2024-10-07 九州大学
工学研究院 武石直樹 准教授
ポイント
- 単一赤血球の変形能の定量は、簡便性の観点から克服すべき技術的課題が多い。
- ヒト血液の、見かけの粘度*1(マクロレオロジー特性*2)からミクロレベルの赤血球変形能を推定することに成功した。
- 構築した手法論は、新しい血液細胞検査技術や、血中タンパク質量の推定技術に応用されることが期待される。
概要
血液中の血球細胞のうち、約99%が赤血球であることから、赤血球の変形能は血液動態を特徴づける重要な物理特性です。さらに、赤血球変形能の低下は動脈硬化などの循環器病と関係するだけではなく、血中の合成タンパク質量とも相関することが知られています。そのため、赤血球変形能は血液動態や各種疾病を推定する上で医学的重要な指標となります。従来、細胞の変形能は細胞一つ一つを分析する1細胞検査によって計測されてきましたが、簡便性の観点から克服すべき技術的課題が多くありました。仮に、計測が容易な血液の見かけの粘度(マクロレオロジー特性)からミクロ構成要素である赤血球の変形能を推定することができれば、新たな血液検査技術の構築に繋がるだけでなく、血液以外の様々な粒子懸濁液*3の物性を推定する技術基盤の構築に道が拓かれます。
今回、九州大学大学院工学研究院の武石直樹准教授は、関西大学システム理工学部の関眞佐子教授および西山朋宏大学院生、産総研技術移転ベンチャー企業((株)大菜技研)の菜嶋健司博士らと共同し、実験計測と数値シミュレーションの相補的なアプローチによって、ヒト血液の見かけの粘度から赤血球の変形能(膜せん断弾性率*4)を推定することに成功しました。さらに、構築した手法は、鎌状赤血球症*5などに見られる硬化赤血球の膜せん断弾性率の推定にも有効であることがわかりました。
本成果により、血液をはじめとする粒子懸濁液のマクロレオロジー特性からミクロ構成要素の変形能の推定が可能であることが示されました。本手法論は、細胞レベルの新しい血液検査技術や、赤血球の変形能と関わる血中タンパク質量の推定技術に応用されることが期待されます。
本研究成果は、米国物理学協会AIPが発行する雑誌「Journal of Rheology」に2024年9月24日(現地時間)に掲載されました。また、本雑誌のFeatured Article (Journal’s Best)に選出されただけでなく、AIPが発行する全体の論文の中で最も顕著な研究成果のみを特集するScilight (Science Highlight)にも選出されました。
研究者からひとこと
本研究は、血液のマクロレオロジー特性からミクロレベルの赤血球の膜物性を推定することに成功した初めての例です。今後は、実際の血流と同じ、非定常な流れ場における血液の流動特性や細胞の物性を推定する手法論の確立を目指します。
実験計測と数値シミュレーションの相補的アプローチによる赤血球膜の物性推定
用語解説
(※1) 見かけの粘度
粒子が懸濁した溶液全体の粘度を粒子懸濁前の元の溶液の粘度で除した値のこと。見かけの粘度がせん断速度(ずり速度)に対して一定となる液体はニュートン流体、一定ではない液体は非ニュートン流体という。血液(または赤血球懸濁液)は、ずり速度の増加に伴い見かけの粘度が低下するずり流動化現象を示す。つまり、血液は非ニュートン流体である。
(※2) レオロジー
物質の流動と変形に関する学問分野のこと。ギリシャ語で流れるという意味のrheoと、科学を意味するlogosを組み合わせて名付けられた。マクロレオロジー特性とは、血液のずり流動化など、非ニュートン性を特徴づける系全体の流動特性のことを言う。
(※3) 懸濁液
液体中に直径100 nm程度以上の固体粒子が分散した系のことを言い、サスペンションとも呼ばれる。
(※4) 膜せん断弾性率
せん断応力に対する膜(シート)状の固体の変形のしにくさ(抵抗)を決める物性値。
(※5) 鎌状赤血球症
異常ヘモグロビン症とも呼ばれ、特にアフリカ系の人々に発生する慢性溶血性貧血。ヘモグロビンS遺伝子がホモ接合性に遺伝することによって生じる。鎌状の赤血球は血管の閉塞を引き起こし、溶血を起こしやすいことから、重度の疼痛発作、臓器虚血、および他の全身性合併症に繋がる。
論文情報
掲載誌:Journal of Rheology
タイトル:Numerical-experimental estimation of the deformability of human red blood cells from rheometrical data
著者名:Naoki Takeishi; Tomohiro Nishiyama; Kodai Nagaishi; Takeshi Nashima; Masako Sugihara-Seki
DOI:10.1122/8.0000877
Scilight 記事
タイトル:Key blood disease indicator can be estimated with rheological blood test data
DOI:10.1063/10.0030396
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