Development of a precise oxygen mapping method for malignant tumors using electron paramagnetic resonance
| Project/Area Number |
21K18165
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
平田 拓 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (60250958)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲波 修 北海道大学, 獣医学研究院, 教授 (10193559)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
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| Keywords | 電子スピン共鳴 / 酸素分圧 / 腫瘍 / イメージング / 緩和時間 / 腫瘍モデル / 数理モデル |
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| Outline of Research at the Start |
悪性腫瘍が低酸素状態になると放射線治療や抗がん剤の治療効果が低下する。しかし、病院で日常的に使用されているイメージンク法では、低酸素状態を示す物理量(酸素分圧)が可視化されていない。一方、酸素分子が分子プローブの電子スピンの緩和時間を変化させる現象を利用して、酸素分圧を可視化する手法が成功している。本研究課題では、悪性腫瘍における酸素分圧を高精度に可視化する連続波電子スピン共鳴分光イメージングの理論と技術を構築する。具体的には、窒素同位体で標識した二つの分子プローブを用いる新規なコンセプトにより、4 mmHg以下の計測精度を有する三次元酸素分圧計測の実現を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、悪性腫瘍における酸素分圧を高精度に可視化する連続波電子スピン共鳴分光イメージングの理論と技術を構築することを目指している。2年目となる2022年度は、次の2つの課題に取り組んだ。
課題(1) 電子スピンの緩和時間計測のばらつき（標準偏差）を低減することを目指して、磁場勾配の制御が正確に行われているか検討した。最終的に磁場勾配ステップの線形性に問題がないことを確認した。加えて、マグネットシステムの温度変化と磁場掃引の非線形性を測定し、それらが緩和時間計測に影響を与える度合いを確認した。いずれも緩和時間計測のばらつきを大きくする要因ではあるが、それらを補正してもばらつきの低減は限定的であった。これらの検討を踏まえ、他に緩和時間計測（マッピング）のばらつきが生じる要因を探索した。その結果、磁場掃引幅が不足しているために電子スピン共鳴スペクトルの裾野が計測されない場合があり、それが、緩和時間計測のばらつきを大きくしていることを特定した。電子スピンのスペクトルを記録する磁場掃引幅を2 mTに拡大することにより、緩和時間100 nsの試料を模擬した数値実験において、緩和時間計測の標準偏差を0.4 ns程度に低減できることを確認した。
課題(2) 酸素分圧と分子プローブ濃度を推定するロバストな計算法を構築することを目指した。条件の悪い線形モデルを精度よく解くことが課題となっていたが、パリ大学の応用数学グループとの共同研究により、ばらつきを抑えて酸素分圧と分子プローブ濃度を推定する最適化問題を取り扱うことが可能になった。最終的な精度の検証はこれから行われるが、予備的な検討では酸素分圧の精度の目標値（4 mmHg以下）に到達できる可能性が見えてきた。また、腫瘍モデルマウスの形態像を撮像するために、1テスラのマウス用MRIを設置した。
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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
次の2項目はいずれも研究課題の最終ゴールとなる腫瘍モデルマウスの高精度酸素分圧イメージングの実現に貢献するものであり、研究がおおむね順調に進んでいることを示している。
(1) 電子スピンの緩和時間計測において、測定結果のばらつきに影響を与えると考えられる要因を検討し、磁場掃引幅の不足が緩和時間計測のばらつきに影響を与えることを突き止めた。磁場勾配の制御、磁場掃引の線形性、マグネットシステムの温度変化も検討し、緩和時間計測のばらつきに与える影響の程度が比較的低いことを明らかにした。
(2) 数理モデルを用いて酸素分圧を安定に計算するアプローチ構築に目処をつけることができた。最終的な成果の確認は今後必要であるが、（本研究課題の計画当初には予定していなかった）パリ大学の応用数学グループの協力により、数理モデルのロバストな解法に関して大きく前進することができた。
以上のことから、本研究課題は「おおむね順調に進んでいる」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、これまで得られた知見により、水溶液サンプルを用いて電子スピンの緩和時間計測のばらつきを低減できることを証明する。また、電子スピンの緩和時間計測と数理モデルを用いた酸素分圧および分子プローブ濃度の推定を組み合わせ、水溶液サンプルの酸素分圧可視化実験を行う。この実験では、酸素モニターOxyLiteにより水溶液サンプルの酸素分圧を正確に測定し、我々の手法に基づく酸素分圧の推定値がどの程度正確であるかを評価する。
水溶液サンプルでの検証実験を終えた後、腫瘍モデルマウスによる酸素分圧測定に挑戦する。腫瘍モデルマウスは、ヒト由来膵管がん細胞の異種移植モデルを用いる予定である。腫瘍組織の低酸素化が顕著な細胞種と、組織の酸素レベルが比較的高い細胞種を用いることにより、二種類の腫瘍モデルマウスの比較を行う。以上の計画により、水溶液サンプルでの酸素分圧マッピングが精度よく実現できることを証明し、腫瘍モデルマウスによる酸素分圧マッピングの実行可能性の証明を目指す。
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Report
(3 results)
Research Products
(9 results)
