Development of a new diagnostic method for uveitis using artificial intelligence and omics analysis

• Project/Area Number: 22K09840
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 56060:Ophthalmology-related
• Research Institution: Tokyo Medical University
• Principal Investigator: 臼井 嘉彦 東京医科大学, 医学部, 准教授 (50408142)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ぶどう膜炎 / オミックス解析 / 人工知能

Outline of Research at the Start

患者オミックス情報と臨床情報を人工知能により統合解析することによるぶどう膜炎診断の確立を目指す。特に疾患の高次元性と潜在的ヘテロ性による解決の困難性の克服するため、主要な機械学習を用いて、多階層・時間軸で解析し、疾患予測のアルゴリズムを作成する。

Outline of Annual Research Achievements

ぶどう膜炎は視力障害の主要な原因疾患の１つであるが、診断や治療効果判定に確立したバイオマーカーや治療法は未だない。様々な種類のぶどう膜炎において単一マーカーでの診断には限界があり、ぶどう膜炎の多様性を正確に評価した個々の特徴と治療方針が重要となる。本研究では、各ぶどう膜炎の診断に重要なマルチバイオマーカーやプロファイルを明らかにするために、様々なオミックス解析（プロテオミクス、トランスクリプトミクス、メタボロミクス）を人工知能（機械学習）により解析することである。そして複数の情報を活用した高精度な診断システムを構築することで、マルチバイオマーカー探索と診断の数理モデルの方法論を同時に開発する。先行研究として、世界に先駆けてオミックス解析と人工知能解析を融合させ、バイオマーカー探索を行ってきたため、既に得られているオミックスデータを活用することができ、さらにぶどう膜炎の種類や症例数を増やしてオミックス解析を行う。
人工知能によるぶどう膜炎診断を最適化し、個別化医療を実現するためには患者の層別化が必要である。マルチオミックス解析と治療反応性や生命予後などの臨床情報を統合解析し、これらの網羅的データを非階層クラスター解析などの解析手法を用いて次元圧縮し、WGCNAで機能的モジュール情報に変換するアプローチを用いることで、旧来の解析手法では解明できなかった診断へのアプローチが可能であると考える。クロスバリデーションのような評価試験（内部評価）だけでなく、独立して採取した検体および測定データを用いた外部評価も行い、精度検証を行い、その数理指標の汎用性の評価と一般化に向けた取り組みを行う。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ぶどう膜炎の中で最も頻度の高いサルコイドーシスについてオミックス解析を行い、J Clin Med 2022. 11: 3606として論文を作成することができた。現在眼内リンパ腫におけるオミックス解析についても原著論文を作成中である。ぶどう膜炎5000例以上を対象とした診断ツールや治療効果予測、視力予後予測ツールの解析も行い、原著論文を作成中である。

Strategy for Future Research Activity

今後も各種ヒトぶどう膜炎の末梢血、唾液、眼内液を用いてゲノミクス解析、プロテオーム解析、トランスクリプトミクス解析とメタボロームの網羅的解析を行っていく。
その後、これらのオミックスデータから候補因子を5種類の機械学習法（ディープラーニングやサポートベクターマシン、ランダムフォレスト、決定木、ナイーブベイズ）により解析を行い、各種ぶどう膜炎の診断に関与するバイオマーカーを明らかにする。特に、血清や唾液から得られたデータと眼内液から得られた結果も比較検討を行っていく。

Research Products

• [Journal Article] Adenovirus-Associated Uveitis with Necrotizing Retinitis. (2023)
  • Author(s): Sugita S, Usui Y, Watanabe H, Panto L, Iida M, Suginoshita K, Koyanagi KO, Nishida A, Kurimoto Y, Takahashi M, Shindo T, Nishioka H, Takano M, Kezuka T, Goto H, Kitaichi N.
  • Journal Title: Ophthalomology Volume: 130 Issue: 4 Pages: 443-445
  • DOI: 10.1016/j.ophtha.2022.12.020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optical Coherence Tomography Angiography (OCT-A) in Uveitis: A Literature Review and a Reassessment of Its Real Role (2023)
  • Author(s): Herbort CP Jr, Takeuchi M, Papasavvas I, Tugal-Tutkun I, Hedayatfar A, Usui Y, Ozdal PC, Urzua CA.
  • Journal Title: Diagnostics Volume: 13 Issue: 4 Pages: 601-601
  • DOI: 10.3390/diagnostics13040601
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vogt-Koyanagi-Harada disease: the step-by-step approach to a better understanding of clinicopathology, immunopathology, diagnosis, and management: a brief review (2022)
  • Author(s): Urzua CA, Herbort CP Jr, Takeuchi M, Schlaen A, Concha-Del-Rio LE, Usui Y, Cuitino L, Papasavvas I.
  • Journal Title: J Ophthalmic Inflamm Infect Volume: 12 Issue: 1 Pages: 17-17
  • DOI: 10.1186/s12348-022-00293-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficacy and Safety of Adalimumab for Exacerbation or Relapse of Ocular Inflammation in Patients with Vogt-Koyanagi-Harada Disease: A Multicenter Study (2022)
  • Author(s): Nakai S, Takeuchi M, Usui Y, Namba K, Suzuki K, Harada Y, Kusuhara S, Kaburaki T, Tanaka R, Takeuchi M, Mizuki N, Nakai K, Goto H, Herbort CP Jr.
  • Journal Title: Ocul Immunol Inflamm Volume: in press Issue: 4 Pages: 367-375
  • DOI: 10.1080/09273948.2022.2092007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comprehensive Proteomic Profiling of Vitreous Humor in Ocular Sarcoidosis Compared with Other Vitreoretinal Diseases (2022)
  • Author(s): Komatsu Hiroyuki、Usui Yoshihiko、Tsubota Kinya、Fujii Risa、Yamaguchi Takefumi、Maruyama Kazuichi、Wakita Ryo、Asakage Masaki、Shimizu Hiroyuki、Yamakawa Naoyuki、Nezu Naoya、Ueda Koji、Goto Hiroshi
  • Journal Title: Journal of Clinical Medicine Volume: 11 Issue: 13 Pages: 3606-3606
  • DOI: 10.3390/jcm11133606
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Factors associated with low prevalence of Fuchs' uveitis syndrome in Japan (2022)
  • Author(s): Yoneda Yu、Usui Yoshihiko、Maruyama Kazuichi、Takeuchi Masaru
  • Journal Title: Frontiers in Medicine Volume: 9 Pages: 999804-999804
  • DOI: 10.3389/fmed.2022.999804
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Adalimumab treatment for chronic recurrent Vogt-Koyanagi-Harada disease with sunset glow fundus: A multicenter study (2022)
  • Author(s): Takeuchi M, Nakai S, Usui Y, Namba K, Suzuki K, Harada Y, Kusuhara S, Kaburaki T, Tanaka R, Takeuchi M, Mizuki N, Nakai K, Goto H, Herbort CP Jr.
  • Journal Title: Saudi J Ophthalmol Volume: 36 Pages: 380-386
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct Evidence of Conjunctival Melanoma Metastasis via Lymphatic Vessel (2022)
  • Author(s): Usui Yoshihiko、Maruyama Kazuichi、Goto Hiroshi
  • Journal Title: Ophthalmology Volume: 10 Issue: 10 Pages: 782-785
  • DOI: 10.1016/j.ophtha.2022.10.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multicenter, retrospective, observational study for the Treatment Pattern of systemic corticoSTERoids for relapse of non-infectious uveitis accompanying Vogt-Koyanagi-Harada disease or sarcoidosis (2022)
  • Author(s): Namba Kenichi、Takase Hiroshi、Usui Yoshihiko、Nitta Fumihiko、Maruyama Kazuichi、Kusuhara Sentaro、Takeuchi Masaki、Azumi Atsushi、Yanai Ryoji、Kaneko Yutaka、Hasegawa Eiichi、Nakai Kei、Tsuruga Hidekazu、Morita Kazuo、Kaburaki Toshikatsu
  • Journal Title: Japanese Journal of Ophthalmology Volume: 66 Issue: 2 Pages: 130-141
  • DOI: 10.1007/s10384-021-00897-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anti-TNF-α Therapy for Refractory Uveitis Associated with Behçet's Syndrome and Sarcoidosis: A Single Center Study of 131 Patients (2021)
  • Author(s): Kunimi K, Usui Y, Asakage M, Maehara C, Tsubota K, Mitsuhashi R, Umazume A, Kezuka T, Sakai JI, Goto H.
  • Journal Title: Ocul Immunol Inflamm Volume: in press Issue: 1 Pages: 223-230
  • DOI: 10.1080/09273948.2020.1791346
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 「継承と創造、そして未来へー網脈絡膜疾患」ぶどう膜炎研究のあたらしい流れ (2022)
  • Author(s): 臼井嘉彦
  • Organizer: 第76回日本臨床眼科学会
  • Invited
• [Presentation] 眼サルコイドーシスの硝子体液および血清中における細胞外小胞中の網羅的microRNA解析 (2022)
  • Author(s): 小松紘之、臼井嘉彦、後藤浩
  • Organizer: 第55回日本眼炎症学会
• [Presentation] Machine Learning-Based Diagnosis of Uveitis Using Routine Peripheral Blood Test Data (2022)
  • Author(s): Tsubota K, USUI Y, NEZU N, GOTO H.
  • Organizer: American Academy of Ophhtalmology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 血清を用いた眼サルコイドーシスのプロテオミクス解析 (2022)
  • Author(s): 小松紘之、臼井嘉彦、山川直之、後藤浩
  • Organizer: 第76回日本臨床眼科学会
• [Presentation] 前房水中の免疫液性因子に採血データを加えた機械学習による眼疾患の診断予測 (2022)
  • Author(s): 菅原莉沙、臼井嘉彦、禰津直也、脇田遼、小松紘之、後藤浩
  • Organizer: 第３回日本AI学会