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論文

Target irradiation of individual cells using focusing heavy-ion microbeam of JAEA-Takasaki, 5; Irradiation of individual cells with scanned heavy-ion microbeam

舟山 知夫; 横田 裕一郎; 鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 小林 泰彦

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 73, 2015/03

原子力機構・マイクロビーム細胞照射研究グループでは、集束式重イオンマイクロビームを用いた、従来のコリメーション式重イオンマイクロビームを用いた照射より高速でかつ正確な細胞照準照射技術の開発を進めている。これまでに集束式重イオンマイクロビームを用いた細胞の照準照射のための要素技術の開発を行ってきた。そこで、2013年度は、これまでに確立したそれらの要素技術を用いて、実際の細胞への高速で正確な照準照射技術の確立を目指す実験を実施した。実験では、ヒト子宮頸がん細胞由来細胞株HeLaを用い、顕微鏡下で細胞試料へのスキャンビームを用いた照準照射を行った。その結果、CR-39上で検出したイオンヒット位置と、細胞核内に検出された$$gamma$$ H2AXフォーカスの位置が一致したことから、細胞への高速な照準照射を実現することができたことが確かめられた。

論文

バイスタンダー効果を介した放射線適応応答誘導の機構

松本 英樹*; 冨田 雅典*; 大塚 健介*; 畑下 昌範*; 前田 宗利*; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 池田 裕子; et al.

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 76, 2015/03

低線量/低線量率放射線に対して生物が示す特異的な応答様式には、放射線適応応答、放射線誘発バイスタンダー応答、放射線超高感受性、遺伝的不安定性等がある。我々は、原子力機構において開発された細胞局部照射装置(HZ1)および深度制御種子照射装置(HY1)を用いて、放射線誘発バイスタンダー応答による放射線適応応答の誘導機構の解析を実施した。中央にスポットしたコロニーの細胞に520MeV $$^{40}$$Ar$$^{14+}$$をマイクロビーム照射し、4-6時間培養後に同$$^{40}$$Ar$$^{14+}$$をブロードビーム照射した結果、放射線適応応答の誘導が認められ、この誘導はNO特異的な捕捉剤であるcarboxy-PTIOの添加でほぼ完全に抑制された。このマイクロビーム照射による放射線適応応答の誘導が起きた細胞で、${it iNos}$遺伝子の発現が特異的に発現誘導されていることが見いだされ、放射線適応応答の誘導にNOを介したバイスタンダー効果の誘導が関与していることが強く示唆された。

論文

Analysis of bystander response in 3D cultured tissue induced by heavy-ion microbeam irradiation

冨田 雅典*; 松本 英樹*; 大塚 健介*; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 鈴木 芳代; 坂下 哲哉; 小林 泰彦

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 77, 2015/03

低粒子数の重イオン線による生物影響を解明する上で、DNA初期損傷量に依存しない「非標的効果」が注目されている。特に、放射線に直接曝露された細胞の近傍に存在する全く放射線に曝露されていない細胞において観察される「放射線誘発バイスタンダー応答」は、最も特徴的な非標的効果であり、その解明は放射線生物学のみならず、粒子線がん治療、宇宙放射線の生体影響評価においても重要である。本研究は、これまでの2次元での培養細胞を用いた研究から、組織レベルでの生体応答研究への展開を図るため、分化誘導させたヒト3次元培養皮膚モデルを用い、原子力機構の細胞局部照射装置を利用し、放射線誘発バイスタンダー応答によって生じるシグナル伝達経路の変化を明らかにすることを目的とした。2015年度は、ヒト3次元培養皮膚モデルへの重イオンマイクロビーム照射条件の検討を行い、照射した試料のMTT法による生細胞率測定を実施し、試料全体を重イオンビームで照射したものと比較した。その結果、全体照射した試料では生存率の低下が認められた一方、本条件でマイクロビーム照射した試料では生存率の低下が認められなかった。

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

Medaka blastoderm cells are capable of compensating the injured cells irradiated by carbon-ion micro-beam

保田 隆子*; 尾田 正二*; 浅香 智美*; 舟山 知夫; 横田 裕一郎; 武藤 泰子*; 池田 裕子; 小林 泰彦; 三谷 啓志*

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 85, 2015/03

本研究では、卵殻が透明で発生までの全過程を生きたまま詳細に観察可能なメダカ胞胚期に重イオン照射を行い、その後の発生を詳細に観察した。メダカ胞胚期に炭素線をブロードビーム照射した結果、10Gyでは体軸形成不能、5Gyでは体軸形成異常、2Gyでは器官形成異常が観察され、全て早期胚死となり孵化には至らなかった。次に、炭素線マイクロビーム(ビーム径120および180$$mu$$m)を用いて胚盤(約500$$mu$$m径)中央を局部照射し、胚盤全体をブロードビーム照射した試料と比較した。その結果、局部照射した試料では、発生遅延や、眼組織における器官形成異常が観察された。一方、孵化率では、全体照射した試料では2Gyでほとんどの胚が孵化できなかったが、炭素イオンマイクロビームで胚盤中央部のみを50Gyで局部照射した試料では約半数の胚で正常な孵化が観察された。

論文

Genetic changes in progeny of bystander human fibroblasts after microbeam irradiation with X-rays, protons or carbon ions; The Relevance to cancer risk

Autsavapromporn, N.*; Plante, I.*; Liu, C.*; 小西 輝昭*; 宇佐美 徳子*; 舟山 知夫; Azzam, E.*; 村上 健*; 鈴木 雅雄*

International Journal of Radiation Biology, 91(1), p.62 - 70, 2015/01

 被引用回数:15 パーセンタイル:5.53(Biology)

放射線がん治療の実施にあたり、放射線誘発バイスタンダー効果が治療域周辺の正常細胞に健康影響リスクを及ぼすかどうかは重要な問題である。そこで、本研究では、バイスタンダー効果が誘導された細胞の子孫細胞における有害影響の伝播に、照射した放射線の線質と、ギャップジャンクションを介した細胞間情報伝達機構が果たす役割について解析を行った。実験では、コンフルエントに培養したヒト正常線維芽細胞試料に対し、LETの異なるマイクロビームで、その全体の0.036$$sim$$0.4%の細胞のみに照射を行い、バイスタンダー効果を誘導した。この細胞を照射後20世代にわたって培養し回収した後に、微小核形成、${it HPRT}$遺伝子への変異誘発、及びタンパク質酸化を指標に解析を行った。その結果、バイスタンダー細胞の子孫細胞における有害影響の伝播は、照射した放射線のLETによって違いがあることが明らかになった。

論文

Observation of radiation damage induced by single-ion hits at the heavy ion microbeam system

神谷 富裕; 酒井 卓郎; 平尾 敏雄; 及川 将一*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 181(1-4), p.280 - 285, 2001/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:76.71

原研高崎の重イオンマイクロビーム・シングルイオンヒットシステムを用いて、Si PINダイオードの局所領域にMeVエネルギーの重イオンを繰り返し入射することにより過渡電流波高をすべて計測し、照射損傷に由来する波高の減衰を観察した。その減衰傾向を特徴づけるため、統計関数ワイブル分布関数を導入し、データ解析を行った。$$mu$$m$$^{2}$$レベルで照射面積を変化させた場合、明らかな減衰傾向の違いが見られ、実験データから照射損傷と電荷収集の平面方向の広がりに関する情報を引出し得ることが示唆された。これらの測定を再現するために単純なモデルによるモンテカルロシミュレーションも試みた。発表では、照射実験、データ解析及びシミュレーションについて述べ議論する。

論文

Fate mapping of the cellular blastoderm stage egg of the silkworm, ${{it Bombyx mori}}$, by localized irradiation of heavy ion microbeams

木口 憲爾*; 金城 雄*; 正橋 佳世子*; Tu, Z.; 田村 元*; 白井 孝*; 金勝 廉介*; 小林 泰彦; 田口 光正; 渡辺 宏

JAERI-Review 2000-024, TIARA Annual Report 1999, p.51 - 53, 2000/10

日本原子力研究所高崎研究所の細胞局部照射装置を利用して、家蚕の初期発生制御機構の解析を進めている。これまでの研究から、重イオンマイクロビームを細胞性胞胚期卵のさまざまな部位に照射すると、照射面積、線量及び照射部位に応じて、照射卵から孵化した幼虫の体節や付属肢等に欠失、重複、融合などの形態異常が生じることが判明している。そこで、照射部位と異常発生部位との対応関係を追求、発生研究の基礎となる発生予定原基分布図(fate-map)の作成を試みた。その結果、胚域の前極側から後極側に向かって頭部から尾部形成領域が順に配列している原基分布図が得られ、受精前のまだ核のない部位へのUVレーザー照射によって得られた原基分布図と、今回作成した細胞性胞胚期卵のそれを比較すると、概略一致するものの、いくつか相異する点があることが明らかになった。

論文

マイクロビームでミクロの外科手術; 発生生物学への応用

木口 憲爾*; 小林 泰彦

放射線と産業, (85), p.30 - 36, 2000/03

原研高崎研で開発された、重イオン照射によるラジオマイクロサージャリ技術を、カイコ受精卵及び幼虫の発生・分化研究に応用した。家蚕幼虫の造血器官存在部位を局部照射または全体照射し、血球の計数、血漿蛋白質の分析、遊離アミノ酸の測定などにより重イオン照射の影響を解析した。全体照射蚕の血球数は雌雄とも5齢起蚕から4日目までほとんど増加せず、熟蚕によりやや回復した。一方、造血器官存在部位のみへの局部照射によっても全体照射と同様の影響が認められ、造血器官存在部位への重イオン局部照射により、血球の機能解析が可能なことが示された。また、カイコ受精卵を炭素イオンマイクロビームで局部照射し、形態異常を誘導する臨界照射面積及び線量、照射部位と異常発生部位との対応関係、照射により損傷を受けた核・細胞の形態変化を調べ、細胞性胞胚期卵のさまざまな部位への局部照射によって誘起された胚子の形態異常の分布から、発生運命予定図(fate map)を作成した。

論文

Effects of heavy ion microbeams on embryogenesis in the silkworm, ${{it Bombyx mori}}$; Morphological changes of the nuclei and cells after spot irradiation

木口 憲爾*; 島 拓郎*; 金城 雄*; Tu, Z. L.*; 山崎 修平*; 小林 泰彦; 田口 光正; 渡辺 宏

JAERI-Review 99-025, TIARA Annual Report 1998, p.53 - 55, 1999/10

日本原子力研究所高崎研究所の細胞局部照射装置を用いてさまざまな生物の受精卵や胚子を重イオンで局部照射することによって、発生過程の解析が可能である。カイコは、その遺伝学的バックボーンや形態的・生理的な特徴から、この実験目的には理想的な材料の一つである。そこで、重イオン局部照射がカイコの初期発生過程に及ぼす影響を調べるために、受精直後の卵及び細胞性胞胚期卵に炭素イオンを局部照射し、照射された分裂核及び細胞の形態変化を観察したところ、照射を受けた分裂核は、その後分裂できずに肥大化し、その多くは正常に移動を続けて周辺細胞質に到達するが、一部は脱落して周囲の正常核と置換する場合があることがわかった。また受精直後卵を局部照射した場合は、発生した胚子には照射による影響が見られなかったのに対し、細胞性胞胚期卵への局部照射では、照射部位に対応した形態異常が胚子に誘導された。

論文

Development of a collimated heavy ion microbeam system for irradiating mammalian cells individually

小林 泰彦; 田口 光正; 渡辺 宏; 山本 和生

JAERI-Review 99-025, TIARA Annual Report 1998, p.50 - 52, 1999/10

動物培養細胞へのシングルイオン照射を行うには、大気中に取り出したイオンが標的となる細胞と培養液及びその容器、さらに飛跡検出用CR-39フィルムを貫通した後、イオンの入射個別を計数するプラスチック・シンチレーターまで届くだけの飛程を有していることが必要である。そのため、高崎研究所のサイクロトロンで得られる高エネルギー重イオンをコリメート系を通して大気中に取り出し、顕微鏡観察下の生物試料に照射することができる細胞局部照射装置を製作した。本装置の照準・観察系顕微鏡の対物レンズの位置にプラスチック・シンチレータを取り付けたフォトマルを取り付け、照射試料を貫通したイオンに由来する信号を検出することによって照射されたイオン個数を計測し、ビームシャッターを駆動して照射を終了するシステムを構築した。試料の位置でのイオンの飛跡のバラツキを厚さ10$$mu$$mのCR-39フィルムを用いて調べたところ、約$$phi$$10$$mu$$mの範囲に集中して照射されていることがわかった。

論文

家蚕幼虫の造血器官への重イオン局部照射とその影響

Tu, Z. L.*; 白井 孝治*; 金勝 廉介*; 木口 憲爾*; 小林 泰彦; 田口 光正; 渡辺 宏

日本蚕糸学雑誌, 68(6), p.491 - 500, 1999/00

昆虫に適用可能な重イオンビームによるラジオサージャリ技術を確立する目的で、原研高崎研の深度制御種子照射装置を用いて家蚕幼虫の造血器官存在部位(翅原基付近)を局部照射または全体照射し、血球の計数、血漿蛋白質の分析、遊離アミノ酸の測定などにより重イオン局部照射の影響を解析した。重イオン全体照射蚕の血球数は雌雄とも5齢起蚕から4日目までほとんど増加せず、熟蚕になりやや回復した。血中のアミノ酸含量も対照蚕より減少した。SDS-PAGEでは、照射蚕の血漿中に特異的に増加する蛋白質のバンドが80kDa付近に認められた。一方、造血器官存在部位のみへの局部照射によっても全体照射と同様の影響が認められた。以上の結果から、造血器官存在部位への重イオン局部照射により、血球の機能解析が可能と考えられる。

論文

An Automated single ion hit at JAERI heavy ion microbeam to observe individual radiation damage

神谷 富裕; 酒井 卓郎; 内藤 豊*; 浜野 毅*; 平尾 敏雄

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 158(1-4), p.255 - 259, 1999/00

 被引用回数:5 パーセンタイル:54.52

原研高崎重イオンマイクロビーム装置において、マイクロビーム走査、試料描画及びシングルイオンヒットシステムが組み合わされて自動ビーム照準シングルイオン照射システムが製作された。これを用いてあらかじめ設定された任意のヒットパターンで短時間にかつ自動的に試料へのシングルイオン照射が可能である。この技術は、シングルイベント過渡電流測定等により、1つ1つのイオンの入射に伴う個々の照射損傷を評価するために確立されたものである。今回の実験では、固体飛跡検出器CR-39を用いて、シングルイオンヒットパターンと照射位置精度の評価を行った。また、粒子検出器としてのSi PINフォトダイオードへの同一ヒットポイントへのくりかえしシングルイオン照射によって、個別の損傷の蓄積効果を観察した。

論文

重イオンマイクロビームによる微細シングルイオンヒットパターン描画

神谷 富裕; 酒井 卓郎; 内藤 豊*; 平尾 敏雄

第11回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会報告集, p.126 - 128, 1998/07

3MWタンデム加速器のビームライン上に設置した重イオンマイクロビーム装置を用いたシングルイオンヒット技術を確立した。これを基に、試料に対してプログラムしたヒット位置と個数に従って自動的にシングルイオン照射するシステムを製作した。ビームのパルス化を制御するパルスジェネレータは、MCPからのシングルイオン検出信号を数えるカウンターと連動し、カウンターが動作中の時のみイオンの入射が許可される。また、イオンの入射がプリセット値に達した瞬間に後続の入射が禁止される。この制御機能がマイクロビーム走査の制御プログラムに組み込まれることにより、イオンを予め入力した個数と位置のデータに基づいて自動的に次々と打ち込むことが可能となった。本システムを用いて15MeVのNiイオンをCr-39上に微細なだるま状のヒットパターンで自動照射することに成功している。

論文

原研重イオンマイクロビームシングルイオンヒット実験

神谷 富裕; 酒井 卓郎; 内藤 豊*; 濱野 毅*; 平尾 敏雄

F-113-'98/NIES, p.60 - 63, 1998/00

原研高崎の重イオンマイクロビームの装置においては、半導体素子のシングルイベント効果の研究のためにシングルイオンヒットシステムの開発を行ってきた。これまでMCP二次電子検出器による100%のシングルイオン検出効率と、ビームパルス化によるノイズ低減化を達成し、多重ヒット、ミスヒットの抑制に成功した。また、目的とする実験を効率よく行うため、試料へのビーム照準とイオンヒット個数の自動制御システムを製作した。これは従来のマイクロビーム走査二次電子マッピングシステムにカウンター制御機能を付加したもので、これによりマイクロビーム走査エリア内において任意の照射位置を予め設定して任意の個数ずつ入射イオンを数えながら順次打ち込むことが可能となった。これらのことを実証するためにCR-39への重イオンマイクロビームのシングルイオン照射実験を行った。

論文

Diagnosis of the profile of the heavy-ion microbeam and estimation of the aiming accuracy of the single-ion-hit with using CR-39

濱野 毅*; 平尾 敏雄; 梨山 勇; 酒井 卓郎; 神谷 富裕; 武部 雅浩*; 石井 慶造*

Radiation Physics and Chemistry, 53(5), p.461 - 467, 1998/00

 パーセンタイル:100

イオンマイクロビームを半導体素子や生体細胞等の微小対象物の照射に用いる場合、イオン一個についてまでの正確な照射領域の評価が必要となる。本論文では、CR-39に重イオンマイクロビームを入射させ、試料に形成されたエッチピットの観察からビームプロファイルモニターとしてCR-39の有用性を検討している。その結果、マイクロビーム照射で見られるビーム飛散を測定できたことより、微小領域照射を行う場合、従来の二次電子像によるビームプロファイル結果をマイクロビーム径として扱う場合、それは半値幅の約2.6倍であることが分かった。以上の結果について実験方法及び測定結果等について報告を行う。

論文

Recent progress in JAERI single ion hit system

酒井 卓郎; 浜野 毅*; 須田 保*; 平尾 敏雄; 神谷 富裕

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 130(1-4), p.498 - 502, 1997/00

 被引用回数:15 パーセンタイル:22.9

宇宙空間で半導体素子に生ずる、シングルイベント効果等の単一重イオンにより発生する現象を解析するためには、1$$mu$$m以下の空間分解能で試料の任意の位置にシングルイオンを入射することができる技術を開発する必要がある。これを行うため、重イオンマイクロビームのパルス化を行い、このパルス幅で検出系にゲートをかけて、ノイズの低減を行い、シングルイオンの試料への入射の検知、制御を行う技術を開発した。このシングルイオンヒット技術の精度を固体飛跡検出器で調べた結果と、望遠顕微鏡でシングルイオンを試料上に照準する技術の開発状況について述べた。

論文

Sub-micron microbeam apparatus for high resolution materials analyses

神谷 富裕; 須田 保*; 田中 隆一

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 118(1-4), p.447 - 450, 1996/09

 被引用回数:28 パーセンタイル:9.1

宇宙用半導体素子におけるシングルイベント効果の微視的機構解明のため、高エネルギーシングルイオンヒットシステムが原研重イオンマイクロビーム装置に組合わされた。シングルイオンヒットシステムではシングルイオン検出器と高速ビームスイッチによって試料へのイオン入射のタイミングと個数が制御できる。シングルイオン検出器の検出効率は15MeV Niに対して100%であった。高速ビームスイッチのスイッチング時間は150nsで、その間での多重ヒットの確率がら、シングルイオンヒットシステムによる極微小電流領域での電流計測と制御の可能性が評価された。

論文

高エネルギー重イオンマイクロビーム装置におけるビーム照準およびシングルイオンヒットシステム

神谷 富裕; 酒井 卓郎; 須田 保*; 濱野 毅*

BEAMS 1995: 第6回粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム講演論文集, 0, p.127 - 130, 1995/00

宇宙用半導体素子のシングルイベント効果(SEU)の研究のため、原研重イオンマイクロビーム装置と組合せたシングルイオンヒットシステムの開発が進められている。ビーム照準は本研究を進めるうえで重要な技術的要素であり、マイクロビームによる試料の二次電子マッピングと高精度試料ステージの駆動により、イオンを目的の位置に打込むことを可能とする。シングルイオンヒットシステムは、シングルイオン検出器と高速ビームスイッチによって構成され、シングルイオンの入射タイミング制御を可能とする。ビームラインへの磁気しゃへいによって、二次電子マッピングにおける漏れ磁場の影響を除くことができた。また、中心開口型の2組のMCPによって構成されるシングルイオン検出器の検出効率を測定し、15MeV Niイオンに対して98%以上の値が得られた。今回は、システムの構成と実験的に得られた知見について考察する。

論文

イオンマイクロビーム技術とその応用の新展開

田中 隆一; 神谷 富裕

放射線, 20(3), p.21 - 32, 1994/00

MeV領域のイオンマイクロビーム技術は、これまで主として局所微量元素分析の手段として、最近十数年間に急速に進歩した。この目的には軽イオンが使われてきたが、新しい応用として、半導体素子や生物細胞等の複雑な内部構造をもつ系内の局所照射効果の研究に重イオンマイクロビームを用いる研究が注目を集めている。ここでは、局所重粒子照射効果の研究を目的とする重イオンマイクロビーム形成、照準及びシングルイオンヒット技術の最近の研究を紹介する。また、サブミクロンあるいはそれ以下のマイクロビーム形成の研究やさらに高いエネルギーのマイクロビーム形成の研究についても言及する。

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