超音波キャビテーション下における内皮細胞ネットワークの動的損傷の理論的および実験的研究

2025-04-20 Sun
内皮細胞（Endothelial Cells）は血管系において重要な役割を果たしており、細胞間結合（Intercellular Junctions, IJs）を通じて止血、血管拡張、免疫および炎症反応を調節しています。しかし、過度の機械的負荷は内皮細胞の損傷や内皮バリア機能障害を引き起こす可能性があります。細胞間結合の動的破壊メカニズムを理解することは、腫瘍破壊、血管リモデリング、薬物送達などの実用的な応用を探る上で重要な意義を持ちます。超音波キャビテーション（Ultrasound Cavitation）は、気泡の振動と破裂によって局所的な高エネルギーを生成し、軟組織に損傷を与える新興技術として注目されています。しかし、超音波キャビテーションが内皮細胞ネットワークに与える損傷メカニズムは未解明であり、これが医学分野での精密な応用を制限しています。そこで、本研究は理論モデリングと実験検証を通じて、超音波キャビテーションが内皮細胞ネットワークに与える動的損傷メカニズムを明らかにすることを目的としています。
論文の出典本論文は、Chuangjian Xia、Jiwen Hu、Kun Zhou、Yingjie Li、Sha Yuan、Qinlin Liらによって共同執筆され、研究チームは中国南華大学の数学与物理学院、衡陽医学院、電気工程学院に所属しています。論文は2024年11月28日に『Cellular and Molecular Bioengineering』誌にオンライン掲載され、タイトルは「Theoretical and Experimental Studies of the Dynamic Damage of Endothelial Cellular Networks under Ultrasound Cavitation」です。
研究のプロセスと詳細1. 理論モデリング研究チームはまず、複合六角形構造に基づく細胞ネットワークモデルを構築し、内皮細胞間の結合をシミュレーションしました。細胞間結合は非線形バネシステムで構成され、粘弾性と減衰特性を持つと仮定しました。モデルは、細胞間結合、細胞内部の繊維結合、細胞と基質の結合の3種類の結合方式を考慮しました。応力緩和（Stress Relaxation）とひずみ蓄積（Strain Accumulation）の方法を導入し、外部力作用下での細胞ネットワークの動的応答をシミュレーションしました。
2. 数値シミュレーション研究ではRunge-Kutta（4,5）法を用いてモデルを数値的に解き、異なる外部力条件下での細胞ネットワークの損傷進化プロセスをシミュレーションしました。力の振幅（Force Amplitude）、駆動周波数（Driving Frequency）、パルス周波数（Pulse Frequency）を調整し、細胞ネットワークの損傷蓄積効果を分析しました。シミュレーション結果は、細胞ネットワークの損傷が力の振幅とパルス周波数に正比例し、駆動周波数に反比例することを示しました。
3. 実験検証実験では、ヒト臍帯静脈内皮細胞（Human Umbilical Vein Endothelial Cells, HUVECs）を研究対象として使用しました。実験装置には、超音波キャビテーション効果を発生させるための単一要素集束超音波トランスデューサー（Focused Ultrasound Transducer）が含まれています。顕微鏡観察と画像処理ソフトウェアImageJを使用し、異なる超音波エネルギーとパルス周波数下でのHUVECsの損傷形態を記録しました。実験結果は、超音波キャビテーションが内皮細胞ネットワークに与える損傷が明らかな蓄積効果を持つこと、また損傷率が超音波エネルギーに正比例することを示しました。
主な結果1. 応力-ひずみ応答シミュレーション結果は、細胞間結合の応力-ひずみ応答が顕著な非線形特性を持つことを示しました。ひずみが0.02未満の場合、応力とひずみは正比例します；ひずみが0.02から0.05の間では、結合が強化段階に入ります；ひずみが0.05を超えると、結合が圧縮段階に入り、最終的に破壊されます。この結果は、フィブリンファイバーの力学挙動と一致しています。
2. 細胞損傷の蓄積シミュレーションと実験の両方で、細胞ネットワークの損傷が明らかな蓄積効果を持つことが示されました。低負荷条件下では、細胞損傷は1800サイクル後に顕著に増加します；一方、高負荷条件下では、損傷率は3000サイクル後に60％に達します。実験はさらにモデルの有効性を検証し、超音波キャビテーションが内皮細胞ネットワークに与える損傷が閾値効果を持つこと、超音波エネルギーが0.3 Jを超えると損傷が顕著に増加することを示しました。
3. 損傷形態の進化シミュレーションと実験の両方で、細胞ネットワークの断裂と細胞の移動現象が観察されました。外部力が持続的に作用するにつれて、細胞間結合が徐々に断裂し、大きな隙間が形成され、一部の細胞が元の位置から離れて「細胞島」を形成します。この現象は、超音波キャビテーション実験での観察結果と高い一致を示しました。
結論と意義本研究は、理論モデリングと実験検証を通じて、超音波キャビテーションが内皮細胞ネットワークに与える動的損傷メカニズムを明らかにしました。研究結果は、細胞ネットワークの損傷が外部力の振幅、周波数、パルス周波数と密接に関連しており、損傷が蓄積効果を持つことを示しました。この発見は、超音波キャビテーションの腫瘍治療、血管リモデリング、薬物送達などの分野での応用に重要な理論的根拠を提供します。さらに、本研究で提案された細胞ネットワークモデルは、内皮組織の損傷メカニズムを理解するための新しいプラットフォームを提供し、より効果的な予防および治療法の開発に貢献します。
研究のハイライト革新的なモデル：初めて複合六角形構造を内皮細胞ネットワークのモデリングに適用し、細胞間結合の非線形性と粘弾性特性を考慮しました。

マルチスケール検証：数値シミュレーションと実験検証を組み合わせることで、超音波キャビテーションが内皮細胞ネットワークに与える損傷メカニズムを包括的に明らかにしました。

応用価値：研究結果は、超音波キャビテーションの医学分野での精密な応用、特に腫瘍治療と薬物送達において重要な理論的サポートを提供します。

その他の価値ある情報研究チームはまた、低周波超音波が細胞ネットワークの損傷を引き起こしやすいことを発見し、これは超音波キャビテーション技術のパラメータ最適化に重要な参考となります。さらに、本研究で提案されたモデルは、他の種類の細胞や組織に拡張することが可能であり、生体力学研究のための新しいツールを提供します。