。本研究では、これまでに明らかとなっているDSB修復の分子応答を基に、生成されるDSB数が少ない低線量放射線の条件におけるDSB修復と細胞周期変化を予測する。そのために、DSBの検知・修復に関わる分子応答と細胞周期制御に関わる分子応答を結びつけ、分子間の作用をネットワークで表現した数理モデルを構築する。モデルでは、分子が活性化した状態を"1"、活性化していない状態を"0"として表現する。また、他の分子への作用を、ネットワークで伝達され、状態を切り替えるスイッチとする。DSBの検知と修復の分子応答は、細胞周期のフェーズ(G1, S, G2, M期)によって異なるため、フェーズの遷移と共にネットワークの構造を時間変化させる。細胞周期の分子応答では、各フェーズで固有に活性化されるサイクリン等の分子が、フェーズごとに自動的に切り替わる仮想時計として表現する。仮想時計上のチェックポイントでは、DSBの検知・修復のネットワークの末端と連結し、ネットワークの出力によって仮想時計を一時停止することで、細胞周期の停止を表現する。発表では、構築したモデルのプロトタイプを紹介する。

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