2019 Fiscal Year Final Research Report

A new diagnostic technology for degeneration of knee ligaments using Raman spectroscopy and its developmetnt toward practical applications

Research Project

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Project/Area Number	17K11029
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Research Field	Orthopaedic surgery
Research Institution	Tokyo Medical University
Principal Investigator	TAKAHASHI Yasuhito 東京医科大学, 医学部, 助教 (60567668)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松永怜東京医科大学, 医学部, 助教 (90459579) 澤地恭昇東京医科大学, 医学部, 助教(特任) (20571152) 宍戸孝明東京医科大学, 医学部, 准教授 (70266500) 香取庸一東京医科大学, 医学部, 臨床講師 (40233837) 立岩俊之東京医科大学, 医学部, 講師 (00424630) 山本謙吾東京医科大学, 医学部, 主任教授 (10246316)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	前十字靭帯 / ラマン分光 / 近赤外レーザー / 組織診断 / 光バイオプシー
Outline of Final Research Achievements	In this study, near-infrared laser Raman spectroscopy was applied to human anterior cruciate ligament (ACL) to establish optical algorithms for non-destructively diagnosing a degeneration state at molecular level. Raman spectra of ex-vivo ACL were collected, and were subsequently classified as an early and advanced degradation groups based on the histopathological scoring system. The significant differences in several Raman peak intensities of ACL were found between the different degeneration groups, which were assigned to the vibrational modes of nucleic acids in cells, collagens, and phospholipids. Linear discriminant analysis (LDA) was performed to identify cut-off values for the distributions of the Raman intensity ratios, which enable to best discriminate between the early and advanced degenerated tissues. Our Raman algorithm yielded a maximum diagnostic sensitivity of 100%, specificity of 80%, and accuracy of 91% for discriminating the degeneration severity.
Free Research Field	生体医工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	前十字靭帯(ACL)における組織変性度の診断は、病理や生化学分析など組織切除を要する侵襲検査法に依存している。一方、非破壊検査法としてMRI画像診断も実施されているが、ACLの完全/部分断裂の有無や粘液変性の診断にその応用場面が限定されている。そこで本研究では非破壊検査法である近赤外レーザーラマン分光法を応用し、ACLの局所変性度を診断するための光学アルゴリズムを構築した。レーザー光を用いた本診断法を適応すれば、低侵襲迅速診断が理論上可能になり、特に初期変性に対する診断が可能であることから、靭帯温存または切除に際する客観的判断指標を術者に与えられるなど臨床意義の高い研究成果であるといえる。