Demonstration of next-generation drug delivery visualization system by integrating treatment and diagnosis

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00669
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 片岡 淳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90334507)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 弘樹 大阪大学, 大学院医学系研究科, 准教授 (20448054) ; 上田 真史 岡山大学, 医歯薬学域, 教授 (40381967)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ドラッグデリバリー / 多色X線CT / 核医学治療 / コンプトンカメラ / ナノ粒子増感剤

Outline of Annual Research Achievements

本年度は最終年度に相応しく、様々な成果を得ることができた。多色スペクトラルCTでは昨年開発した 64ch システムに新たに温度ーゲイン自動補正機能を追加し、複数造影剤や抗がん剤のキャリアである金ナノ粒子を投与したマウスの撮影を行った。また、ピクセルシフトを用いた新しい発想を導入し、サブミリを実現する高解像度イメージングなど、予定した以上の実験を滞りなく行うことができた。さらに、薬物動態(DDS)キャリアであるリポソームと、内包物である白金系抗がん剤の同時CTイメージングを目指した製剤を行い、カルボプラチンやオキサリプラチンを用いた合成を進めている。核医学イメージングに関しては、小動物用コンプトンカメラ・ガントリを8ユニットまで拡張し、α線治療薬であるAt-211の生体マウスイメージングを行った。さらに、阪大病院において臨床イメージングの貴重な機会が得られ、ハイブリッド・コンプトンカメラ3台を用いて患者体内のRa-223(ゾーフィゴ)薬物動態可視化に成功した。粒子線治療に関しては、pBCT(ホウ素陽子捕捉治療)に変わる新しい増感剤として、金ナノ粒子を用いた生物的・化学的増感作用の検証を進めた。具体的には、増感作用に寄与すると考えられるオージェ電子の発生量を正確に見積もるため、Geant４-DNAシミュレーションとAES(オージェ電子分光計)およびXPS（X線光電子分光計）によるスペクトルとの直接比較など、物理学的観点からも増感剤の機序解明を行った。さらに、クマリン酸などラジカルスカベンジャーを用いた化学的実験により、増感剤の有無によるラジカル生成量の定量評価を実施した。2022年度はＸ線、電子線、陽子線など様々な線種での照射実験を行った。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Experimental verification of efficacy of pBCT in terms of physical and biological aspects (2023)
  • Author(s): Mana Hosobuchi, Jun Kataoka, Hiromu Yokokawa, You Okazaki, Ryoichi Hirayama, Taku Inaniwa, Masashi Ueda, Mitsuhiro Kimura
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 1045 Pages: 167537
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167537
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wide-band X-ray and gamma-ray imaging of living mouse to reveal pharmacokinetics of At-211 (2023)
  • Author(s): M. Masubuchi, A. Omata, N. Koshikawa, J. Kataoka, H. Kato, A. Toyoshima, K. Ooe, D. Katayama, T. Teramoto, K. Matsunaga, T. Kamiya, T. Watabe, E. Shimosegawa, J. Hatazawa
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 1045 Pages: 167581
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167581
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experiment of in vivo imaging with third generation setup using Photon-Counting CT with 64ch Multi-Pixel Photon Counter (2023)
  • Author(s): M. Sagisaka, T. Toyoda, J. Kataoka, M. Arimoto, H. Kawashima, S. Kobayashi, K. Murakami, K. Okumura, D. Sato, K. Yoshiura, T. Mizuno, K. Aiga, S. Terazawa, S. Shiota
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 1045 Pages: 167580
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167580
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Initial results of in vivo CT imaging of contrast agents using MPPC-based photon-counting CT (2023)
  • Author(s): Daichi Sato, Makoto Arimoto, Kotaro Yoshiura, Tomoya Mizuno, Ko Aiga, Kairi Ishiguro, Takahiro Tomoda, Hiroki Kawashima, Satoshi Kobayashi, Kenichiro Okumura, Kazuhiro Murakami, Jun Kataoka, Takaya Toyoda, Mayu Sagisaka, Shinsuke Terazawa, Satoshi Shiota
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 1045 Pages: 167960
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167960
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Water luminescence imaging for visualization of therapeutic effects of proton therapy and radiosensitizers (2023)
  • Author(s): Yu Okazaki, Mana Hosobuchi, Hiromu Yokokawa, Jun Kataoka, Seiichi Yamamoto
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 1045 Pages: 167793
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167793
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Activation imaging: New concept of visualizing drug distribution with wide-band X-ray and gamma-ray imager (2023)
  • Author(s): N. Koshikawa, Omata, M. Masubuchi, J. Kataoka, Y. Kadonaga, K. Tokoi, S. Nakagawa. Imada, A. Toyoshima, K. Matsunaga, H. Kato, Y. Wakabayashi, T. Kobayashi, K. Takamiya, M. Ueda
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 1045 Pages: 167599
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167599
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Performance demonstration of a novel photon-counting CT for preclinical application (2022)
  • Author(s): T.Toyoda, J.Kataoka, M.Sagisaka, M.Arimoto, D.Sato, K.Yoshiura, H.Kawashima, S.Kobayashi, J.Kotoku, S.Terazawa, S.Shiota, M.Ueda
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A Volume: 1040 Pages: 167181
  • DOI: 10.1016/j.nima.2022.167181
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Activation imaging of drugs with hybrid Compton camera: A proof-of-concept study (2022)
  • Author(s): N. Koshikawa, A. Omata, M. Masubuchi, Y. Okazaki, J. Kataoka, K. Matsunaga, H. Kato, A. Toyoshima, Y. Wakabayashi, and T. Kobayashi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 121 Pages: 193701
  • DOI: 10.1063/5.0116570
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 散乱陽子線計測に基づく「その場」陽子線治療モニタリングシステムの初期検証 (2023)
  • Author(s): 佐藤 将吾、横川 広歩、田中 香津生、山本 誠一、片岡 淳
  • Organizer: 第70回 応用物理学会春季年会
• [Presentation] 粒子線治療への応用を目指したフォトンカウンティングCTによる電子数密度推定 (2023)
  • Author(s): 匂坂 真結、片岡 淳、稲庭 拓、有元 誠、川嶋 広貴、小林 聡、佐藤 大地、水野 睦也、寺澤 慎祐、塩田 諭
  • Organizer: 第70回 応用物理学会春季年会
• [Presentation] X線ガンマ線イメージングが切り拓く近未来 - 宇宙物理と放射線治療の架け橋へ - (2022)
  • Author(s): 片岡淳
  • Organizer: 日本医学物理学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] X線ガンマ線でつなぐ宇宙と医療 (2022)
  • Author(s): 片岡淳
  • Organizer: 日本コンピュータ外科学会大会
  • Invited
• [Presentation] ガンマ線イメージングが拓く近未来：宇宙から医療・大気・資源探査へ (2022)
  • Author(s): 片岡淳
  • Organizer: 日本応用物理学会（秋季年会）
  • Invited
• [Presentation] Water Luminescence Imaging for Visualization of Therapeutic Effects of Proton Therapy and Radiosensitizers (2022)
  • Author(s): Y.Okazaki, M.Hosobuchi, H.Yokokawa, J.Kataoka, S.Yamamoto
  • Organizer: 9th Conference on New Development in Photodetection (NDIP2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experiment of in vivo imaging with third generation setup using Photon-Counting CT with 64ch Multi-Pixel Photon Counter (2022)
  • Author(s): M.Sagisaka, T.Toyoda, J.Kataoka, M.Arimoto, H.Kawashima, S.Kobayashi, K.Murakami, D.Sato, K.Yoshiura, T.Mizuno, K.Aiga, S.Terazawa, S.Shiota
  • Organizer: 9th Conference on New Development in Photodetection (NDIP2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Demonstrative measurement of proton-nuclear reaction by deconvolving the prompt gamma-ray spectra (2022)
  • Author(s): M.Hosobuchi, J.Kataoka, F.Nishi, R.Tanaka
  • Organizer: 9th Conference on New Development in Photodetection (NDIP2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wide-band X-ray and gamma-ray imaging of living mouse to reveal pharmacokinetics of At-211 (2022)
  • Author(s): M.Masubuchi, A.Omata, N.Koshikawa, J.Kataoka,H.Kato, A.Toyoshima, T.Teramoto, K.Ooe, D.Katayama. T.Teramoto, K.Matsunaga, T.Kamiya, T.Watabe, E.Shimosegawa, J.Hatazawa
  • Organizer: 9th Conference on New Development in Photodetection (NDIP2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-situ visualization system of 3D dose distribution for precision proton therapy (2022)
  • Author(s): S.Sato, H.Yokokawa, M.Hosobuchi, J.Kataoka
  • Organizer: 9th Conference on New Development in Photodetection (NDIP2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Verification of the Efficacy of pBCT from Physical and Biological Aspects (2022)
  • Author(s): M.Hosobuchi, J.Kataoka, H.Yokokawa, Y.Okazaki, M.Ueda, K.Kobashigawa, R.Hirayama, T.Inaniwa, A.M.Glenn
  • Organizer: 9th Conference on New Development in Photodetection (NDIP2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生体マウスにおけるリアルタイム薬物動態（At-211 NaAt）Ｘ線ガンマ線同時イメージング (2022)
  • Author(s): 増渕美穂, 越川七星, 小俣陽久, 片岡淳, 加藤弘樹, 豊嶋厚史, 大江一弘, 片山大輔,寺本高啓, 松永恵子
  • Organizer: 日本医学物理学会（秋季年会）
• [Presentation] MPPCと高速シンチレータを用いた光子計数型CT：生体マウスイメージングによる実証 (2022)
  • Author(s): 匂坂 真結, 片岡 淳, 有元 誠, 川嶋 広貴, 小林 聡, 村上 和弘, 佐藤 大地, 水野 睦也, 寺澤 慎祐, 塩田 諭
  • Organizer: 日本医学物理学会（秋季年会）
• [Presentation] 陽子線治療と増感剤の治療効果可視化に向けた水ルミネセンスイメージング (2022)
  • Author(s): 岡﨑優, 細淵真那, 横川広歩, 片岡淳, 山本誠一
  • Organizer: 日本医学物理学会（秋季年会）
• [Presentation] 散乱陽子線を用いた「その場」線量可視化システムの提案 (2022)
  • Author(s): 横川 広歩, 佐藤 将吾, 片岡 淳
  • Organizer: 日本医学物理学会（秋季年会）
• [Presentation] Initial results of in vivo CT imaging of contrast agents using MPPC-based photon-counting CT (2022)
  • Author(s): Daichi Sato; Makoto Arimoto; Kotaro Yoshiura; Tomoya Mizuno; Ko Aiga; Kazuhiro Murakami; Hiroki Kawashima; Satoshi Kobayashi; Kenichiro Okumura; Jun Kataoka; Takaya Toyoda; Mayu Sagisaka; Kairi Ishiguro; Takahiro Tomoda; Shinsuke Terazawa; Satoshi Shiota
  • Organizer: 9th Conference on New Development in Photodetection (NDIP2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 次世代X線CTを用いた複数造影剤の生体内イメージング (2022)
  • Author(s): 佐藤 大地、有元 誠、水野 睦也、石黒 海里、供田 崇弘、川嶋 広貴、小林 聡、村上 和弘、奥村 健一郎、片岡 淳、匂坂 真結、寺澤 慎祐、塩田 諭
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Activation imaging: new concept of visualizing drug distribution with wide-band X-ray and gamma-ray imager (2022)
  • Author(s): N.Koshikawa, A.Omata, M.Masubuchi, Y.Okazaki, J.Kataoka, K.Matsunaga, H. Kato, Y.Kadonaga, A.Toyoshima, Y.Wakabayashi, T.Kobayashi, K.Takamiya,M.Ueda
  • Organizer: 9th Conference on New Development in Photodetection (NDIP2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 放射化イメージングによる薬剤可視化手法の提案と実証 (2022)
  • Author(s): 越川 七星,増渕 美穂, 片岡 淳, 角永 悠一郎, 床井 健運, 中川 創太, 今田 彩香, 豊嶋 厚史, 松永 恵子, 加藤 弘樹, 高宮 幸一, 上田 真史
  • Organizer: 日本医学物理学会（秋季年会）
• [Presentation] 放射化イメージングによる高感度薬剤可視化の実証 (2022)
  • Author(s): 越川 七星,増渕 美穂, 片岡 淳, 角永 悠一郎, 床井 健運, 中川 創太, 今田 彩香, 豊嶋 厚史, 松永 恵子, 加藤 弘樹, 高宮 幸一, 上田 真史
  • Organizer: 日本応用物理学会（秋季年会）
• [Presentation] 広帯域 X 線ガンマ線による放射化イメージング手法の開発 (2022)
  • Author(s): 越川 七星,増渕 美穂, 片岡 淳, 角永 悠一郎, 床井 健運, 中川 創太, 今田 彩香, 豊嶋 厚史, 松永 恵子, 加藤 弘樹, 高宮 幸一, 上田 真史
  • Organizer: 第3回標的アイソトープ治療線量評価研究会大会
• [Remarks] 様々な元素の分布を可視化する「放射化イメージング」に成功
  • URL: https://www.waseda.jp/top/news/85249
• [Remarks] 増渕美穂さん(M2)が 第124回・日本医学物理学会(秋季) 大会長賞（銅賞）を受賞
  • URL: http://www.spxg-lab.phys.waseda.ac.jp/