Study for next-generation precision medicine based on the highly targeted theranostics for the pathological neovascularization of cancers

• Project/Area Number: 19KK0369
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 高草木 洋一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 上席研究員 (60439916)
• Project Period (FY): 2020 – 2023
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥15,210,000 (Direct Cost: ¥11,700,000、Indirect Cost: ¥3,510,000)
• Keywords: がん / 血管 / 超偏極 / ペプチダーゼ / MRI / 放射線 / 個別化医療 / 代謝 / 血管新生 / 放射線増感剤

Outline of Research at the Start

本研究では、がん診断治療の高度化に資する次世代技術を開発するため、新しい量子技術として近年注目されている超偏極－核磁気共鳴代謝イメージング (HP-MRMI) でのがん血管新生の診断と、がん血管新生阻害型の新しい放射線増感剤による化学放射線療法を組み合わせた、高精度がん診断治療技術の確立に挑戦する。日本国内には存在しない世界最高性能の超偏極機や最先端の医用装置群、並びに臨床研究施設を擁する米国の生物医学研究機関との国際共同研究により諸検討を加速させ、従来の問題点を一掃する新しい角度からのがん個別化医療の可能性を証明すると共に、その実用化開発に向けた研究基盤を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、がん診断治療の高度化に資する次世代技術を開発するため、基課題において新規に創出された新規代謝分子センサーを用いた超偏極-核磁気共鳴画 像法 (HP-MRI) と、治験中の新しい放射線増感剤による化学放射線療法を組み合わせた、高精度がん診断治療技術の確立に挑戦している。
本年度は、前年度までに整備を完了した国内の HP-NMR/MRI 実験環境および各種条件を利用し、高感度化信号を足がかりとして新しい代謝センサーの信号取得や、がん担持モデルマウスにおける代謝反応の検出を実現した。
また、SQAP のエックス線治療増感効果をがん担持モデルマウスにて評価し、治療前後における代謝反応や、病理学的手法による検証実験により、薬効評価が可能であることを証明した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 米国立衛生研究所 (NIH) 国立癌研究所 (NCI)(米国) (2021)
  • Year and Date: 2021-05-31
• [Journal Article] Novel Structure-guided Design of Amino Acid Based Hyperpolarized 13C Probes for Metabolic Imaging (2023)
  • Author(s): Kazutoshi Yamamoto, Yutaro Saito, Hiroyuki Yatabe, Norikazu Koyasu, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Nobu Oshima, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • Journal Title: Proc. ISMRM Volume: 31 Pages: 0845-0845
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EPR and Related Magnetic Resonance Imaging Techniques in Cancer Research (2023)
  • Author(s): Yoichi Takakusagi, Ryoma Kobayashi, Keita Saito, Shun Kishimoto, Murali C. Krishna, Ramachandran Murugesan, Ken-ichiro Matsumoto
  • Journal Title: Metabolites Volume: 13 Issue: 1 Pages: 69-69
  • DOI: 10.3390/metabo13010069
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design and Development of the Molecular Probes for Application of the Hyperpolarized-NMR/MRI (2022)
  • Author(s): Yoichi Takakusagi
  • Journal Title: JPS Conf Proc Volume: 37 Pages: 021301-021301
  • DOI: 10.7566/jpscp.37.021301
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Continuous monitoring of postirradiation reoxygenation and cycling hypoxia using electron paramagnetic resonance imaging (2022)
  • Author(s): Kawai Tatsuya、Matsuo Masayuki、Takakusagi Yoichi、Saito Keita、Hyodo Fuminori、Devasahayam Nallathamby、Matsumoto Shingo、Kishimoto Shun、Yasui Hironobu、Yamamoto Kazutoshi、Krishna Murali C.
  • Journal Title: NMR in Biomedicine Volume: 35 Issue: 10 Pages: 4783-4783
  • DOI: 10.1002/nbm.4783
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure-guided design enables development of a hyperpolarized molecular probe for the detection of aminopeptidase N activity in vivo (2022)
  • Author(s): Yutaro Saito, Hiroyuki Yatabe, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Keita Hiraga, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Keisuke Saito, Nobu Oshima, Hiroshi Ishikita, Kazutoshi Yamamoto, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • Journal Title: Science advances Volume: 8 Issue: 13
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj2667
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure-based relaxation analysis reveals C-terminal [1-13C]glycine-d2 in peptides has long spin-lattice relaxation time that is applicable to in vivo hyperpolarized magnetic resonance studies (2022)
  • Author(s): Yohei Kondo, Yutaro Saito, Tomohiro Seki, Yoichi Takakusagi, Jumpei Morimoto, Hiroshi Nonaka, Koichiro Miyanishi, Wataru Mizukami, Makoto Negoro, Abdelazim Elsayed Elhelaly, Fuminori Hyodo, Masayuki Matsuo, Natarajan Raju, Rolf Swenson, Murali C. Krishna, Kazutoshi Yamamoto, Shinsuke Sando
  • Journal Title: ChemRxiv Volume: -
  • DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-tfkk1
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The natural sulfoglycolipid derivative SQAP improves the therapeutic efficacy of tissue factor-targeted radioimmunotherapy in the stroma-rich pancreatic cancer model BxPC-3 (2022)
  • Author(s): Yoichi Takakusagi, Aya Sugyo, Atsushi B. Tsuji, Hitomi Sudo, Masahiko Yasunaga, Yasuhiro Matsumura, Fumio Sugawara, Kengo Sakaguchi, Tatsuya Higashi
  • Journal Title: Translational Oncology Volume: 15 Issue: 1 Pages: 191285-191285
  • DOI: 10.1016/j.tranon.2021.101285
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of Nuclear Magnetic Resonance Molecular Probes for Hyperpolarized Bioimaging (2021)
  • Author(s): Yohei Kondo, Hiroshi Nonaka, Yoichi Takakusagi, Shinsuke Sando
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. (Review/総説） Volume: 60 Issue: 27 Pages: 2-23
  • DOI: 10.1002/anie.201915718
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 量子超偏極-核磁気共鳴法: 日本初の成果導出に向けて (2023)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: JSMRM スタディーグループ「量子超偏極の生命科学と知的基盤形成」
  • Invited
• [Presentation] Novel Structure-guided Design of Amino Acid Based Hyperpolarized 13C Probes for Metabolic Imaging (2023)
  • Author(s): Kazutoshi Yamamoto, Yutaro Saito, Hiroyuki Yatabe, Norikazu Koyasu, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Nobu Oshima, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • Organizer: ISMRM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超偏極-核磁気共鳴法による生体内ペプチダーゼ活性の検出および可視化を指向した分子プローブの設計と開発 (2023)
  • Author(s): 谷田部浩行、近藤洋平、田村伊織、石田諒、関智宏、高草木洋一、Abdelazim E. Elhelaly、大島野歩、兵藤文紀、松尾政之、山本和俊、Murali C. Krishna、齋藤雄太朗、山東信介
  • Organizer: 第17回 日本分子イメージング学会 学会総会・学術集会
• [Presentation] Development of a Hyperpolarized Molecular Probe for Aminopeptidase N Activity Applicable in vivo (2023)
  • Author(s): Yutaro Saito, Hiroyuki Yatabe, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Keita Hiraga, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Keisuke Saito, Hiroshi Ishikita, Kazutoshi Yamamoto, Murali C Krishna, Shinsuke Sando
  • Organizer: Asian Chemical Biology Conference 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 医用画像診断のフロンティア: 量子技術により実現する巨視的代謝イメージング (2023)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 名古屋大学 医工若手研究者交流会
  • Invited
• [Presentation] 超偏極－核磁気共鳴法: 今何が新しいのか？ (2022)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 電通大＆量子生命合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 量子技術を用いた超高感度 MRI/NMR ~QST 千葉地区における取り組み~ (2022)
  • Author(s): 根来誠 , 高草木洋一 , 高堂裕平 , 小林竜馬 , 齋藤圭太 , 菊池達矢 , 小野麻衣子 , 柴田さやか , 富安もよこ , 小畠隆行
  • Organizer: 量子生命科学先端フォーラム 2022 年冬の研究会
• [Presentation] 超偏極MRIによる腫瘍内ピルビン酸代謝イメージング (2022)
  • Author(s): 齋藤圭太 , 高草木洋一 , 小林竜馬
  • Organizer: 量子生命科学先端フォーラム 2022 年冬の研究会
• [Presentation] triplet法による超偏極MRIを支える技術 (2022)
  • Author(s): 小林竜馬 , 高草木洋一 , 齋藤圭太
  • Organizer: 量子生命科学先端フォーラム 2022 年冬の研究会
• [Presentation] 低分子化合物を基軸とした診断治療技術の開発 (2022)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 千葉大学 膜タンパク質研究センター × 量子科学技術研究開発機構 量子生命科学研究所 第 11 回合同勉強会
  • Invited
• [Presentation] Inducing or Accessing Vasculature (2022)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 日本放射線腫瘍学会第 35 回学術大会 シンポジウム7 ”Hallmarks of cancer” から読み解く放射線生物学
  • Invited
• [Presentation] A newly designed hyperpolarized molecular probe enables the in vivo detection of aminopeptidase N activity from the tumor regions in animals (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Yatabe, Yutaro Saito, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Keita Hiraga, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Keisuke Saito, Nobu Oshima, Hiroshi Ishikita, Kazutoshi Yamamoto, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • Organizer: World Molecular Imaging Congress 2022 (WMIC 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子生命棟超偏極エリアの紹介 (2022)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 第 2 回磁気共鳴医学会スタディーグループミーティング「臨床応用を指向する超偏極・代謝 MRI イメージング」
  • Invited
• [Presentation] Hyperpolarized MR Facility in the Institute for Quantum Life Science, QST (2022)
  • Author(s): Yoichi Takakusagi
  • Organizer: DNP Mini Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] がん研究における低温超偏極 MRI/NMR の応用 (2022)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: DNP 研究会
  • Invited
• [Presentation] 量子生命科学 (量子イメージング) の研究開発と医療応用 (2022)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 第 12 回放射線生物学セミナー
  • Invited
• [Presentation] Development of Hyperpolarized Molecular Probes for in vivo Detection of Peptidase Activities (2021)
  • Author(s): Yutaro Saito, Hiroyuki Yatabe, Iori Tamura, Ryo Ishida, Yohei Kondo, Tomohiro Seki, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Kazutoshi Yamamoto, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • Organizer: PACIFICHEM2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] QST 量子超偏極 MRI グループ (最近の研究活動の紹介) (2021)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 第 49 回日本磁気共鳴医学会大会スタディーグループ
  • Invited
• [Presentation] Design and development of the molecular probes for application of the hyperpolarized-NMR/MRI (2021)
  • Author(s): Yoichi Takakusagi
  • Organizer: The 24th International Spin Symposium (SPIN2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NIH 留学記: NIH の DNP 装置 (2021)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 第 49 回日本磁気共鳴医学会大会スタディーグループ
  • Invited
• [Presentation] 超偏極－核磁気共鳴代謝イメージング: 次世代の画像診断技術としての応用に向けて (2021)
  • Author(s): 高草木洋一
  • Organizer: 第 49 回日本磁気共鳴医学会大会 教育講演
  • Invited
• [Presentation] 緩和機構の理解に基づく実用的な量子超偏極-核磁気共鳴分子プローブの設計 (2021)
  • Author(s): 谷田部浩行、近藤洋平、田村伊織、石田諒、関智宏、高草木洋一、大嶋野歩、兵藤文紀、松尾政之、山本和俊、Murali C. Krishna、齋藤雄太朗、山東信介
  • Organizer: 量子生命科学会 第 3 回大会
• [Presentation] 超偏極[1-13C]ピルビン酸核磁気共鳴分光法と代謝イメージングによる 前立腺がんのエネルギー代謝解析と治療効果予測 (2021)
  • Author(s): 高草木洋一、松尾政之、高草木香織、井上香織、兵藤文紀、Murali C. Krishna、市川和洋
  • Organizer: 第 15 回 日本分子イメージング学会総会・学術集会
• [Remarks] 精密分子設計による高感度MRI分子プローブの開発
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/press/20220331-1.html