抗がん剤シスプラチンの細胞毒性に対する 極低周波磁界の影響評価
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目次第1章 序章1.1 研究背景1.2 研究目的
第2章 抗がん剤シスプラチンの細胞毒性における 極低周波磁界の影響評価方法2.1 抗がん剤シスプラチン2.2 大腸菌 (E.coli)2.3 磁界発生装置2.4 コロニーアッセイ法
第3章 抗がん剤シスプラチンの細胞毒性における 極低周波磁界の影響結果3.1 細胞毒性における極低周波磁界の影響結果3.2 磁界影響の持続性
第4章 まとめと考察
今後の課題
1.1 研究背景
がん・・・ 1981 年から日本人の死亡原因 1 位
代表的な治療法・・・化学療法,外科療法,放射線療法
化学療法:抗がん剤を用いてがん細胞を死滅
強い副作用
① 体内に投与された抗がん剤が血流とともに全身に広がる② がん細胞だけでなく全身の正常細胞にも作用する
・がん細胞に届く抗がん剤の量が数千分の 1
抗がん剤の副作用を抑えるための研究
・抗がん剤の投与量を増加=さらに副作用が強くなる
ドラッグ・デリバリー・システム,副作用の少ない抗がん剤がん細胞のみに作用する抗がん剤 etc…
化学療法に磁界を併用した研究がん細胞 A-451 を移植したマウスに抗がん剤シスプラチンを投与パルス磁界 ( 磁束密度 0.525 mT ,パルス幅 100 µsec , 100 or 250 Hz)
①
②
腫瘍サイズが 52 % 小さくなる
腺がん細胞 HCA-2/1 cch移植したマウスに抗がん剤シスプラチンを投与
( シスプラチン単独使用時:がん細胞の生存率 44.2 % )
パルス磁界 ( 磁束密度 1.5 mT ,パルス幅 180 µsec , 1 or 25 Hz)
1 Hz : × 効果なし25 Hz :◎ がん細胞の生存率が 39.1 %に減少 (p<0.05)
磁界曝露により抗がん剤シスプラチンの細胞毒性が増強
( 参考文献: Hannan Jr. , et al. “Chemotherapy of human carcinoma xenografts during pulsed magnetic field exposure” 1994.)
( 参考文献: Ruiz-Gomez, et al .“Inflience of 1 and 25 Hz , 1.5 mT magnetic fields on antitumor drug potency in a human adenocarcinoma cell line” 2002.)
③ がん細胞付近に磁界を曝露
抗がん剤シスプラチン
抗がん剤の細胞毒性が増強
交流磁界曝露磁束密度 50 mTrms ,周波数 60 Hz
+
減少
:磁界曝露
② 抗がん剤の投与量を減らす
④ がん細胞への細胞毒性を増強
・全身の正常細胞⇒弱い・がん細胞⇒弱い
・全身の正常細胞⇒弱い・がん細胞⇒強いFig. 1 抗がん剤と交流磁界の併用効
果
① がん治療における化学療法・全身の正常細胞⇒強い・がん細胞⇒強い
→大腸菌に抗がん剤シスプラチンを添加
①
②
③
1.2 研究目的
・交流磁界 ( 磁束密度 5~50 mTrms ,周波数 60 Hz) 曝露下では 磁束密度が大きいほど増強率が高い・交流磁界 ( 磁束密度 50 mTrms ,周波数 60 Hz) 曝露下では シスプラチンの濃度を変えても増強率は一定
医療応用に向けて抗がん剤シスプラチンの細胞毒性に対する磁界影響の解明
磁束密度 50 mTrms に統一,磁界周波数変化における実験
抗がん剤マイトマイシン C ,ブレオマイシンでも交流磁界( 磁束密度 50 mTrms ,周波数 60 Hz) 曝露による細胞毒性が増強
本研究の目的
直流磁界,交流磁界周波数0.1 , 6 , 30 , 60,600 , 6000 Hz
磁界周波数に対する研究は行われていない・他の周波数でも細胞毒性は変化するのか? ・うず電流による影響は?
150
30
30
60
200
90 60
mm
2.1 磁界発生装置
・磁束密度 50 mTrms で 0~60 Hz 出力可能・実験領域内は 50 mTrms±2 %以内の均一性・恒温装置を用いて磁界曝露側の実験領域内を 36 ℃ に保つ・磁界非曝露側も同一恒温装置を用いる ( 磁束密度 5 µT 程度 )
磁界発生装置の特徴
IIf f
Ferrite coreCoil Experimental area
・磁束密度 50 mTrms で 600 , 6000 Hz 出力可能・実験領域内は 50 mTrms±5 %以内の均一性・恒温装置を用いて磁界曝露側の実験領域内を 36 ℃ に保つ・磁界非曝露側も同一恒温装置を用いる ( 磁束密度 9 µT 程度 )
磁界発生装置の特徴
Coil
Ferrite core
Experimental area
I
I
f
f
磁界曝露側 (0 ~ 60 Hz)
磁界曝露側 (600 , 6000 Hz)
磁界非曝露側 (0 ~ 60 Hz)
磁界非曝露側 (600 , 6000 Hz)
30
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0 60 120 180 240 300 360
Tem
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)
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0 60 120 180 240 300 360
Tem
per
atur
e(℃
)
Measurement time (mim)
実験領域における温度の影響は小さい
2.2 抗がん剤シスプラチン
一般名:シスプラチン (Cisplatin)分子式: Cl2H6N2Pt 分子量: 300.05
がんの化学療法で用いられる代表的な抗がん剤副作用:強い腎毒性,悪心,嘔吐,脱毛 etc…
・反応過程で加水分解 (上図① )・ DNA鎖に架橋結合することでDNAの複製を阻害(上図② )
②Intrastrant crosslink①Hydrolysis
H3N
H3N
Cl
Cl
PtCl-
H2O H3N
H3N
Cl
OH2
Pt
+ NH3
NH3
Cl
G Pt
NH3
NH3G Pt
G
H3N
H3N
Cl
Cl
Pt構造式:
Fig.2 抗がん剤シスプラチンの細胞毒性における過程
DNA
2.3 大腸菌 (E.coli)
参考: http://www.biological-j.net/blog/2008/04/000458.html
・およそ直径 1 µm×長さ 2 µm の円柱状・ヒト細胞と同様にシスプラチンの細胞毒性を受ける・細胞の増殖サイクルが早く扱いやすい
ヒトの細胞: 2倍 /1 日⇔大腸菌細胞: 2倍 /30 分・ JE5595 recA1 :自己修復遺伝子の一つを機能しないようにしてある 磁界影響が顕著に表れやすい
大腸菌の特徴
2.4 コロニーアッセイ法
36℃
一晩培養コロニーを形成
大腸菌液recA1+LB溶液
抗がん剤シスプラチン2.5 /μ mlg
( Exposure)磁界曝露
( Control)磁界非曝露
LB プレート
LB プレート
一定時間経過後菌液を採取
・LB (Luria-Bertani)溶液 組成: Tryptone 10 g/l , Yeast Extract 5 g/l , NaCl 10 g/l , 2N NaOH 0.5 ml/l・大腸菌の生菌数=コロニー数磁界非曝露のコロニー数>磁界曝露のコロニー数⇒細胞毒性:強磁界非曝露のコロニー数<磁界曝露のコロニー数⇒細胞毒性:弱
コロニー数を比較
1
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100
1000
10000
100000
1000000
0 2 4 6 8
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. col
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Exposure time(h)
C1:ControlE1:MF(60 Hz)C2:Cisplatin onlyE2:Cisplatin+MF(60 Hz)
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1
C1
C2
E1
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3.1 細胞毒性における極低周波磁界の影響結果実験方法:コロニーアッセイ法実験条件:大腸菌 (JE5595 recA1) シスプラチン濃度 2.5 mg/ml 交流磁界 ( 磁束密度 50 mTrms ,周波数 60 Hz) 実験回数 13回
C1 とE1C1 :生菌数が増加E1 : C1 と生菌数がほぼ等しい
C2 とE2
大腸菌の生命の維持,増殖
C2 :時間ともに生菌数が減少E2 : C2 より生菌数が減少
磁界影響はほとんどない
シスプラチンの細胞毒性磁界影響により増
強Fig.3 60 Hz における磁界影響
1 1.05 0.83 0.56 0.47 0.40 0.55 0.70
0
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Exposure time(h)
C:Cisplatin only DC:Cisplatin+MF(DC)0.1 Hz:Cisplatin+MF(0.1Hz) 6 Hz:Cisplatin+MF(6Hz)30 Hz:Cisplatin+MF(30Hz) 60 Hz:Cisplatin+MF(60Hz)600 Hz:Cisplatin+MF(600Hz) 6000 Hz:Cisplatin+MF(6kHz)
SDC
0.1 Hz
6 Hz
30 Hz60 Hz
600 Hz
6000 Hz
DC
1
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1000
10000
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Exposure time(h)
C1:ControlE1:MF(60 Hz)C2:Cisplatin onlyE2:Cisplatin+MF(60 Hz)
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実験方法:コロニーアッセイ法実験条件:大腸菌 (JE5595 recA1) シスプラチン濃度 2.5 mg/ml 磁束密度 50 mTrms 直流磁界,交流磁界(0.1 , 6 , 30 , 60 , 600 , 6000 Hz)
直流磁界:細胞毒性に変化なし交流磁界:細胞毒性を増強→ 60 Hz が最も細胞毒性を増強
Fig.4 極低周波磁界における磁界影響
コロニー相対比=
E2C2
Fig.3 60 Hz における磁界影響
Fig.4 極低周波磁界における磁界影響
t検定による評価
1. 磁界影響に対する評価
2. 周波数に対する評価有意差あり (p<0.05)
(c) 直流磁界群⇔実験を行った交流磁界群(d) 周波数 0.1 Hz群⇔ 6,30,60,600 Hz各群(e) 周波数 6 Hz群⇔ 60 Hz群(f) 周波数 6000 Hz群⇔ 30,60 Hz各群
有意差あり (p<0.05)(a) シスプラチン単独群⇔実験を行った交流磁界群
有意差なし (p=0.95)(b) シスプラチン単独群⇔直流磁界群 95 % の確率で同じ
2つの母集団の『平均の差』が偶然誤差の範囲にあるかを評価t検定の結果・・・ p値が p<0.05 の場合に有意差あり→5 %未満の確率で誤差の可能性を残しつつ違いがある
1 1.05 0.83 0.56 0.47 0.40 0.55 0.70
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1
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f col
ony
form
ing
unit
Exposure time(h)
C:Cisplatin only DC:Cisplatin+MF(DC)0.1 Hz:Cisplatin+MF(0.1Hz) 6 Hz:Cisplatin+MF(6Hz)30 Hz:Cisplatin+MF(30Hz) 60 Hz:Cisplatin+MF(60Hz)600 Hz:Cisplatin+MF(600Hz) 6000 Hz:Cisplatin+MF(6kHz)
SDC
0.1 Hz
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30 Hz60 Hz
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DC
0
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0.1 1 10 100 1000 10000R
elat
ive
rati
o of
col
ony
form
ing
unit
Frequency(Hz)
6000 Hz
600 Hz60 Hz
6 Hz
30 Hz
0.1 Hz
増強 増強
周波数に対して指数関数に近い増減
Fig.4 極低周波磁界における磁界影響
Fig.5 磁界影響の周波数依存性
磁界影響:周波数に影響
実験方法:コロニーアッセイ法実験条件:大腸菌 (JE5595 recA1) シスプラチン濃度 2.5 mg/ml 磁束密度 50 mTrms 直流磁界,交流磁界(0.1 , 6 , 30 , 60 , 600 , 6000 Hz)
1 1.05 0.83 0.56 0.47 0.40 0.55 0.70
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Exposure time(h)
C:Cisplatin only DC:Cisplatin+MF(DC)0.1 Hz:Cisplatin+MF(0.1Hz) 6 Hz:Cisplatin+MF(6Hz)30 Hz:Cisplatin+MF(30Hz) 60 Hz:Cisplatin+MF(60Hz)600 Hz:Cisplatin+MF(600Hz) 6000 Hz:Cisplatin+MF(6kHz)
SDC
0.1 Hz
6 Hz
30 Hz60 Hz
600 Hz
6000 Hz
DC
磁界曝露をやめると?
3.2 磁界影響の持続性
:磁界曝露
磁界曝露をやめた後
細胞毒性増強したま
ま
細胞毒性持続しな
い
磁界曝露により細胞毒性:増強
抗がん剤シスプラチン+交流磁界
Fig.6 磁界影響の持続性
交流磁界 ( 磁束密度 50rms ,周波数 60 Hz) を 6 時間曝露
0 ~2 h :交流磁界曝露 ( 磁束密度 50 mTrms, 周波数 60 Hz) 2 ~6 h :試料を磁界非曝露領域に移動
磁界曝露をやめた後
細胞毒性増強したま
ま
細胞毒性持続しな
い
磁界曝露により細胞毒性:増強
実験方法
増強したまま:細胞毒性の増強が持続するので磁界曝露時間の短縮
細胞毒性の増強を得るためには磁界の連続曝露が必要持続しない:
1
10
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Exposure time(h)
C1:Control
E1:MF(60 Hz)
C2:Cisplatin only
E2:Cisplatin+MF(60 Hz,6 h)
E3:Cisplatin+MF(60 Hz,2h)
E2
E3
E1
C2
C1
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2 時間後
E2 を磁界曝露のままE3 は磁界非曝露へ移す
4 時間以降
E2 と E3 の生菌数に差
シスプラチンにおける細胞毒性の増強:持続性がない
0 時間
E2 と E3 を磁界曝露
Fig.7 60 Hz における磁界影響の持続性
実験方法:コロニーアッセイ法実験条件:大腸菌 (JE5595 recA1) シスプラチン濃度 2.5 mg/ml 交流磁界 ( 磁束密度 50 mTrms ,周波数 60 Hz) 実験回数 1回
4.まとめと考察抗がん剤シスプラチンの細胞毒性に対する極低周波磁界の影響結果直流磁界:抗がん剤シスプラチンの細胞毒性に変化なし
交流磁界:磁束密度 50 mTrms において 0.1 ~ 6000 Hz において細胞毒性の増強 周波数 60 Hz付近が最も細胞毒性を増強 0.1~60 Hz と 60~6000 Hz に対して指数関数に近い周波数依存性→磁束密度依存性と合わせて
磁束密度 50 mTrms ,周波数 60 Hz 付近が効果的
磁界影響の持続性
抗がん剤シスプラチンの細胞毒性への磁界影響は持続しない細胞毒性の増強を得るためには磁界の連続曝露が必要
磁界周波数依存における考察
・抗がん剤シスプラチンと大腸菌または DNA との接触確率が増加① 磁界周波数が高いほど抗がん剤に加わるローレンツ力のベクトルが変化・交流磁界や渦電流により大腸菌の細胞膜が変形し抗がん剤の取り込み量の増加① 電気穿孔法や磁気刺激により細胞膜に一時的な穴が生じる② 磁界により細胞膜の穴が引き延ばされる
今後の課題
臨床応用に向けて
・ヒト細胞,がん細胞を移植したマウスを用いた磁界曝露実験
⇒ 交流磁界(磁束密度 50 mT ,周波数 60 Hz)を使用
磁界影響のメカニズム解明
・大腸菌単体,抗がん剤単体,抗がん作用, 細胞膜など 磁界影響を受ける場所を検討
⇒ 他の抗がん剤における磁界影響の検討
ブラウン運動
流体中に懸濁した質量 m の粒子の x 方向の変位はニュートンの運動方程式から次式で表される
)(2
2
tFdt
dx
dt
xdm x 右辺第 1項:粘性抵抗
右辺第 2項:液体分子の衝突による力
)( BvqF
ローレンツ力 磁界中 ( 磁束密度 B) を電荷 q に帯電したシスプラチンが速度 v で移動して
いるとき加わるローレンツ力
v
F
Cisplatin
交流磁界曝露によりローレンツ力のベクトルが変化⇒シスプラチン:振動に近い動き
磁束密度 50 mTrms に統一ローレンツ力の大きさは一定
周波数 抗がん剤の移動 接触確率 細胞毒性の増強0.1 Hz 付近 ゆっくり動く 低 小60 Hz 付近 周波数が高いほど早く動き移動距離が増
加高 大
6000 Hz 付近
粘性抵抗により移動距離が減少 低 小
細胞膜に対する影響交流磁界により大腸菌細胞の細胞膜が変形し抗がん剤の取り込み量の増加① 電気穿孔法 (1.5 kV ,数 ms のパルス磁界 ) により細胞膜に一時的な穴が生じる→均一な電気定数 (導電率 σ ,誘電率 ε) な球体 (半径 r) に空間的に 一様な変動磁界 ( 磁束密度 B, 周波数 f) が入射されたときの電流密度 J は J=πσfrB (例)磁束密度 50 mT ,周波数 60 Hz の場合,大腸菌および抗がん剤シスプラチンの入った LB溶液のチューブ (25 mm×10 mm) の半径を 10 mm と仮定して,導電率 2.8 S/m を代入すると 0.26 A/m2 となる
電流密度は周波数に比例また,渦電流損が影響している場合は周波数の2乗
② 磁界により細胞膜の穴が引き延ばされる ( 生体物質、有機化合物には反磁性体が多い )→磁界中で常磁性体が自由エネルギーを最小にする方向にトルクを受け配向 磁化線 J ,磁化率 x ,磁界強度 H J=xH ただし,生体の磁化率はとても小さいため (10-5 程度 ) 磁界影響も小さい
周波数が高くなると穴が広がりきらない
磁界
周波数:高い周波数:低いイオンチャンネル
磁界
取り込み量の増加
:磁界曝露 副作用が軽減できる可能性
全身に広がる抗がん剤の量が減少
Fig.8 抗がん剤の取り込み量 ドラッグ・デリバリー・システムと
併用
細胞の抗がん剤取り込み量が増加
抗がん剤が多く作用する
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. col
i(cf
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l)
Exposure time(h)
C1:Control
E1:MF(60 Hz)
C2:Cisplatin only
E2:Cisplatin+MF(60 Hz,6 h)
E3:Cisplatin+MF(60 Hz,2h)
E2
E3
E1
C2
C1
1
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Fig.7 60 Hz における磁界影響の持続性
実験方法:コロニーアッセイ法実験条件:大腸菌 (JE5595 recA1) シスプラチン濃度 2.5 mg/ml 交流磁界 ( 磁束密度 50 mTrms ,周波数 60 Hz) 実験回数 1回
大腸菌:多い抗がん剤:多い
大腸菌:少ない抗がん剤:少ない
磁界曝露E3 の大腸菌の抗がん剤の取り込み量:増加
菌液中の抗がん剤濃度C2 よりも E3 の抗がん剤の濃度が低くなる
大腸菌
シスプラチン
C2 E3
E3 の大腸菌,抗がん剤ともに C2 よりも少ない
シスプラチンと大腸菌の接触確率が低い生菌数の減少カーブの傾きが緩やかになる
大腸菌の死骸
他の抗がん剤における磁界影響
ブレオマイシン分子量 1487.47がん細胞の DNA鎖を切断することで DNA の複製を阻害反応過程に鉄イオンが関係している
マイトマイシン C
分子量 334.327がん細胞の DNA鎖に架橋結合で DNA の複製を阻害
増強率 1.2倍
シスプラチン分子量 300.05がん細胞の DNA鎖に架橋結合で DNA の複製を阻害反応過程で加水分解する
増強率 2.3倍
増強率 1.4倍
0
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0.4
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Exposure time(h)
C:Cisplatin only DC:Cisplatin+MF(DC)0.1 Hz:Cisplatin+MF(0.1Hz) 6 Hz:Cisplatin+MF(6Hz)30 Hz:Cisplatin+MF(30Hz) 60 Hz:Cisplatin+MF(60Hz)600 Hz:Cisplatin+MF(600Hz) 6000 Hz:Cisplatin+MF(6kHz)
SD
シスプラチンの細胞毒性における磁界影響
0
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Frequency(Hz)
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Frequency(Hz)
6000 Hz
600 Hz
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Frequency(Hz)
6000 Hz
600 Hz60 Hz
6 Hz
30 Hz
0.1 Hz
2 時間後 4 時間後 6 時間後
シスプラチンの細胞毒性における磁界の周波数依存性
30 ~ 60 Hz 付近が最も細胞毒性が高まる傾向がある
磁界発生装置を2つ用いた理由
磁束密度 50 mT に統一⇒電流 I が一定
(1) 電圧 V を大きくする場合
S :断面積を小さくすると実験領域が確保できないN :巻数を減らすと電流を大きくしなければならない 銅線を太くしなければならないl :磁路長を長くするとギャップが狭くなり実験領域が確保できない
(2) インダクタンス L を小さくする場合
磁界発生装置の回路方程式
l
SNL
2
NIB
fL
VI
2
周波数 60 Hz から 6000 Hz⇒ 電圧が 100倍
・・・装置
・・・電源
シスプラチン
DNA
磁界影響あり
磁界影響あり
交流磁界によって生じたうず電流が反作用磁束を生じる
磁束の表皮効果
・周波数が高いほど磁束の表皮効果の影響が大きい・大腸菌の内部では磁界の影響がほとんどなくなる
磁界影響なし磁界影響あり
DNAシスプラチン
周波数:低
周波数:高
内側ほど反作用磁束が大きいため,外側ほど磁束が通る ( 表皮効果 )
比透磁率 (真空中の比透磁率 µs=1)
・プラチナ 1+360×10-6
・純鉄 ~ 200000・水 1-12×10-6
・空気 1+0.4×10-6
大腸菌の大きさ およそ 1 µm×長さ 2 µm ヒト細胞の大きさ 数十 µm
反磁性体と考えられているもの有機化合物,生体物質 (タンパク質, DNA)
P値 (probability:確率 )
導電率マイトマイシン C 334.33 2µg/334.33 0.06≒ 導電率 2.8 S/mシスプラチン 330.55 2.5µg/300.55 0.08≒ 導電率 2.8S/mブレオマイシン 1611.7 11.75µg/1611.7 0.007≒ 導電率 2.8S/m
その他
外科的手術 がんを物理的に切除、臓器(または一部)の摘出
× 体への負担、摘出しきれない場合がある 白血病など切除できないがんがある
放射線療法 放射線照射によりがん細胞を攻撃
化学療法 抗がん剤によりがん細胞を攻撃
× 照射部位の皮膚表面がただれる等の副作用
× 全身の正常細胞にも作用し副作用
併用してがん治療
がん治療法