Development and clinical application of novel detection technologies for circulating tumor cells

• Project/Area Number: 19H03728
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 55020:Digestive surgery-related
• Research Institution: Hamamatsu University School of Medicine
• Principal Investigator: Takeuchi Hiroya 浜松医科大学, 医学部, 教授 (20265838)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平松 良浩 浜松医科大学, 医学部, 特任准教授 (00397390) ; 菊池 寛利 浜松医科大学, 医学部, 准教授 (70397389) ; 松本 知拓 浜松医科大学, 医学部, 助教 (10867229) ; 村上 智洋 浜松医科大学, 医学部附属病院, 診療助教 (60897510) ; 神谷 欣志 浜松医科大学, 医学部附属病院, 講師 (20324361)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2020: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2019: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
• Keywords: 循環腫瘍細胞 / 定量位相顕鏡 / フローサイトメーター / negative selection / 人工知能 / 画像認証 / 定量位相顕微 / 定量位相顕微鏡 / 画像診断

Outline of Research at the Start

血中循環腫瘍細胞（CTC）は腫瘍から遊離し血中へ浸潤した癌細胞であり癌の転移に関わるとされるが、その検出は困難であり様々な手法が試されている。既存のCTC検出方法の多くは上皮系細胞表面マーカーに依存しているため、上皮系マーカーが消失した浸潤性が強く悪性度の高いCTCを検出できない点が問題である。本研究は、非染色下に数ナノメートルの解像度で細胞を観察することができる定量位相顕微鏡と人工知能（AI）を用いた画像診断技術を利用し、表面マーカーに依存しない新たなCTC選別法の開発および臨床応用を目指す。

Outline of Final Research Achievements

We developed a two-dimensional imaging flow cytometry (2D-IFCM) for the detection of circulating tumor cells (CTCs) based on the subcellular structure of the quantitative phase microscopy images. We further developed a prototype of hybrid IFCM consisting of 2D-IFCM and 3D-IFCM. Using 2D- and hybrid IFCMs, CTC candidate cells were detected within peripheral blood nucleated cells obtained from healthy volunteers and cancer patients.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

既存のCTC検出方法のほとんどは表面マーカーを用いた細胞の選別であるのに対し、本手法は光学的技術を用いた細胞形態の詳細な観察と人工知能（AI）を用いた画像認証システムを組み合わせた全く新しいCTC検出法であり極めて独創的である。本手法は細胞表面マーカーを用いないため細胞に与える影響が最小限であり、新たなCTCの生物学的解析を可能とする。CTCの基礎研究の飛躍的な発展が期待されるのみならず、臨床応用によって癌診療に革命を起こす可能性もあり、世界に与えるインパクトは非常に大きい。

Research Products

• [Journal Article] Can Liquid Biopsy be Used to Explore Future Precision Medicine for Solid Tumors? (2021)
  • Author(s): Kikuchi H, Takeuchi H
  • Journal Title: Annals of Surgical Oncology Volume: 28 Issue: 13 Pages: 8022-8024
  • DOI: 10.1245/s10434-021-10873-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Label-free imaging flow cytometer for analyzing large cell populations by line-field quantitative phase microscopy with digital refocusing (2020)
  • Author(s): Yamada Hidenao、Hirotsu Amane、Yamashita Daisuke、Yasuhiko Osamu、Yamauchi Toyohiko、Kayou Tsukasa、Suzuki Hiroaki、Okazaki Shigetoshi、Kikuchi Hirotoshi、Takeuchi Hiroya、Ueda Yukio
  • Journal Title: Biomedical Optics Express Volume: 11 Issue: 4 Pages: 2213-2213
  • DOI: 10.1364/boe.389435
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 産学連携による新規循環腫瘍細胞検出機器の研究開発 (2021)
  • Author(s): 菊池寛利、廣津周、羽田綾馬、山田秀直、山下大輔、岡崎茂俊、曽根田亘、川田三四郎、村上智洋、松本知拓、 平松良浩、神谷欣志、森 田剛文、今野弘之、竹内裕也
  • Organizer: 第121回日本外科学会定期学術集会
• [Presentation] 位相イメージングフローサイトメーターを用いたCTCの非標識下AI検出技術 (2021)
  • Author(s): 廣津周、菊池寛利、山田秀直、山下大輔、岡崎茂俊、羽田稜馬、曽根田亘、川田三四郎、村上智 洋、松本知拓、平松良浩、神谷欣志、森 田剛文、 今野弘之、竹内裕也
  • Organizer: 第121回日本外科学会定期学術集会
• [Presentation] 定量位相顕微鏡技術を用いた新規循環腫瘍細胞検出技術 (2021)
  • Author(s): 菊池寛利、廣津周、羽田綾馬、山田秀直、山下大輔、岡崎茂俊、曽根田亘、川田三四郎、村上智洋、松本知拓、平松良浩、神谷欣志、森田 剛文、今野弘之、竹内裕也
  • Organizer: 第29回日本がん転移学会学術集会
• [Presentation] 細胞内構造の深層学習とレディオミクスに基づく癌細胞のラベルフリー分類 (2021)
  • Author(s): 大手希望、橋本二三生、山田秀直、山内豊彦、羽田綾馬、廣津周、菊池寛利、岡崎茂俊、竹内裕也、上田之雄
  • Organizer: 日本医用画像工学会大会
• [Presentation] 三次元像フローサイトメトリーを用いた非標識下CTC 検出法 (2020)
  • Author(s): 廣津周、菊池寛利、山田秀直、山下大輔、 岡崎茂俊、関本晃、曽根田亘、川田三四郎、 松本知拓、平松良浩、神谷欣志、森田剛文、 坂 口孝宣、今野弘之、竹内裕也
  • Organizer: 第120回日本外科学会定期学術集会
• [Presentation] 定量位相顕微鏡を用いた血中循環腫瘍細胞のAI検出技術 (2020)
  • Author(s): 廣津周、菊池寛利、羽田綾馬、曽根田亘、川田三四郎、 松本知拓、平松良浩、神谷欣志、森田剛文、山田秀直、山下大輔、 岡崎茂俊、今 野弘之、竹内裕也
  • Organizer: 第58回日本癌治療学会学術集会
• [Presentation] 定量位相顕微鏡を用いた非標識下CTC検出技術の臨床応用 (2020)
  • Author(s): 廣津周、菊池寛利、山田秀直、山下大輔、 岡崎茂俊、平松良浩、神谷欣志、坂口孝宣、今野弘之、竹内裕也
  • Organizer: 第75回日本消化器外科学会総会
• [Presentation] 定量位相顕微鏡と画像認証システムを用いた非標識下CTC 検出法 (2019)
  • Author(s): 廣津周、菊池寛利、尾﨑裕介、川田三四郎、松本知拓、平松良浩、神谷欣志、坂口孝宣、山田秀直、山下大輔、岡崎茂俊、今野弘之、竹内 裕也
  • Organizer: 第119回日本外科学会定期学術集会
• [Presentation] 細胞内構造の機械学習に基づいた非標識による血中循環腫瘍細胞検手法 (2019)
  • Author(s): 尾﨑裕介、菊池寛利、廣津周、山田秀直、川田三四郎、羽田稜馬、松本知拓、平松良浩、神谷欣志、岡崎茂俊、森田剛文、坂口孝宣、今野 弘之、竹内裕也
  • Organizer: 第28回日本がん転移学会学術集会
• [Presentation] 定量位相顕微鏡を用いた新たな血中循環腫瘍細胞の検出法 (2019)
  • Author(s): 廣津周、菊池寛利、曽根田亘、川田三四郎、松本知拓、平松良浩、神谷欣志、森田剛文、坂口孝宣、山田秀直、山下大輔、岡崎茂俊、今野 弘之、竹内裕也
  • Organizer: 第57回日本癌治療学会学術集会
• [Presentation] 定量位相顕微鏡を用いた新たな非標識下CTC検出法 (2019)
  • Author(s): 廣津周、菊池寛利、尾崎裕介、山田秀直、山下大輔、岡崎茂俊、川田三四郎、松本知拓、平松良浩、神谷欣志、森田剛文、坂口孝宣、今野 弘之、竹内裕也
  • Organizer: JDDW 2019
• [Presentation] Label-free classification of live cells using quantitative phase microscopy images for negative selection of circulating tumor cells (2019)
  • Author(s): Hirotoshi Kikuchi, Amane Hirotsu, Hidenao Yamada, Daisuke Yamashita, Shigetoshi Okazaki, Yukio Ueda, Ryoma Haneda, Yoshihiro Hiramatsu, Kinji Kamiya, Hiroyuki Konno, Hiroya Takauchi
  • Organizer: The 8th International Congress on Cancer Metastasis
  • Int'l Joint Research