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小川 達彦; 平田 悠歩; 松谷 悠佑; 甲斐 健師; 佐藤 達彦; 岩元 洋介; 橋本 慎太郎; 古田 琢哉; 安部 晋一郎; 松田 規宏; et al.
EPJ Nuclear Sciences & Technologies (Internet), 10, p.13_1 - 13_8, 2024/11
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放射線挙動解析計算コードである。その最新版であるPHITS version 3.34の、飛跡構造解析機能に焦点を置いて説明する。飛跡構造解析とは、荷電粒子が物質中を運動する挙動を計算する手法の一つで、個々の原子反応を識別することにより原子スケールでの追跡を可能にするものである。従来の飛跡構造解析モデルは生体を模擬する水だけにしか適用できず、遺伝子への放射線損傷を解析するツールとして使われてきた飛跡構造解析であるが、PHITSにおいてはPHITS-ETS、PHITS-ETS for Si、PHITS-KURBUC、ETSART、ITSARという飛跡構造解析モデルが補い合うことにより、生体の放射線影響だけでなく、半導体や材料物質など任意物質に対する適用が可能になっている。実際にこれらのモデルを使って、放射線によるDNA損傷予測、半導体のキャリア生成エネルギー計算、DPAの空間配置予測など、新しい解析研究も発表されており、飛跡構造解析を基礎とするボトムアップ型の放射線影響研究の推進に重要な役割を果たすことが期待できる。
松谷 悠佑; 甲斐 健師; 佐藤 達彦
しょうとつ, 21(3), p.R008_1 - R008_8, 2024/11
粒子・重イオン輸送計算コードPHITSは、放射線の挙動をコンピュータで模擬するモンテカルロコードであり、2018年以降、生体の主成分である水中において個々の原子との反応を模擬できる飛跡構造解析モードが開発された。この開発により、DNAスケールにおける高空間分解能な放射線の飛跡構造解析が可能となった。一方、飛跡構造解析モードで計算される原子衝突の空間情報を活用し、様々なタイプのDNA損傷数を効率的かつ高精度に推定する解析コードの開発にも成功している。本稿では、最新版PHITSに搭載されている飛跡構造解析モード及びDNA損傷推定手法について概説し、PHITSの生命科学分野への応用例を紹介する。
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*
Scientific Reports (Internet), 14, p.24722_1 - 24722_15, 2024/10
放射線DNA損傷の直接・間接効果を推定するには、水の放射線分解に関する科学的知見が不可欠である。水の放射線分解により生じる二次電子は、この二つの効果に関与する。ここでは、第一原理計算コードを用いて、水への20-30eVのエネルギー付与の結果生じた二次電子のフェムト秒ダイナミクスを計算し、ナノサイズの極微小な空間領域に生成される放射線分解化学種の形成メカニズムを解析した。その結果から、水の放射線分解によって生成される化学種は、付与エネルギーが25eVを超えると数ナノメートルの極微小領域で高密度化し始めることを明らかにした。本研究成果は、細胞死のような生物学的影響を引き起こすと考えられているクラスターDNA損傷の形成について重要な科学的知見となる。
土田 秀次*; 手塚 智哉*; 甲斐 健師; 松谷 悠佑*; 間嶋 拓也*; 斉藤 学*
Journal of Chemical Physics, 161(10), p.104503_1 - 104503_8, 2024/09
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Chemistry, Physical)高速イオンビームは、生体細胞内の水との相互作用によって生成される二次電子などの化学生成物によってDNAに損傷を与えるが、粒子線治療で用いられるブラッグピーク領域におけるこれらの化学生成物の生成過程は完全には理解されていない。この過程を調べるために、真空中の液体水ジェットにMeVエネルギーの炭素ビームを照射したときに生成される放射線分解物の収率を評価する実験を行った。さらに、放射線輸送モンテカルロコードを用いて、入射イオンと二次電子による水中の電離過程をシミュレーションした。その結果、水中でのイオン化の主な原因は二次電子であることがわかった。最後に、これらの素過程は、DNA損傷の形成機構を研究する放射線生物物理学や生化学の発展に寄与することを示す。
and 
study of biological effects on cancer cells in the presence of metallic materials during radiotherapy長野 拓也*; 松谷 悠佑; 戒田 篤志*; 野島 瞳*; 古田 琢哉; 佐藤 薫; 吉村 亮一*; 三浦 雅彦*
Journal of Radiation Research (Internet), 65(5), p.628 - 639, 2024/09
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Biology)X線治療では、正常組織への副作用を最小限に抑えつつ腫瘍を治療するように照射計画が計画される。頭頚部への放射線照射により、歯の金属製の詰め物周辺において重度の粘膜炎(放射線増感作用)が誘発されることがある。しかしながら、この放射線増感メカニズムは不明なままである。本研究では、細胞実験と計算シミュレーションを使用して放射線増感メカニズムを調査した。その結果、細胞実験で観測された増感比は1.2-1.4であり、これは金属近傍の局所線量増加が主要因であることがわかった。一方、臨床前試験としてCT画像に基づく生体内線量評価を実施した結果、人体の複雑な解剖構造により線量増加が過小評価され、微視的な線量評価が必要であることが分かった。本成果は、金属周辺における正常細胞への副反応の正確な理解に貢献するものである。
佐藤 達彦; 松谷 悠佑; 浜田 信行*
Journal of Radiation Research (Internet), 65(4), p.500 - 506, 2024/07
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Biology)組織反応に対する生物学的効果比(RBE)の評価は、次期ICRP(国際放射線防護委員会)勧告に向けて不可欠となっている。本研究では、新たに組織応答として定義された循環器疾患に対するRBEをマイクロドジメトリモデルで評価した。その結果、循環器疾患に対するRBEは皮膚反応に対するRBEよりもやや低いことが分かった。また、人体内に対して計算した場合、その差は広がることが分かった。これらの知見は、ICRPによるRBE加重係数評価に有用となる。
松谷 悠佑; 佐藤 達彦; 楠本 多聞*; 谷内 淑恵*; 清野 良輔*; 三輪 美沙子*; 石川 正純*; 松山 成男*; 福永 久典*
Scientific Reports (Internet), 14, p.16696_1 - 16696_14, 2024/07
ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)は、細胞レベルで不均一に取り込まれるホウ素化合物(例: 4-ボロノ-L-フェニルアラニン[BPA])を使用して腫瘍細胞を選択的に治療するユニークな放射線療法である。一方で、ホウ素化合物の時間空間的不均一性が細胞殺傷効果に与える影響は依然として不明である。そこで本研究では、放射線追跡検出器、細胞周期解析、生物物理学的シミュレーションの技術を組合わせた研究手法により、Fucci細胞周期可視化システムを発現するHeLa細胞における細胞周期依存的BPA取り込み不均一性と
B(n, 
)
Li反応の生物学的影響、さらにはポリビニルアルコール(PVA)の修飾効果を定量的に評価した。その結果、S/G2/M期の細胞内BPA濃度がG1/S期よりも高く、PVAが細胞周期依存性を修飾することを明らかにした。また、BPA-PVA実測値を使用することでBNCT治療効果を予測する新たなモデルを開発に成功した。本成果は、BNCTとPVAおよび/または細胞周期特異的抗がん剤を組み合わせた治療が、治療効果の精度向上に寄与する可能性を示している。
松谷 悠佑; 佐藤 達彦; 谷内 淑恵*; 伊達 広行*; 浜田 信行*
Scientific Reports (Internet), 14, p.12160_1 - 12160_14, 2024/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Multidisciplinary Sciences)電離放射線による被ばく後のヒト水晶体上皮細胞(HLEC)の反応に関する知識は、放射線防護や治療分野で懸念される放射線白内障の発生メカニズムを理解するために重要である。しかし、長期にわたる放射線被ばく後のHLECにおける生物学的影響は未だ十分に研究されていない。本研究では、様々な線量率を用いて光子線を照射した後のHLECのDNA二本鎖切断(DSB)の時間変化と細胞生存率を測定し、ヒト肺線維芽細胞(WI-38)と比較するとともに、照射中や照射後のDSB修復動態を考慮した細胞応答を予測可能モデルにより解析した。その結果、HLECの修復率はWI-38より低いことが明らかになった。また、0.033
1.82Gy/minの線量率の範囲では、両細胞の生存率に対して線量率の有意な影響は認められなかった。一方、修復後に残存するDSBは、モデル予測と比較して逆線量率効果を示し、水晶体に対する放射線の影響を評価する際の逆線量率効果の重要性を浮き彫りにした。
野島 瞳*; 戒田 篤志*; 松谷 悠佑; 宇尾 基弘*; 吉村 亮一*; Arazi, L.*; 三浦 雅彦*
Scientific Reports (Internet), 14, p.11468_1 - 11468_13, 2024/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Multidisciplinary Sciences)拡散アルファエミッター放射線療法(Alpha-DaRT)は、粒子を放射するシードを固形腫瘍に留置することにより、シード周囲のがん細胞を死滅させるユニークな放射線治療法である。DNA損傷応答は放射線照射後の細胞死を決定する重要な細胞応答であるが、Alpha-DaRT治療中にDNA損傷応答がどのように発生するかは調査されてない。本研究では、Fucci細胞周期可視化システムを発現するHeLa細胞を用いた細胞実験により、Alpha-DaRT治療中のDNA二本鎖切断数およびG2停止を含むDNA損傷応答の時空間特性を測定した。その結果、固体飛跡検出器CR-39によって検出されたアルファ粒子数と、DNA損傷の検出マーカーである
-H2AX染色に強い相関を認め、G2停止細胞の領域は24時間までより広範囲に広がっていることが明らかとなった。また、タイムラプス観察により、シードからの距離に応じて細胞周期の動態が変化することが分かった。本研究における実験モデルから、Alpha-DaRT治療時におけるシード周辺のDNA損傷応答の時空間情報が初めて明らかとなった。
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(4), p.101437_1 - 101437_5, 2024/04
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。
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：0.00(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：0.00(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。
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, 69(3), p.035005_1 - 035005_12, 2024/02
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(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。
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, 61(1), p.127 - 135, 2024/01
被引用回数：53 パーセンタイル：99.93(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。
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：2 パーセンタイル：92.62(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。
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：1 パーセンタイル：20.85(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：3 パーセンタイル：44.25(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：5 パーセンタイル：80.72(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：2 パーセンタイル：57.78(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。
