Numerical investigation of transport transition in biological membrane due to charge and electric field induced by discharge plasma

放电等离子体引起的电荷和电场引起的生物膜传输转变的数值研究

• 批准号: 21H01317
• 负责人: 内田 諭
• 金额: $ 8.15万
• 依托单位: Tokyo Metropolitan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01317/
• 关键词: 電荷; 電界; プラズマ医療; 分子動力学法; 細胞膜

近年、大気圧プラズマ照射による医療応用が進展し、がん治療、止血処置や遺伝子導入における有用な成果が得られている。これらは、主に放電由来の化学活性種が外的因子となり、細胞を刺激して生じることが実験的に示されている。一方でプラズマが細胞近傍に誘起する電荷や電界は、表面帯電や膜電位変動を介して細胞膜の物質輸送へ直接的に影響を与えうるが、その機構は十分に理解されていない。本研究の目的は、プラズマが誘起する電荷および電界が細胞膜の物質輸送機能に対してどのような影響を与えるか、その物理的特性を明確にするため、プラズマ・希薄水層・細胞膜の各階層を数値的にモデル化して、界面パラメータを介した統合を行うとともに、電流電圧条件を精査することで、膜帯電および膜電位に対する細胞電気定数ならびに膜輸送係数の変移を定量化することである。具体的には、（１）大気圧グロー放電照射により生じる細胞膜への誘起電荷および電界を導出する。（２）希薄水層上の気液界面における荷電粒子分布を分子動力学的に解析する。（３）界面の電気二重層を含む帯電細胞膜をモデル化し、細胞電気定数の変動を検証する。（４）３階層間における誘起電荷量ならびに電界分布を整合したモデルを構築して、電界印加時における細胞膜の膜輸送係数を定量化する。（５）実験結果と比較して、細胞膜における浸透機構および浸透効率を考察する。上記の目的を達成するため、プラズマ・希薄水層・細胞膜を数値モデル化し、段階的な計算工程にて研究を行う必要がある。そこで、本年度は、前年度の基本モデルで得られた電荷・電界パラメータを介して、統合モデルへの拡張を行った。実際に、① 誘起膜電位の等価回路検証、② 電界下における希薄水層内の電荷移動解析、③ 帯電膜における電気定数変移の考察を行った。

In recent years, large 気 圧 プ ラ ズ マ irradiation に よ る medical 応 し が progress, が ん treatment, hemostatic 処 や posthumous son 伝 import に お け が る な useful results have ら れ て い る. こ れ ら は, main origin の に discharge factor outside the chemical activity of が と な り, cell を stimulus し て raw じ る こ と が be 験 に さ in れ て い る. Side で プ ラ ズ マ nearly alongside に が cells induced す る や electric industry 帯 は, surface electric charge や membrane potential - move を interface し て の cell membrane material conveying へ に directly affect を and え う る が, そ の institutions は very に understand さ れ て い な い. は の purpose, this study プ ラ ズ マ が induced す る charge お よ び electricity industry が の cell membrane material conveying function に し seaborne て ど の よ う な influence を and え る か, そ の physical characteristics を に す る た め, プ ラ ズ マ, and thin layer, the cell membrane の を all strata of the numerical に モ デ ル change し て, interface パ ラ メ ー タ を interface し た integrated line を う と と も に, current Electric 圧 conditions を fine check す る こ と で, membrane 帯 electric お よ び membrane potential に す seaborne る cells electric 気 destiny な ら び に membrane transport coefficient の - move を quantitative す る こ と で あ る. Specifically, に する, (1) atmospheric pressure グロ <s:1> discharge irradiates によ symbiotic じる cell membrane へ, the charge is induced by radiation および the electrical field を leads out する. (2) に molecular dynamics analysis する of the distribution of charged particles at the における gas-liquid interface on a thin water layer を. (3) The interface <s:1> electrical double layer を contains む charged cell membranes をモデ and, and the cell electrical fixed number <s:1> changes を検. (4) 3 class に お け る induced charge な ら び に electricity industry distribution を integration し た モ デ ル を build し て, electricity industry when the Inca に お け る の cell membrane membrane transport coefficient を quantitative す る. (5) Experimental results: と comparison of て, cell membrane における permeation mechanism および permeation efficiency を investigation する. Written の purpose を reach す る た め, プ ラ ズ マ, and thin layer, the cell membrane を the numerical モ デ ル し, Duan Jie な calculation of engineering に て を line う necessary が あ る. そ こ で, は this year, before the annual basic モ の デ ル で have ら れ た charge, electric industry パ ラ メ ー タ を interface し て, integrative モ デ ル へ の line company, zhang を っ た. Actual に, ① proof of 価 circuits such as induced membrane potential <e:1> 検, ② analysis of <s:1> charge movement in における thin water layers under the electric field, ③ investigation of における electrical value change <e:1> in charged membranes を field った.

项目成果

プラズマ―生体間の電荷・電界による膜機能制御の分子計算評価

等离子体与活体之间的电荷/电场控制膜功能的分子计算评估

• 发表时间: 2021
• 作者: Ito Hiroki;AprilPyone MaungMaung;Shiota Sayaka;Kiya Hitoshi;内田 諭
• 通讯作者: 内田 諭

大気圧プラズマ照射によるがん細胞への電気的作用の数値解析

大气压等离子体照射对癌细胞电效应的数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 山内 翔太;岩田 優太;八木 一平;内田 諭
• 通讯作者: 内田 諭

umerical Analysis of Changes in Transport Properties in Biological Membranes Due to Plasma-induced Charges and Electric Fields

等离子体感应电荷和电场引起的生物膜传输特性变化的数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuta Iwata;Kosuke Takami;Ippei Yagi;Satoshi Uchida;Takehiko Sato
• 通讯作者: Takehiko Sato

電界下におけるプラズマ誘起種の膜透過性の分子動力学解析

电场下等离子体诱导物质膜渗透性的分子动力学分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Yaxiang Wu;Takashi Tomura;Jiro Hirokawa;and Miao Zhang;内田 諭，八木 一平，佐藤 岳彦
• 通讯作者: 内田 諭，八木 一平，佐藤 岳彦

Basic verification of cancer cell separation characteristics in a dielectrophoretic device using microcylindrical electrodes

• DOI: 10.1002/ecj.12328
• 发表时间: 2021-10
• 期刊: Electronics and Communications in Japan
• 影响因子: 0.3
• 作者: Hideo Miyamukai;I. Yagi;S. Uchida;Masayo Takano;Y. Wakizaka;Takaharu Enjoji