2019 Fiscal Year Research-status Report

超小型膜表面応力センサー(MSS)を用いた呼気によるがんの早期発見法の探索

Research Project

Project/Area Number	18K07318
Research Institution	University of Tsukuba
Principal Investigator	小島寛筑波大学, 医学医療系, 教授 (10225435)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	大越靖筑波大学, 医学医療系, 准教授 (10400673) [Withdrawn]
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords	呼気 / 人工嗅覚センサ / 膜型表面応力センサ / 機械学習 / がん早期診断
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、新たに開発された人工嗅覚センサ（超小型膜型表面応力センサ: MSS）を用いた簡易呼気採取法を確立し、呼気中の匂いでがんの早期発見を可能にするスクリーニング法を開発することを目的とする。 MSSの人工嗅覚としての性能評価は既に先行研究で行われてきたが、MSSを用いた呼気測定は本研究で初めて試みる内容であるということに鑑み、まず、測定法を確立するとともにその信頼性の評価を行った。具体的には、１）同一被験健常者由来の呼気を様々な測定条件下で測定したときに、MSSが同じ被験者由来の呼気であると再現性よく判断できるか、２）特定物質（アルコール）によるラベル付き呼気を、アルコールを含有しない対照呼気と判別できるか、の２点について検討した。これらの検討の結果、MSSによる呼気測定の良好な再現性が確認され、またMSSは特定物質を精度良く判別可能であることが明らかになった。この様にして確立されたMSSによる呼気測定法を用いて、がん患者呼気と健常者呼気をMSSが判別できるか否かの検討を行った。今日までに、21がん種の患者呼気約100検体、健常者呼気約70検体を採取し、第二世代型MSSによる測定を行った。測定データを機械学習理論を用いて解析したところ、がん種やがんの進行状態（早期・進行期）に関わらず診断精度は約8割であり、MSSががんの早期発見に利用可能である可能性が示唆された。以上示したとおり、これまでの研究によって、MSSを用いた呼気測定法の信頼性が証明され、さらに、比較的高い精度でがんスクリーニングが可能であることが示唆された。一方で、これまでの研究で、本手法をがんスクリーニング検査に適用するために解決すべき様々な課題および診断精度向上に向けた改善点が明らかになってきた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和元年度までに呼気採取を行った約170検体（がん患者100、健常者70検体）を対象とした解析によって、MSSによるがん判別呼気検査は、診断精度が約8割であることが示された。さらに、本研究で確立した呼気測定の信頼性評価も終了していることを考慮すると、おおむね順調な進展であると判断できる。一方、当初予期していなかった診断精度に影響する外的要因も明らかになってきた。問題点が顕在化したことで、今後の研究において、診断精度向上に向けて取り組むべき課題が明確になった。
Strategy for Future Research Activity	本研究においては、嗅覚センサであるMSSを用いて呼気測定を行うと同時に、ガスクロマトグラフィー質量分析計（GC-MS）を用いて呼気成分分析を進めている。現在までに170例という膨大なGC-MSデータが蓄積されているが、未だこのデータの詳細な解析は手つかずのままで、現時点ではがん由来成分の特定には至っていない。今後GC-MSデータの解析を進めることによって、がん特有の呼気成分またはパターンの解明を目指す。さらに、特定したがん特有の成分またはパターンとMSSの反応の関連性を評価することによって、MSSセンサに内蔵されている感応膜をがんの臭い物質に高反応性のものに改善することが可能になる。また、将来的な実用性を考慮すると、短時間で安定した安価・簡便な測定が実施可能になるよう、検査法の改善も模索する必要がある。
Causes of Carryover	２０２０年２月以降、新型コロナウイルスが国内に蔓延し、患者および健常人から呼気を採取することによって感染リスクが高まる可能性があるので、検体採取を中止している。この間は主にそれまでに集積したデータの解析に注力したが、支出を伴う内容は少ないために「次年度使用額」が発生した。既に、今までの研究成果の論文化に着手しているので、専門誌や学会に発表する際の費用に振り替えて使用する見込みである。