2019 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of un-staining and non-invasive diagnosis technique of cancerous tissues using circularly polarized light emitting diodes
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19H04441
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
西沢 望 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (80511261)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
口丸 高弘 自治医科大学, 医学部, 講師 (10570591)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | がん診断 / 円偏光 / 生体工学 / スピントロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、円偏光散乱を用いたがん診断技術の開発のため、①散乱機構の解明、②適用範囲の明確化、③実際の素子開発と実証を行う。それぞれ生体模型を用いた実験、生体組織を用いた実験、モンテカルロシミュレーションの3つの手法を通して追及する。2019年度は①と②に主に注力した。
①散乱機構の解明：散乱体である細胞核を模した球の分散媒体に対して、光の散乱経路と散乱偏光度のを計算できるシミュレーションプログラムを開発し、散乱体のパラメータ変化に対して計算した。結果として散乱光の円偏光度にはサイズ変化が大きく寄与すること、組織のがん化による細胞核の肥大化を本技術により計測可能であること、検出角を変化させることで異常組織の深さ情報を抽出できることを明らかとした。散乱体のサイズ変化が散乱偏光度への寄与は生体模型による実験においても確認された。また、ヒトがん組織を転移させたマウス肝組織薄片に対する実験においても転移部における細胞核の肥大化が偏光度の変化に大きく寄与する結果が得られた。
②適用範囲の明確化：円偏光照射の入射角、散乱光の検出角を任意に変調可能なゴニオメーター型計測装置を構築し、生体試料に対して入射角、検出角依存性を調査した。いずれの角度構成においても正常部と転移部で一定の偏光度差が得られた。また線・面分析によりがん組織を面内分解能0.3mm程度で検出できることを実証した。
一方でシミュレーションにより面直方向の分解能を検討した。表皮側から進行する胃がんなどをモデルに表面側をがん組織に深部領域を健常組織とした2層構造に対して散乱偏光度の検出角依存性を調査した。結果として検出角の変調によって深さ情報を得ることが可能となり、0.6mm程度の精度でがん組織の厚さ（進行度）を検出できることを明らかにした。
③に対しては上記の結果を基に深さ情報を検出可能な素子構造をデザインした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、初年度は生体模型および生体試料による原理解明と技術発展に大きく時間を割く予定であった。しかしながら、シミュレーションプログラムの構築が大きな問題なく進み、結果として散乱偏光度は散乱体サイズに大きく依存し、その他のパラメータとして異方性や密度などは大きくは寄与しないことが明らかとなるなど様々な知見を得ることができた。また、年度中盤に現場の医師や医学装置の開発者と面談を持ち、実際の技術のニーズを聞くことができた。結果、組織表層を検知する既存技術ではカバーできない深さ方向のがん深達度計測を本技術の特長として捉えるに至った。さらに、本技術は散乱体サイズ、すなわち細胞核のサイズの変化を検知していることが明らかとなったため、これまでは主にターゲットとしてきた胃がんの他に肝硬炎や潰瘍性大腸炎などにも適用可能ではないかという示唆を受けた。以上、シミュレーション結果及び現場ニーズの考察から、生体模型および生体試料において検討すべきは、細胞核の肥大化に対する寄与の実証と、他の散乱体パラメータの寄与が小さいことの実証に絞ることができたため、計画よりも早い段階で偏光散乱の原理を模型実験、生体試料実験、シミュレーションの3方向から実証することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
現場ニーズの聞き取りをもとに、表層からのがん深達度に相当する深さ計測の実証に取り組む。初年度のシミュレーション結果として、深さ分解能は0.6mm程度と見積もられた。次年度は実験的に深さ計測の可否を検討、実証するとともに、シミュレーションの精度を向上し、分解能の見積精度の向上を図る。
生体模型においては作製方法の見直しを行う。これまでの作製法では固いガラス基板上に1層ごとに形成していたため、多層構造の作製には大きく時間を費やす必要があった。そこで大面積のフィルム上に散乱体構造を作製し、それを必要膜厚分だけ重ねることにより厚い模型やヘテロ構造模型を作製することが可能である。また、生体組織においてもがん組織を表層のみに配置した疑似的なヘテロ組織を用意し、実験的に実証する。一方で、シミュレーション精度の向上を行う。これまでのシミュレーションでは定性的な散乱現象の追求であったため単一の光学係数（散乱および吸収係数）を導入して行ってきたが、定量的な計測値を見積もるにあたっては、厳密な光学係数を導入する必要がある。そこで、生体組織薄片に対して積分球により光学係数（散乱および吸収係数）の測定を行い、得られた数値をシミュレーションにフィードバックすることでより分解能の見積精度を向上させる。
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