レーザー・アブレージョン・ドラグ・デリバリー法の開発とその衝撃波工学的研究

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レーザー・アブレージョン・ドラグ・デリバリー法

の開発とその衝撃波工学的研究

著者

高山和喜

(2)

レーザー･アプレ-ジョン･ドラグ･デリ/叩一法の開発と

その衝撃波工学的研究

(課題番号12355009)

平成12年度∼平成14年度科学研究費補助金(基盤府乾G4)く2))

研究成果報告書

平成15年3月

研究代表者高山和書

(東北大学流体科学研究所･教授)

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レーザー･アプレ-ジョン･ドラグ･デリ/叩一法の開発と

その衝撃波工学的研究

(課題番号12355009)

平成12年度∼平成14年度科学研究費補助金(基盤御免(A)(2))

研究成果報告書

平成15年3月

研究代表者高山和書

(東北大学流体科学研究所･教授)

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はしがき

東北大学流体科学研究所付属研究施設･衝撃波研究センターでは､ 1980年以来､東北大学医

学部との共同研究の一環として衝撃波の医療応用に関する基礎研究を推進し､水中衝撃波の収束

に関する基礎を解明している｡その成果は体外衝撃波結石破砕装置の開発に結び付き､ 1987年､

装置の臨床利用に承認されている｡同時に､この治療で認められている衝撃波照射に伴う生体損

傷の機序を解明している｡その基礎研究の結果を展開して脳血栓血行再建術を開発し､現在､臨

床に応用できる治療装置をほぼ完成し､詳細調整中である｡

一方､研究の発展は､自然発生的にレーザーアプレージョンを用いるドラッグデリベリー法の

着想に到達し､本科学研究費はこの着想を臨床治療装置の開発に結び付ける基礎研究に関する助

成である｡

また､本研究はこれらの衝撃波援用技術を｢衝撃波医療｣とでも称すべき医療分野の確立する

ことを長期目標とする一要素の開発研究に位置付けられる｡この研究成果報告書は､助成を受け

た研究課題と本研究センターが最近蓄積している､衝撃波医療に関する成果を同時に収録してい

る｡

本科学研究費の助成による研究成果を要約すれば;

金属膜にパルスレーザーを照射すると金属表面は非常な高温になり､レーザー照射方向に金属

プラズマがジェットとなって噴出し､これをアプレージョンと呼ぶ｡このとき金属中には衝撃波

が伝播し､衝撃波がレーザー照射面の反対側で膨張波となって反射する｡この効果で金属膜は非

常な高速で張り出すので､もし金属膜に微粒子を貼付けると､微粒子を1-2km/Sで打ち出す

ことができる｡この原理を利用して､微粒薬剤を生体に導入することができ､同時にこの装置を

内視鏡に組み込んで遺伝子を塗布した金属微粒子を生体の広い部位に導入できるo Q-スイッチ

Nd:YAGレーザーを厚さ5mmの透明なガラス板で裏打ちした0.1m厚のアルミ箔に集光し､裏

｣E

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に貼付けた直径1ミクロンのタングステンおよび金粒子を秒速2km/Sに加速し､寒天層､ネズ

ミ肝臓､ネズミ表皮に貫入させ､最深貫通深さ6mmを得た｡この方法を遊離細胞溶液に適用し

たところタングステン粒子は細胞を貫いた｡これらの知見から､この方法は機械的な遺伝子導入

法として有効に機能するばかりでなく従来技術の欠点を補い臨床治療装置に実用できることを

確認した｡また､微粒子の飛行と貫通の数値模擬を実施し工学的な実証を行った｡

本研究は当初目標を達成し､基礎データ-を集積した｡医学者との連携で治療装置設計を目指

す実用研究が進行中である｡

平成15年3月

高山和書

研究組織

研究代表者:高山和書

研究分担者:井小萩利明

佐宗章弘

斎藤務

和田仁

高橋明

交付決定額(配分類)

(東北大学流体科学研究所)

(東北大学大学院工学研究科)

(東北大学医学系研究科)

(金額単位:千円)

直接経費亊I ｨﾆ N 合計平成12年度 bﾃ 0 bﾃ平成13年度湯ﾃ 2,900 ﾃs 平成14年度澱ﾃ 2,040 唐ﾃイ総計 "ﾃc 4,940 rﾃSC

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-2-研究発表

(I)学術誌

T･ Hiran0, M･ Komatsu, M･ Ezura, H. Uenohara, A. Thkahashi, K. Thkayama, T. Yoshimoto Formation of a Liquid jet by Interaction between a Laser-Induce Bubbleand a Shock Wave

InterventuinalNeuroradiology Vol. 7, pp3 5-40,(200 1 )

Hirano T, Komatsu M, Saeki T, Uenohara H, Thkahashi A, Takayama K, Yoshimoto T.

Enhancement of Fibrinolyticswith a laser-induced liquid jet Lasers in Surg. And Med, Vol.29, pp.360-368,(2001)

Atsuhiro Nakagawa, Takayuki Hiran0, Makoto Komatsu, Mariko Sato, etal

Holomium:YAG Laser-InducedLiquid Jet Knife: Possible Novel Method for Dissection Lasers in Surg･and Med, Vol･31, No.2, pp.129-135,(2002)

T･ Hiran0, M･ Komatsu, H･ Uenohara, A. Tbkahashi, K. Takayama

A Novel Method ofDmg Delivery f♭r Fibrinolysis with Ho: YAG Laser-Induced Liquid Jet

Lasers Med. Sci.Vol.17, pp.165-172, (2002)

高山和書

レーザーアプレ-ジョンを用いる遺伝子導入装置の開発

日本エムイ-学会誌､ vol.16, No.2, pp.37-45, (2002)

N･ Bazulev, N･ Fomin, C･ Fuentes, T･ Hiran0, E. Lavinskajya, S. Martemianov, T. Mizukaki, A. Nakagawa,

R. Rubnikovich, J.-B. Saulnier, K. Thkayama, J.-L Tuhault

Laser Monitor for SoRand Hard Biotissue Analysis Using Dynamic Speckle Photography Laser physics, Vbl.13, No.5, pp.1-10, (2003)

(2)口頭発表および講演論文集

小野洋也､斎藤務､高山和書､平野孝幸､吉本高志､上ノ原広司､高橋昇

岐部動脈癌内流れの数値解析

平成11年度衝撃波シンポジウム講演論文集pp.661-664, (2000)

S.Moosavi Nejad, M.Satoh, N.Ioritani, S.Saito, S.Orikasa

Mo叩hological and cytoskeletal changes in human renal cell carcinoma induced by shock waves

S･H･R･Hosseini, S.Moosavi Nejad, K.Takayama

Study of underwater shock wave propagation in non-uniform media for medical applications

高山和書

衝撃波の医療応用と脳神経血管内治療

第16回日本脳神経血管内治療学会,pp.110,(2000)

Hosseini,S.H.R., Hiran0,T.,Onodera,0.and Takayama,K.

Study of Ho:YAG laser generated underwater shock wavesand cavitybubble for revascularization therapy Proc･ of IMEC&E 2000, ASME Int･ Mech･ Eng･ Congress&Exposition, Bioeng. Division, (2000)

(7)

-3-Kazuyoshi Takayama

Underwater Shock Wave to Medicine

proc. of IMEC&E 2000, ASME Int. Mech. Eng. Congress&Exposition, Bioeng･Division, (2000)

S. Moosavi-Nejad, M. Satoh, K･ Thkayama

study of Shock Wave Induced Cytoskeletal DeformationinHuman RenalCell Carcinoma

proc. of the 23rd tnt. Symp. on Shock Waves, Texas ,ppl897-903, (2001)

G.Jagadeesh, I.Kawagishi, K.Thkayama, A･Takahashi･ J･Cole,and K･P･J･Reddy

A newmicroIParticle delivery system using laser ablation

proc. of the 23rd tnt. Symp. on Shock Waves, Texas ,pp･859-865, (2001)

佐伯俊郎､平野孝幸､小松真､上之原広司､高橋明､吉本高志､高山和書

光ファイバー先端形状が衝撃波とレーザー気泡発生過程に与える影響

平成12年度衝撃波シンポジウム講演論文集,pp.205-208, (2001) 平野孝幸､小松真､佐伯俊郎､ S.H.良.Hosseini,上之原広司､高橋明､高山和書､吉本高志

レーザー誘発気泡と衝撃波の干渉による血栓破砕法

平成12年度衝撃波シンポジウム講演論文集,pp213-216, (2001)

平野孝幸､ ′J､松真､佐伯俊郎､江面正幸,上之原広司､高橋明､高山和書､吉本高志

qスイッチパルスHo‥YAGレーザー脳塞栓破砕術に関する基礎研究

日本機会学会第13回バイオエンジニアリング講演会,pp258-259, (2001)

M. Komatsu, T. Hirano, A･ Nakagawa, T･ Saeki, H･ Uenohara, A･ Takahashi, T･ Yoshimoto,and K･

Takayama

Basic research on laser-induced shockn)ubble interaction and waterflOw for medicalapplication

proc. of lst Int. Symp. on Advanced Fluid Inf･, Sendai, pp･567-572, (2001)

平野孝幸､小松真､中川敦寛､佐藤真理子､上ノ原広司､高橋明､高山和書､吉本高志

Ho:YAGレーザー誘起液体ジェットによる血管内治療法

中川敦寛､日下康子､平野孝幸､小松真､佐藤真理子､吉田貴之､白根礼造､高山和書､吉本高

志

衝撃波による骨形成誘導に関する基礎的研究

A･Nakagawa, Y, Kusaka, T･ HiraJIO, M･ Sato, R･ Shirane, K･ Takayama, T･ Yoshimoto

Application of Low Amplitude Shock Wave for Cranioplasty: Experiment in the Rat Calvarium

proc. of the tnt. Fed. for Med.and Biol･ Eng･, 2nd EuropeanMed･ BioL Eng･ Conference, Vienna, pp･1004

-1005, (2002),

T. Hiran0, H. Uenohara, A･ Nakagawa, M･ Sato , A･ Takahashi, K･ Takayama, T･ Yoshimoto

A Novel Dmg Delivery System with HO:YAG LaseトInduced Liquid Jet

proc. of the Int. Fed. for Med.and Biol･ Eng･, 2nd EuropeanMedicaland Biol･Eng.Conference, Vierma,

pp.looる -1007, (2002)

(8)

-4-A･ Nakagawa, Y･ Kusaka, T･ Hiran0, M･ Sato, H･ Uenohara, R･ Shirane･ K･ Thkayama, T･ Yoshimoto

Biological Effects of Shock Waves: pressure Dependent PathologiCalChanges in the Rat Brain

proc. of the Int. Fed. for Med･and Biol･Eng･, 2nd EuropeanMed･ Biol･ Eng･ Conference, Vienna, pp･984

-985,(2002)

Mariko Sato, Atushiro Nakagawa, Thkayuki Hiran0, Yasuko Kusaka, Hiroshi Uenohara, Reizo Shirane,

Kazuyoshi Thkayama, Takashi Yoshimoto

Biologicaleffect of shock waves:hemorrhage inthe rat brain-pathological evaluation and analysis of shock

wave propagation in barin phantom in high-Speed camera

Book of Abstract of tnt. Congress on High-Speed Photographyand Photonics,(2002)

Takayuki Hirano, Atsuhiro Nakagawa, Mariko Satoh, Hiroshi Uenohara, Makoto Komatsu, Akira Takahashi, KaLZnyOShi Takayama, Takashi Yoshimoto

Analysis of血e Ho:YAG laser-induced liquid jet wi也a high-speed photography Book of Abstract of tnt. Congress 9n High-Speed Photographyand Photonics,(2002)

中川敦寛､日下康子､平野孝幸､佐藤真理子､斎藤務､白根礼造､高山和書

衝撃波を用いた頭蓋骨形成:衝撃波照射方法と安全性に関する検討

平成14年度衝撃波シンポジウム講演論文集, pp.413-416,(2003)

中川敦寛､平野孝幸､上ノ原広司､斎藤務､高山和書

衝撃波による圧依存性脳損傷に関する組織学的検討

平成14年度衝撃波シンポジウム講演論文集, pp.417-420,(2003)

上ノ原広司､平野孝幸､中川敦寛､佐藤泰彦､佐藤真理子､城倉英史､白根礼造､高山和書､

Ho:YAGレーザー誘発液体ジェットの低襲医療用手術装置としての可能悼

平成14年度衝撃波シンポジウム講演論文集,pp.421-424, (2003) (3)出版物 K. Takayama

shock Focusslng Effect in Medical Scienceand Sonoluminescence, R･C･ Srivastava, D･ Leutloff, K･

1盲kayama, H. Groenig(eds)

chapter 6: Focuslng Of Shock Wavesand Their Applications to Medicine

Springe-Verlag, Heidelberg, pp･ 1 21-1 49, (2003)

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レーザー・アブレージョン・ドラグ・デリバリー法の開発とその衝撃波工学的研究