JP2009056222A

JP2009056222A - 生体内細胞刺激装置

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Publication number: JP2009056222A
Application number: JP2007227814A
Authority: JP
Inventors: Shusuke Akiyama; 秀典秋山; Atsushi Katsuki; 淳勝木
Original assignee: Kumamoto University NUC
Current assignee: Kumamoto University NUC
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-09-03
Also published as: JP5186697B2

Abstract

【課題】コンパクトかつ安価な装置で、局所的な治療をすることの可能な生体内細胞刺激装置を提供する。
【解決手段】所定の生体内細胞２を構成する複数の要素のうち所定の要素に含まれる誘電性物質の緩和時間の逆数と等しい値の周波数を基本周波数とする電磁波を発生する電磁波発生器１０と、電磁波発生器１０から出力された電磁波を伝播させる導波管３０と、導波管３０によって導波された電磁波を、所定の生体内細胞２を含む微小領域Ｆに収束照射するパラボラアンテナ４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波の作用により生体内の細胞に含まれる要素を刺激するための生体内細胞刺激装置に関する。

従来から、癌の治療には、全身への侵襲が小さく、身体への負担が少ない局所療法が用いられている。局所療法としては、典型的には放射線療法（非特許文献１）が挙げられる。

「国立がんセンターがん対策情報センターがん情報サービス」ホームページ, http://ganjoho.ncc.go.jp/pub/med_info/treatment/010706.html

放射線療法とは、放射線を癌細胞に照射し、癌細胞内の遺伝子（ＤＮＡ）に刺激（ダメージ）を与え、増殖能力をなくしたり、アポトーシスを増強することにより癌細胞を死に至らしめる（癌細胞を不活性化する）方法であり、この放射線療法によって、癌を治したり、癌の増大による痛みなどの症状を緩和させる。ここで、放射線とは空間や物質中を波のかたちや粒子でエネルギーを伝播するものを総称する言葉であり、放射線は電磁波および粒子線の２種類に大きく分けられる。電磁波にはエックス線やガンマ線などが含まれ、粒子線には電子や、陽子、重粒子（重イオン）などの粒子放射線が含まれる。

なお、以下では、放射線として粒子線を用いた療法や治療のことを特に粒子線療法、粒子線治療と称し、放射線としてエックス線やガンマ線などの電磁波を用いた療法や治療のことを特に放射線療法、放射線治療と称するものとする。また、上記の「刺激（ダメージ）を与える」とは、放射線の強度と印加時間との積の大きさ（刺激の大きさ）に応じて生ずる物理的および化学的な作用を指しており、例えば、癌細胞内の遺伝子（ＤＮＡ）を物理的に断片化することを指している。以下、本願明細書では、この意味において、上記の「刺激（ダメージ）を与える」という言葉を用いるものとする。

放射線治療の方法には身体の外から放射線を照射する外部照射法と、放射線源を直接身体の組織や、食道、子宮といった腔に挿入して治療する密封小線源治療（内部照射法）があるが、現在は外部照射法が主流となっている。

放射線治療を行う際には、一般に、放射線をどの部位に、どの方向から、どのくらいの量を何回に分けて治療するのかという治療計画を立てる。このとき、シミュレータなどを用いて、癌細胞に十分な放射線量が当たり、癌細胞の周囲の正常組織にあまり当たらないように放射線照射の方向を検討する。癌細胞に対して一方向から放射線を照射することが多いが、いくつもの方向から放射線を照射する場合もある。

ところで、エックス線やガンマ線などの電磁波用いた従来の放射線療法では、抗癌剤治療などの全身療法と比べると身体への負担が小さいが、癌患部への局所的な放射線照射が困難であり、放射線が癌細胞の周囲の正常組織にも当たってしまうので、依然として身体への負担が大きかった。また、放射線として粒子線を用いた粒子線療法では、粒子線は癌細胞の周囲の正常組織にはほとんど影響がなく、身体への負担が軽いが、サイクロトロンやシンクロトロンといった加速器などの大規模かつ高額な装置が必要であり、末端の医療施設へ粒子線療法を普及させることが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクトかつ安価な装置で、局所的な治療をすることの可能な生体内細胞刺激装置を提供することにある。

本発明の生体内細胞刺激装置は、生体内の所定の細胞を構成する複数の要素のうち所定の要素に含まれる誘電性物質の緩和時間の逆数と等しい値の周波数を基本周波数とする電磁波を発生する電磁波発生手段と、電磁波発生手段から出力された電磁波を、生体内の所定の細胞を含む微小領域に収束照射する収束照射手段とを備える。

上記電磁波発生手段から出力される電磁波の基本周波数は、例えば５００ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下である。ここで、電磁波発生手段で発生させる電磁波に含まれる基本周波数成分の強度は、誘電性物質を刺激しない程度に小さく、かつ、基本周波数成分を収束照射手段によって微小領域に収束させたときの、その微小領域における基本周波数成分の強度が、誘電性物質を刺激する程度に大きいことが好ましい。また、電磁波発生手段から出力される電磁波は、低調波、非高調波、残留ＦＭ、ＳＳＢ位相雑音などの不要成分が含まれていないことが好ましいが、これら不要成分が含まれている場合は、これら不要成分の強度は、誘電性物質を刺激することのない程度に小さくなっているだけでなく、その不要成分を収束照射手段によって微小領域に収束させたときの、その微小領域における不要成分の強度が、誘電性物質を刺激することのない程度に小さくなっていることが好ましい。

また、上記「生体内の所定の細胞を構成する要素」とは、例えば、核、核小体、微小管、リボソーム、小胞体、ゴルジ体、リソソーム、中心体、分泌顆粒およびミトコンドリアであり、上記「生体内の所定の細胞を構成する要素に含まれる誘電性物質」とは、例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡまたはタンパク質である。

本発明の生体内細胞刺激装置では、生体内の所定の細胞を構成する要素のうち所定の要素に含まれる誘電性物質の緩和時間の逆数と等しい値の周波数を基本周波数とする電磁波が電磁波発生手段から発生し、その電磁波が収束照射手段によって生体内の所定の細胞を含む微小領域に収束照射される。これにより、微小領域だけが強電磁界となるので、基本周波数の逆数と等しい値の緩和時間の誘電性物質を含む、生体内の所定の細胞を構成する要素のうち微小領域に存在する要素だけが電磁波から選択的に刺激を受ける。

本発明の生体内細胞刺激装置によれば、生体内の所定の細胞を構成する要素のうち所定の要素に含まれる誘電性物質の緩和時間の逆数と等しい値の周波数を基本周波数とする電磁波を生体内の所定の細胞を含む微小領域に収束照射するようにしたので、基本周波数の逆数と等しい値の緩和時間の誘電性物質を含む、生体内の所定の細胞を構成する要素のうち微小領域に存在する要素だけに、電磁波による刺激を選択的に与えることができる。これにより、例えば、微小領域に癌細胞が存在する場合には、その微小領域の周囲に存在する細胞に対して刺激を与えることなく、微小領域に存在する癌細胞に刺激を与えることが可能となるので、局所的な治療が可能である。また、本細胞刺激装置では、収束照射手段を用いて、電磁波発生手段から出力された電磁波を微小領域に収束照射するようにしたので、微小領域で必要とされるパワーを電磁波発生手段から出力する必要がないので、粒子線療法で用いられる装置のような大型サイズになることはなく、テーブルトップ程度のサイズにまで小型化可能である。従って、コンパクトかつ安価な装置で、局所的な治療をすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る生体内細胞刺激装置１の概略構成を表すものであり、図２は図１の電磁波発生器１０の内部構成を拡大して模式的に表すものである。この生体内細胞刺激装置１は、電磁波発生器１０（電磁波発生手段）と、同軸線路２０と、モノポールアンテナ３０と、回転楕円形反射鏡４０と、水槽５０とを備える。なお、モノポールアンテナ３０および回転楕円形反射鏡４０が本発明の「収束照射手段」の一具体例に相当する。水槽５０内には、水などの液体が充填されており、その液体に、モノポールアンテナ３０、回転楕円形反射鏡４０および生体６０が浸されている。

ここで、生体６０は、様々な種類の生体内細胞２を含んで構成されており、例えば、癌細胞が存在する患部６０Ａなどを有している。個々の生体内細胞２は、例えば、核、核小体、微小管、リボソーム、小胞体、ゴルジ体、リソソーム、中心体、分泌顆粒、ミトコンドリアなどの細胞内構成要素を含む。なお、生体内細胞２は、動物細胞および植物細胞のいずれでもよく、細胞壁で覆われていても覆われていなくてもよい。また何らかの前処理がなされていても、なされていなくてもよい。

これら細胞内構成要素は、誘電性物質、例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡなどの核酸や、タンパク質を含む。ここで誘電性物質は、その構造や構成分子に応じた固有の緩和時間を有し、この固有の緩和時間の大きさに応じた固有の共鳴周波数を有する。個々の誘電性物質の共鳴周波数は、生体内細胞２の種類や大きさなどによっても異なるが、おおよそ１ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲内に点在している。

電磁波発生器１０は、例えば、いわゆる仮想陰極発振管からなり、陰極１１および陽極１２を、真空管１３内で対向配置して形成されている。

陰極１１は、例えば、真空管１３の内壁に接して設けられた柱状の金属の上面に微細繊維を貼り付けた構造を有している。この陰極１１は、陽極１２にパルス高電圧が印加されたときに発生する陽極１２と陰極１１との間の電界の作用により陰極１１の上面（例えば金属上の微細繊維）から電子を放出させるようになっている。

陽極１２は、例えば、メッシュ状のステンレスを含んで構成されており、真空管１３の側壁を貫通して設けられると共に真空管１３の側壁に設けられた絶縁体１４を介して真空管１３の側壁に固定されている。この陽極１２は、陽極１２にパルス高電圧が印加されたときに発生する陽極１２と陰極１１との間の電界の作用により陰極１１から電子を放出させると共に放出させた電子を所定のエネルギーまで加速させることにより高密度の電子電流を生成させ、その電子電流を、例えばメッシュの隙間を介して陽極１２の裏側に通過させるようになっている。陽極１２を通過した電子は空間電荷のために減速され、その結果として電子のたまり場（仮想陰極１５）が発生する。

真空管１３は、例えば銅からなる導波管であり、グラウンドに接続されている。この真空管１３の電磁波Ｍの放射方向の壁面には、電磁波Ｍを真空管１３の外に取り出す取出窓１６が設けられている。この取出窓１６は、例えば石英からなる。この取出窓１６には導波管・同軸変換部１７が取り付けられており、真空管１３から取り出された電磁波Ｍは、この導波管・同軸変換部１７によって、例えばＴＥＭモードに変換されたのち、同軸線路２０に出力されるようになっている。

この電磁波発生器１０では、一旦仮想陰極１５が発生すると、電子が陰極１１と仮想陰極１３の間を往復するようになり、この往復運動によって電磁波Ｍが発生する。電磁波Ｍの周波数は１ＧＨｚ以上１０ＧＨｚ以下であり、陰極１１と陽極１２との間隔などによってある程度制御可能である。つまり、電磁波発生器１０は、個々の誘電性物質の共鳴周波数の範囲内の電磁波Ｍを発生させることができる。

同軸線路２０は、電磁波発生器１０から放射された電磁波Ｍをモノポールアンテナ３０にまで伝播させる導波路である。同軸線路２０の一端が導波管・同軸変換部１７に取り付けられ、他端がモノポールアンテナ３０に接続されている。

モノポールアンテナ３０は、回転楕円形反射鏡４０の第１焦点Ｆ１に配置されている。回転楕円形反射鏡４０は、回転軸上に２つの焦点（第１焦点Ｆ１、第２焦点Ｆ２）を有しており、第１焦点Ｆ１に配置されたモノポールアンテナ３０から放射された電磁波Ｍを反射して、第２焦点Ｆ２に収束させるようになっている。モノポールアンテナ３０から放射された電磁波Ｍは回転楕円形反射鏡４０によって反射されて、回転楕円形電磁反射鏡の第２焦点Ｆ２に収束される。回転楕円形反射鏡４０の反射面は、例えば銅からなる。

なお、本実施の形態では、生体６０の患部６０Ａが第２焦点Ｆ２に配置されるように、モノポールアンテナ３０および回転楕円形反射鏡４０が所定の方法を用いて位置決めされているものとする。

ところで、電磁波発生器１０から発せられる電磁波Ｍに含まれる基本周波数成分の強度は、生体６０に含まれる生体内細胞２内の誘電性物質を刺激することのない程度に低くなっているが、この基本周波数成分をモノポールアンテナ３０と回転楕円形電磁波反射鏡５０とによって第２焦点Ｆ２に収束させたときの、その第２焦点Ｆ２における基本周波数成分の強度が誘電性物質を刺激する程度に高くなっている。

電磁波発生器１０から発せられる電磁波Ｍには、高調波や、低調波、非高調波、残留ＦＭ、ＳＳＢ位相雑音などの不要成分が含まれていないことが好ましいが、これら不要成分が含まれている場合は、これら不要成分の強度は、誘電性物質を刺激することのない程度に低くなっているだけでなく、その不要成分をモノポールアンテナ３０と回転楕円形電磁波反射鏡５０とによって第２焦点Ｆ２に収束させたときの、その第２焦点Ｆ２における不要成分の強度が、誘電性物質を刺激することのない程度に低いことが好ましい。つまり、電磁波発生器１０から発せられる電磁波Ｍは、基本周波数成分以外の周波数成分の少ない電磁波であり、入力電力の多くが基本周波数に集中しているという特徴を有することが好ましい。

なお、このように入力電力のほとんどが基本周波数領域に集中している場合には、細胞内構成要素を刺激するために大きな電力の電磁波を電磁波発生器１０で発生させる必要がない。

また、電磁波Ｍの微小領域Ｆへの照射時間は、陰極１１および陽極１２の間に印加する電圧（加速電圧）のサイクル数を増やすことで増やすことが可能であることから、基本周波数と印加時間とを独立に制御することができる。これにより、細胞内構成要素の受ける刺激の大きさを任意に設定することができるので、目的および用途に応じた刺激を細胞内構成要素に与えることができる。

ここで、誘電性物質を刺激することのない程度の電磁波Ｍの強度は電磁波Ｍの照射時間によって異なり、照射時間が短ければ電磁波Ｍの強度がある程度大きくても誘電性物質を刺激することはなく、逆に、印加時間が長くても電磁波Ｍの強度がある程度低ければ誘電性物質を刺激することはない。従って、照射される生体内細胞２の種類によってその値が多少異なるが、微小領域Ｆにおける電磁波Ｍに含まれる基本周波数成分の強度と、微小領域Ｆに電磁波Ｍを収束照射する照射時間との積が所定の値以上となるように、電磁波発生器１０で発生させる電磁波Ｍの強度および照射時間をそれぞれ設定する。

本実施の形態の生体内細胞刺激装置１では、所定の生体内細胞２を構成する要素のうち所定の要素に含まれる誘電性物質の緩和時間の逆数と等しい値の周波数を基本周波数とする電磁波Ｍが電磁波発生器１０から発生し、その電磁波Ｍがモノポールアンテナ３０と回転楕円形電磁波反射鏡５０とによって患部６０Ａの存在する第２焦点Ｆ２に収束照射される。これにより、患部６０Ａだけが強電磁界となるので、基本周波数の逆数と等しい値の緩和時間の誘電性物質を含む、所定の生体内細胞２を構成する要素のうち患部６０Ａに存在する要素だけに、電磁波Ｍによる刺激を選択的に与えることができる。これにより、例えば、患部６０Ａに癌細胞が存在する場合には、その患部６０Ａの周囲に存在する生体内細胞２に対して刺激を与えることなく、患部６０Ａに存在する癌細胞に刺激を与えることが可能となるので、局所的な治療が可能である。また、本実施の形態の生体内細胞刺激装置１では、モノポールアンテナ３０と回転楕円形電磁波反射鏡５０とを用いて、電磁波発生器１０から出力された電磁波Ｍを第２焦点Ｆ２に収束照射するようにしたので、第２焦点Ｆ２で必要とされるパワーを電磁波発生器１０から出力する必要がないので、粒子線療法で用いられる装置のような大型サイズになることはなく、テーブルトップ程度のサイズにまで小型化可能である。従って、コンパクトかつ安価な装置で、局所的な治療をすることができる。

［実施例］
次に、上記実施の形態に係る実施例について説明する。

本実施例では、ＣＨＯ（Chinese Hamster Ovary ：チャイニーズハムスターの卵巣) 細胞の増殖能力を推定することができるように、ＣＨＯ細胞に電磁波を照射する前に、ＤＮＡ複製期において、ＣＨＯ細胞のうち特定の細胞内構成要素に、ＢｒｄＵ（ブロモデオキシウリジン）を取り込ませておいた。このＢｒｄＵは、ＢｒｄＵ抗体を用いることにより検出可能なものであり、このＢｒｄＵ抗体によって検出されたＢｒｄＵの面積を計測することにより、ＣＨＯ細胞の活性反応領域の面積を知ることができ、この面積を、ＣＨＯ細胞に電磁波を全く照射しないでＣＨＯ細胞を増殖させたときに検出された活性反応領域の面積と対比することにより、ＣＨＯ細胞の増殖能力を推定することができる。

本実施例では、生体内細胞刺激装置１は、図３に示したように、陰極１１と陽極１２との間に印加する電圧Ｖｄの大きさを数十ｋＶから百ｋＶ程度までの範囲内で０．数秒の間、変化させたときに、２ＧＨｚから３．５ＧＨｚ程度の範囲内の電磁波が電磁波発生器１０から発生し、図４に示したように、このときの第２焦点Ｆ２での電磁波の強度が３ＧＨｚにおいて１５ＭＷとなるような特性を有している。つまり、ここでの生体内細胞刺激装置１は、数十ｋＶから百ｋＶ程度までの範囲内の加速電圧を陰極１１と陽極１２との間に印加することにより、２ＧＨｚから３．５ＧＨｚ程度の範囲内の電磁波を発生させることができる。

まず、上記したように、ＣＨＯ細胞に電磁波を照射する前に、ＤＮＡ複製期において、ＣＨＯ細胞のうち特定の細胞内構成要素（例えば核２０）に、ＢｒｄＵを取り込ませ、ＢｒｄＵを取り込んだ細胞内構成要素を有するＣＨＯ細胞が含まれる微小領域Ｆに対して、図５に示した４種類の電磁波Ａ〜Ｄを別個に収束照射したのち、しばらく経過したときに、ＣＨＯ細胞に含まれるＢｒｄＵをＢｒｄＵ抗体で検出し、活性反応領域の面積を計測した。なお、図５には、計測された各活性反応領域の面積を、ＣＨＯ細胞に電磁波を全く照射しないでＣＨＯ細胞を増殖させたとき（比較例）に検出された活性反応領域の面積で除算して得られた値が示されている。

ここで、図５中の電磁波Ａは、基本周波数が３．６ＧＨｚで、その強度が１３ＭＷの電磁波であり、電磁波Ｂは、基本周波数が３．６ＧＨｚで、その強度が１０ＭＷの電磁波であり、電磁波Ｃは、基本周波数が２．７ＧＨｚで、その強度が２ＭＷの電磁波である。

図５から、ＣＨＯ細胞に対して電磁波Ｂを収束照射したときに、活性反応領域が最も狭く、比較例と比べて０．１程度しかなかった。つまり、ＣＨＯ細胞に対して電磁波Ｂを収束照射すると、ＣＨＯ細胞の増殖能力が１／１０程度に抑制されたと言える。従って、このときのＣＨＯ細胞を電磁波Ｂに曝すことによりほとんど不活性化することができたと言える。また、他のケースにおいても、活性反応領域が比較例と比べて最大でも０．４程度になったことから、ＣＨＯ細胞を電磁波Ａ，Ｃ，Ｄに曝すことによりおおむね不活性化することができたと言える。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、電磁波発生器１０が仮想陰極発振管により構成されていたが、例えば、マグネトロン、クライストロンなどにより構成されていてもよい。

本発明の一実施の形態に係る生体内細胞刺激装置の概略構成図である。図１の電磁波発生器の概略構成図である。実施例に係る電磁波発生器の加速電圧と基本周波数との関係を説明するための波形図である。実施例に係る電磁波発生器から出力される電磁波の周波数スペクトラム図である。実施例でのＣＨＯ細胞の不活性化率と、電磁波の基本周波数およびパワーとの関係を説明するための関係図である。

符号の説明

１…生体内細胞刺激装置、２…細胞、１０…電磁波発生器、１１…陰極、１２…陽極、１３…真空管、１４…絶縁体、１５…仮想陰極、１６…取出窓、１７…導波管・同軸変換部、２０…同軸線路、３０…モノポールアンテナ、４０…回転楕円形反射鏡、５０…水槽、６０…生体、６０Ａ…患部、Ｆ１…第１焦点、Ｆ２…第２焦点、Ｍ…電磁波。

Claims

生体内の所定の細胞を構成する複数の要素のうち所定の要素に含まれる誘電性物質の緩和時間の逆数と等しい値の周波数を基本周波数とする電磁波を発生する電磁波発生手段と、
前記電磁波発生手段から出力された電磁波を、前記生体内の所定の細胞を含む微小領域に収束照射する収束照射手段と
を備えたことを特徴とする生体内細胞刺激装置。
前記基本周波数は、５００ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の生体内細胞刺激装置。
前記微小領域における電磁波に含まれる基本周波数成分の強度と、前記微小領域に電磁波を収束照射する照射時間との積が所定の値以上となるように、前記電磁波発生手段で発生させる電磁波の強度および前記照射時間がそれぞれ設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の生体内細胞刺激装置。
前記電磁波発生手段で発生させる電磁波に含まれる基本周波数成分の強度は、前記誘電性物質を刺激しない程度に小さい
ことを特徴とする請求項３に記載の生体内細胞刺激装置。
前記生体内の所定の細胞は、癌細胞である
ことを特徴とする請求項１に記載の生体内細胞刺激装置。
前記生体内の所定の細胞を構成する要素は、核、核小体、微小管、リボソーム、小胞体、ゴルジ体、リソソーム、中心体、分泌顆粒またはミトコンドリアである
ことを特徴とする請求項１に記載の生体内細胞刺激装置。
前記誘電性物質は、ＤＮＡ、ＲＮＡまたはタンパク質である
ことを特徴とする請求項１に記載の生体内細胞刺激装置。
前記収束照射手段は、モノポールアンテナと回転楕円形反射鏡とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の生体内細胞刺激装置。