JP3242026B2

JP3242026B2 - 細胞破壊装置

Info

Publication number: JP3242026B2
Application number: JP14371997A
Authority: JP
Inventors: 幸男和田; 宗孝明珍; 一正小杉; 信之笹尾
Original assignee: 核燃料サイクル開発機構
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2001-12-25
Anticipated expiration: 2017-06-02
Also published as: JPH10328316A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放射線照射を受け
た際の酸化チタンの有する酸化還元力を利用して、ガン
細胞等の標的細胞を選択的に破壊する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、癌細胞を破壊する方法として、放
射線照射による方法がある。この方法は、癌細胞が存在
する患部を焦点として、高いエネルギー量の放射線を放
射する。放射線照射を受けた細胞では、その核内に存在
する染色体が放射線により切断され、その細胞は死滅す
ることになる。このような従来の方法では、周囲の健全
な細胞まで高いエネルギー量の放射線を受け、死滅する
という弊害があった。

【０００３】一方、このような問題を改善すべく、近
年、酸化チタンの光触媒作用を利用した細胞破壊方法に
ついての研究開発が行われている。この酸化チタンの光
触媒作用とは、酸化チタンに紫外線を照射した際に形成
される電子正孔対が酸化還元反応の触媒として作用する
ことをいう。

【０００４】具体的に試みられている研究としては、酸
化チタンの有する酸化還元作用を利用して癌細胞を死滅
させることが行われている（Ｆｕｊｉｓｈｉｍａら、Ｄ
ＥＮＫＩＫＡＧＡＫＵ vol. 60, 314-321）。これは、
ｉｎｖｉｔｒｏの実験例を報告したものである。詳細
には、シャーレ等の中で培養されたヒト由来の培養細胞
（Ｈｅｌａ細胞）に酸化チタン粒子を含む懸濁液を注入
し、その後、細胞に紫外線を照射する。このとき、細胞
内では注入された酸化チタンに紫外線が照射され、酸化
チタン上で電子正孔対の形成が促進される。ここで生じ
る正孔は強い酸化力を有するため、この酸化力により細
胞はダメージを受け殺傷される。

【０００５】従って、この方法を臨床に応用することに
より、紫外線の照射により多少周囲の細胞に影響を与え
るものの、酸化チタンが注入された細胞を選択的に死滅
させることが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記酸
化チタンの光触媒作用を利用した場合、紫外線が照射さ
れる表面付近に存在する細胞では、効率的に酸化チタン
の酸化還元作用を引き出すことが可能となるが、紫外線
の透過力の低さから表面に位置する細胞から離れる程紫
外線が到達しにくくなり、その結果、表面から離れた細
胞では、細胞内に注入された酸化チタンの酸化還元反応
を引き出すことができないことになる。従って、この方
法の場合には細胞の位置により酸化チタンの酸化還元力
（細胞破壊力）の誘導に偏りが生じることになる。

【０００７】こうした各細胞内での酸化チタンの酸化還
元力の偏りは、臨床への応用では重大な問題になる。例
えば、この方法を利用して患者の癌細胞の破壊を行った
場合、一部の細胞では酸化チタンの酸化還元力が誘導で
きず、癌細胞が一部残存することとなる。このような偏
りを最小限にするためには、患者の患部を切開する必要
がある。即ち、患部を切開して癌細胞全体に紫外線が当
たるように配置させなければならないという問題が生じ
る。

【０００８】そこで、本発明の細胞破壊装置は、上記課
題に鑑みてなされたものであり、従来の癌治療の場合よ
りも低いエネルギー量の放射線で効果的に標的細胞を破
壊する装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の参考態様の細胞破壊方法は、細胞の集合体
中の標的細胞を選択的に破壊する方法であって、標的細
胞に半導体粒子懸濁液を注入する工程と、半導体懸濁液
注入後、標的細胞に放射線を照射する工程と、を含むこ
とを特徴とする。

【００１０】すなわち、細胞の集合体から破壊したい細
胞を選択して半導体粒子懸濁液を注入し、該集合体に紫
外線よりも高い透過力を有する放射線を照射する。この
放射線は、該集合体の表面に位置する細胞に限らず、表
面から離れた位置に存在する細胞にも照射される。この
結果、各標的細胞内では注入された半導体粒子において
電子正孔対が形成され、酸化還元反応が誘導されて細胞
が破壊される。

【００１１】上記の通り、放射線を利用することによ
り、従来問題になっていた各細胞内の酸化チタンの細胞
破壊力の偏りを解消することが可能となる。この結果、
ヒト患者に応用する場合にも、患部を切開等することな
く、皮膚表面からの放射線照射により、目的細胞を破壊
することも可能となる。

【００１２】上記発明において、前記半導体粒子が酸化
チタン粒子であることが好ましい。酸化チタンは細胞毒
性がほとんどなく、特に、ヒト患者への応用に好適であ
る。また、酸化チタンは、放射線の照射を受けて効率的
に電子正孔対が形成されるため、確実に細胞破壊力を誘
導することができる。

【００１３】また、前記酸化チタン粒子の直径として
は、細胞内への注入を容易にするために５０ｎｍ以下で
あることが好ましい。また、細胞破壊は、酸化チタン粒
子の表面に形成された電子正孔対により行われるため、
この効率を向上させるためにも粒子の径を小さくして表
面積を高めることが好ましい。

【００１４】前記放射線の照射量としては、少なくとも
標的細胞内に注入された半導体粒子中で電子−正孔対を
形成し得る量とする。この放射線量は、用いる線源（例
えばγ線、Ｘ線等）や使用する半導体粒子に基づき決定
することができる。

【００１５】本発明の細胞破壊装置は、細胞の集合体中
の標的細胞を選択的に破壊する装置であって、半導体粒
子懸濁液が注入された標的細胞に対し、該標的細胞内の
半導体粒子中で電子−正孔対を形成し得る量の放射線を
照射する照射部を含むことを特徴とする。

【００１６】上記装置によれば、照射部からの放射線
が、半導体粒子懸濁液が注入された標的細胞に照射さ
れ、該細胞内の半導体粒子が電子正孔対を形成する、こ
こで形成された電子正孔対は、その酸化還元力により細
胞を破壊する。こうして本装置では、紫外線でなく放射
線を利用していることから、患者の患部を切開すること
なく、半導体粒子が注入された標的細胞に放射線を照射
することにより、標的細胞を破壊することができる。

【００１７】前記照射部としては、例えばγ線またはＸ
線を放出するものを利用することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を示す。

【００１９】１、標的細胞に半導体粒子懸濁液を注入す
る工程破壊対象となる標的細胞としては、ヒト患者の癌細胞等
の新生生物、外来生物（例えば、ウイルス、細菌）が感
染した細胞、奇形細胞等が挙げられる。また、ヒト以外
の哺乳動物における癌細胞、動植物の改良等を目的とし
た動植物の特定組織細胞等をも対象とする。さらには、
種々の生物から由来する未分化細胞や癌化細胞などの培
養細胞などをも対象とする。

【００２０】細胞破壊に使用する半導体粒子は、目的に
応じて各種半導体から選択して利用することができる
が、特にヒト患者への適用を考慮した場合には、酸化チ
タンのように人体に毒性を及ぼさないものを選択するこ
とが好ましい。また、標的細胞のみを選択的に破壊し、
かつ、周囲の細胞へは影響を低くするために、低い放射
線量で効率的に電子正孔対を形成し得るものを選択する
ことが好ましい。

【００２１】ここで用いる粒子は、細胞内への注入を容
易にするため、また、形成される電子正孔対を有効に細
胞破壊に利用するために、小さな径とすることが好まし
く、具体的には、５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
即ち、半導体内で形成された電子正孔対のうち、表面付
近の電子正孔対が細胞と接触して、その酸化還元力によ
り細胞を破壊に導く。

【００２２】この粒子を標的細胞に導入する方法として
は、注射筒等を用いて直接標的細胞に注入する方法が挙
げられる。これ以外にも、例えば、前記粒子を化学修飾
して所定の臓器（組織）に移行するように構成し、経口
投与等により前記所定の臓器（組織）に導入することも
できる。この化学修飾としては、従来より医薬品におい
て利用されているカプセル材等を利用する場合が挙げら
れる。カプセル材を利用する場合には、標的臓器で溶解
するカプセル材中に粒子を充填し、経口投与することに
より、標的細胞に前記粒子を導入することができる。

【００２３】２、標的細胞に放射線を照射する工程ここで用いる放射線としては、γ線やＸ線等が挙げられ
る。γ線の場合、従来より放射線医学の分野で用いられ
ている各種装置を利用することができる。また、後の実
施例において詳述する装置を利用することができる。

【００２４】例えば、γ線を放射する装置としては、放
射線同位元素遠隔治療装置（Teleisotope machines)な
どが挙げられ、この場合の線源としては、⁶⁰Co、¹³⁷Cs
等を用いることができる。

【００２５】また、Ｘ線を放射する装置としては、Ｘ線
装置（Ｘ-Ray tube machines）や、直線加速装置（Li
near accelerator）、共振変圧器形加速器（Resonant
transformer）、ヴァン・デ・グラフ加速器（Van de
Graaff)などを利用することができる。

【００２６】放射線量としては、標的細胞以外の周囲細
胞に大きな影響を与えず、かつ、注入された半導体粒子
において電子正孔対を形成させることのできる量とす
る。この量は、使用する線源と使用する半導体粒子によ
り決定することができる。この照射線量の決定は、後に
詳述する演算に従い求めることができる。具体的には、
半導体粒子として酸化チタンを用い、また、放射線とし
てγ線を利用した場合には、従来の放射線治療による癌
治療時の放射量（４００〜５００ｒａｄ）よりも１０分
の１程度の放射線量で足りることになる。また、ここで
求めた放射線量により標的細胞を適切に破壊できるか否
かは、動物実験等により確認し、その結果に基づき演算
値を適宜上下させて実施することができる。

【００２７】３、細胞破壊装置本細胞破壊装置は、該標的細胞内の半導体粒子中で電子
正孔対を形成し得る量の放射線を照射する照射部を含
み、該照射部からの放射線を受けた各細胞内の半導体粒
子では電子正孔対が形成され、細胞破壊されることにな
る。

【００２８】この細胞破壊装置の照射部には、⁶⁰Co若し
くは¹³⁷Cs等のγ線源またはＸ線管球が備えることがで
きる。この照射部は、標的細胞に対し適切な角度または
距離から放射線照射を実行可能とするために、角度また
は上下位置に関して移動自在に構成することが好まし
い。

【００２９】上記照射部には、遮蔽シャッター等の遮蔽
部が備えられ、この遮蔽部は非照射時に線源を遮蔽す
る。この遮蔽部は、遠隔的に開閉が制御され、その開放
により標的細胞への放射線照射が実行される。

【００３０】また、放射線照射時に標的細胞以外の周囲
の細胞への影響を低減させるために、前記照射部には、
その照射範囲を限定するためのコリメータを備えること
が好ましい。さらに、このコリメータには、照射時の照
射範囲を確認するための照射範囲確認部を備えることが
好ましい。具体的には、コリメータと線源との間に可視
光ランプを設け、コリメータを通過した可視光により照
らされる範囲に基づき照射範囲を確認することができ
る。また、この放射範囲確認部は、照射部からの照射時
にも可視光を発するように構成することが好ましい。こ
うして照射範囲確認部を備えることにより、標的細胞を
含む適切な範囲に放射線を照射することが可能となる。

【００３１】以下、実施例を用いて詳細に説明する。

【００３２】

【実施例】

［実施例１］図１に本実施例の細胞破壊装置１０を示
す。なお、本実施例では、この細胞破壊装置１０を用い
てヒト患者１２の癌組織１４を破壊する場合を示す。

【００３３】図１において、細胞破壊装置１０は、例え
ば、放射線治療室の天井等に固定された支持部１８とこ
の支持部に支持された照射部２０とからなる。

【００３４】前記支持部１８は、楕円形の走行軌道レー
ル２２が備えられ、このレール２２に沿って照射部２０
が移動自在に支持されている。詳細には、前記走行軌道
レール２２には、照射部２０の角度を調節するための角
度調節器２４が移動自在に固定され、この角度調節器２
４からは高さ調節軸２６が伸びている。そして、この高
さ調節軸２６の先端に照射部２０が設けられている。

【００３５】照射部２０には、内部にγ線源またはＸ線
管球を備えた線源部２８が設けれている。ここでγ線源
は、例えば⁶⁰Co、¹³⁷Cs等を用いることができる。ま
た、この線源部２８としてγ線源を用いた場合には、外
部に通じる線源交換用収容容器３０を設け、駆動シャフ
ト３１により線源の出し入れを容易する。また、この収
容容器３０には上下自在の遮蔽部３２を設け、この遮蔽
部３２を閉じることにより内部の線源を密封する。

【００３６】また、照射部２０下端面には、線源部２８
からの放射線を寝台３３の方向に照射するための照射窓
３４が形成されており、この照射窓３４には、その開口
を調節するための鉛製のコリメータ３６が設けられてい
る。

【００３７】この照射窓３４と線源部２８との間には、
線源部２８からの放射線を遮蔽するための放射線照射シ
ャッタ３８が備えられている。この放射線照射シャッタ
３８には、スライド部４０が設けられ、このスライド部
４０が線源部２８と照射窓３４とを結ぶ領域上にスライ
ド突出することにより線源部２８からの放射線を遮蔽す
る。

【００３８】また、照射部２８の内部には、放射範囲確
認部として可視光ランプ４２が設けれられている。この
可視光ランプ４２からの可視光は、照射窓を通過して患
者１２を照らし、この可視光により照らされた範囲を照
射範囲として確認することができる。

【００３９】なお、図には示していないが、これら各構
成の駆動制御及び調節は、別の操作室から遠隔的に操作
する。

【００４０】次に、上記通り構成された細胞破壊装置に
より、患者の癌組織を破壊する方法を説明する。

【００４１】患者の癌組織には、予め、直径５ｎｍ以下
の酸化チタン粒子懸濁液１５を注射筒１６により注入す
る。酸化チタン粒子注入後、照射窓３４からの放射線が
癌組織１４に照射されるように照射部２０の位置、角
度、高さを調節する。この調節時には可視光ランプ４２
からの可視光の照射範囲を目印として、走行軌道レール
２２上の位置、角度調節器２４及び高さ調節軸２６を調
整して、照射範囲４４を癌組織１４に合せる。また、コ
リメータ３６を調節し、周囲の細胞に放射線が照射され
ないように、照射窓３４の開口を制限する。

【００４２】照射範囲を調整した後、放射線照射シャッ
タ３８のスライド部４０を収納位置に配置し、線源部２
８からの放射線を照射窓３４から放出する。ここで放出
された放射線は癌組織１４に放射され、癌組織１４の各
細胞内では注入された酸化チタンにおいて電子正孔対が
形成される。この電子正孔対は、その酸化還元力により
細胞を破壊する。

【００４３】［参考例１］次に、上記酸化チタン放射線触媒法による本発明の参考
態様の細胞破壊方法において必要となる放射線量を求め
る場合の計算例を示す。

【００４４】癌細胞の破壊方法として現在研究されてい
る酸化チタン光触媒法では、紫外光の照射強度は、１ｍ
Ｗ／（ｃｍ²・ｓｅｃ）と考えられる。そこで、この紫
外光の波長を、酸化チタン中で電子正孔（ｅ^-−ｈ⁺）対
を形成させる場合に必要なエネルギー値、５ｃＶ（＝２
５０ｎｍ）として評価し、放射線触媒法において必要な
放射量の計算を行った。なお、ここではγ線源としてＣ
ｓ−１３７を用いた場合を示す。

【００４５】先ず、従来の紫外光を用いた場合に酸化チ
タン内で電子正孔（ｅ^-−ｈ⁺）対を形成させるのに必要
な一秒間当たりの光子数を求める。紫外線の波長が２５
０ｎｍの場合、１ｍＷ／ｓｅｃのエネルギーを０．０１
ｊ／ｓｅｃとすると、その一秒間当たりの光子数（ｐｈ
ｏｔｏｎｓ）は、以下計算式より１．２５Ｘ１０¹⁶ｐｈ
ｏｔｏｎｓ／ｓｅｃとなる。

【００４６】

【数１】0.01(j/s)／1.6X10^-19(j/eV)・5(eV) = 1.25
X10¹⁶ photons/sec 次に、上記において求められた一秒間当たりの光子数に
対応するγ線光子数を以下の計算式より求める。なお、
ここでＣｓ−１３７のγ線エネルギーを５００ｋｅＶと
した場合を求める。

【００４７】

【数２】1.25X10¹⁶（photons/s）／（500X10X10³(eV)/5
(eV)= 1.25X10¹¹（photons/s）以上の通り、５００ＫｅＶのγ線の場合、崩壊数として
1.25X10¹¹（photons/s）となり、これをキューリー数に
換算すると、3.4Ｃｉ（＝1.25X10¹¹/3.7X10¹⁰)となる。
このγ線は特定の範囲のコリメータを通して照射するた
め、その立体角を考慮する必要がある。１ｍ離れて生体
組織に照射し、その１ｃｍ２当たりの照射エネルギーを
１ｍＪにするには、約６３０倍の線源強度が必要にな
る。従って、Ｃｓ−１３７の線源強度は、２１４２Ｃｉ
（＝3.4 Ci X 630）となる。また、この線源強度に
おける生体表面での照射線量率Ｓ（Ｒ／ｈ）は、次の近
似式から求めることができる。

【００４８】

【数３】S(R/h) = 5.2 X 10^-3 X nAE/X² n:一崩壊で放出する光子数（photons） A:照射時のキューリー数（Ｃｉ） E:放射線のエネルギー（ＭｅＶ） X:線源からの距離（ｃｍ）上記式に上記各数値を代入すると、Ｓ（Ｒ／ｈ）は５．
４６Ｘ１０²となる。

【００４９】通常考えられる照射時間は電子正孔対によ
るラジカルと生体との反応は速く、この線量率での細胞
破壊時間は０．１時間程度と考えられる。一般に生体の
軟組織が１Ｒ／ｈの照射線量率の照射を受けると、組織
が吸収するエネルギーは約１００ｅｒｇ／ｇ（＝１ｒａ
ｄ）となる。そのため、上記線量率で生体が０．１時間
の間に吸収する線量は約５５ｒａｄとなる。

【００５０】一般的に現在行われているγ線の直接照射
による癌治療では、放射線吸収による早期障害がでる４
００−５００ｒａｄ以上であるため、酸化チタンを用い
た本方法では、早期放射線障害の生じる線量の１／１０
倍程度に低減できることになる。

【００５１】尚、上記実施例は、Ｃｓ−１３７を用いた
場合を例として示したが、同様に、Ｃｏ−６０を用いた
場合やＸ線をも同様に演算して使用することができる。

【００５２】

【発明の効果】以上の通り、本発明の細胞破壊装置は、
従来よりも極少ない放射線量で細胞を破壊することが可
能となり、周囲の細胞の損傷を低減させることが可能と
なる。また、紫外線を利用した光触媒のように切開を行
う必要もなくなり、また、細胞破壊において偏りを解消
することも可能となる。従って、従来に比して、より確
実に、また、弊害を抑制しつつ標的細胞を破壊すること
も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における細胞破壊装置の全体構成を
示す図である。

【符号の説明】

１０細胞破壊装置、１４癌組織（標的細胞）、１５
酸化チタン粒子懸濁液、２０照射部、２８線源
部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者笹尾信之茨城県那珂郡東海村大字村松４番地33 動力炉・核燃料開発事業団東海事業所内 (56)参考文献特開平10−328316（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61N 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】細胞の集合体中の標的細胞を選択的に破
壊する装置であって、半導体粒子懸濁液が注入された標的細胞に対し、該標的
細胞内の半導体粒子中で電子−正孔対を形成し得る量の
放射線を照射する照射部を含むことを特徴とする細胞破
壊装置。
【請求項２】前記照射部がγ線またはＸ線を放出する
ことを特徴とする請求項１に記載の細胞破壊装置。
【請求項３】前記半導体粒子が酸化チタン粒子である
ことを特徴とする請求項１に記載の細胞破壊装置。
【請求項４】前記酸化チタン粒子の直径が５０ｎｍ以
下であることを特徴とする請求項３に記載の細胞破壊装
置。