量子もつれ光子対に基づく医用多分子間相互作用イメージングの創出

• 研究領域: 量子もつれ光子対による原子核－多分子間相互作用プローブを活用した診断治療学の創生
• 研究課題/領域番号: 22H05022
• 研究種目: 学術変革領域研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 島添 健次 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70589340)
• 研究分担者: 上ノ町 水紀 東京科学大学, 科学技術創成研究院, 特任助教 (70913458) ; 太田 誠一 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (40723284)
• 研究期間 (年度): 2022-05-20 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2024年度)
• 配分額: 37,180千円 (直接経費: 28,600千円、間接経費: 8,580千円); 2024年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円); 2023年度: 9,490千円 (直接経費: 7,300千円、間接経費: 2,190千円); 2022年度: 12,870千円 (直接経費: 9,900千円、間接経費: 2,970千円)
• キーワード: 核医学 / 量子センシング / ガンマ光子 / カスケード光子 / 角度相関 / コンプトンPET / 光子対診断治療学 / 量子もつれ / ガンマ線 / 摂動角相関 / 核スピン / コンプトンカメラ / カスケードガンマ線 / pH / 多光子

研究開始時の研究の概要

申請者ら開発のCompton-PETは多分子の間接的な時空間相関イメージングが可能であるが、分子間相互作用を観測する医用診断装置は存在していない。
本研究では量子もつれ光子対放出原子核-分子間相互作用プローブおよびイメージング装置の開発を行い、次世代診断治療に必要となる薬剤分子間相互作用解析、悪性腫瘍・アルツハイマー病等の複数薬剤同時診断、個別化医療の実現が可能なイメージング治療技術基盤を創出することを目的とする。

研究成果の概要

本研究は、未開拓の分子間相互作用検出医学診断技術の実現を、核スピン相関ガンマ光子の精密計測により目指した。まずpH異方性変化を、開発イメージング装置により捉え可視化に成功した。新たに生体内の物理化学パラメータ抽出可能性を初めて示した。金属RI送達DOTA構造にIn-111を結合しpHの検出可能性を初めて示した。また細胞内取り込みの検出を初めて実証した。加えて、PET核種対消滅ガンマ光子の量子もつれ状態を利用した量子もつれPETによる信号背景比の2倍改善を示した。更にポジトロニウムの2光子と3光子比を用いて、空孔サイズ/酸素濃度の検出技術開発に成功した。以上により本研究の目的を達成した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでは困難であった核医学領域における、量子センシング技術を新たに考案・開発し、pHやDOTA構造などの物理化学パラメータの抽出およびイメージングに初めて成功した。特に既存で用いられているSPECT核種を用いた、新たなイメージング技術の開発に成功したことは極めて大きな意義を有している。加えて、PET核種において、量子もつれ状態を用いたイメージング性能(信号背景比)の改善を、F-18のイメージング画像から初めて示した。さらに、新たなイメージング手法としてポジトロニウムの2光子/3光子比の利用を提案・可視化を実証した。今後医学診断技術に与える意義は大きい。

研究成果

• [雑誌論文] Modality for estimating NMR relaxation time using perturbed angular correlation in double-photon emission nuclides (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Wataru、Feng Boyu、Tamai Yoshiki、Ueki Taisei、Kamada Kei、Uenomachi Mizuki、Tomita Hideki、Fushimi Motofumi、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki、Sekino Masaki
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 14 号: 1 ページ: 015217-015217
  • DOI: 10.1063/9.0000665
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In-vivo correlations of fluorescent or radioisotope glucose-analogs in imaging cancer metabolism (2024)
  • 著者名/発表者名: Lin Hongchang、Kobayashi Mariko、Kushiro Keiichiro、Yanagie Hironobu、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Nuclear Medicine Communications 巻: 45 号: 4 ページ: 287-294
  • DOI: 10.1097/mnm.0000000000001812
  • 査読あり
• [雑誌論文] pH dependence of perturbed angular correlation in DOTA chelated $$^{111}$$In measured with ring-shape gamma-ray detectors (2024)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kenji、Donghwan Kim、Mineo Tomoko、Sato Takeshi、Ohta Seiichi、Tatsumi Toshifumi、Sugiyama Akira、Yamatsugu Kenzo、Nomura Sachiyo、Terabayashi Ryohei、Tomita Hideki、Sonoda Tetsu、Shigekawa Yudai、Yokokita Takuya、Uenomachi Mizuki
  • 雑誌名: Interactions 巻: 245 号: 1 ページ: 22-22
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01864-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 量子もつれPETともつれ光子対量子センサ：量子技術による核医学イメージングの新展開 (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kenji、Uenomachi Mizuki
  • 雑誌名: 日本神経回路学会誌 巻: 30 号: 4 ページ: 197-206
  • DOI: 10.3902/jnns.30.197
  • ISSN: 1340-766X, 1883-0455
  • 年月日: 2023-12-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 核医学計測のための多光子相関計測手法の開発—多分子・分子間相互作用の可視化に向けて— (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kenji
  • 雑誌名: ＲＡＤＩＯＩＳＯＴＯＰＥＳ 巻: 72 号: 2 ページ: 101-112
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.72.101
  • ISSN: 0033-8303, 1884-4111
  • 年月日: 2023-07-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Precession measurement of perturbed angular correlation in double-photon emission nuclides with magnetic field for novel RI imaging method (2023)
  • 著者名/発表者名: Ueki Taisei、Uenomachi Mizuki、Shimazoe Kenji、Tomita Hideki、Kamada Kei、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1050 ページ: 168122-168122
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168122
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Background reduction in PET by double Compton scattering of quantum entangled annihilation photons (2023)
  • 著者名/発表者名: Kim Donghwan、Rachman Agus Nur、Taisei Ueki、Uenomachi Mizuki、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 号: 07 ページ: P07007-P07007
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/07/p07007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simultaneous multi-nuclide imaging via reconstruction-free double-photon emission coincidence imaging method with parallel hole collimator and slat collimator (2023)
  • 著者名/発表者名: Yan Linlin、Uenomachi Mizuki、Ueki Taisei、Kim Donghwan、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki、Kamada Kei、Shigekawa Yudai、Nambu Akihiro、Yin Xiaojie、Wang Yang、Haba Hiromitsu
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1053 ページ: 168305-168305
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168305
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improvement of double photon emission Compton imaging using angular and polarization correlations in cascade photons (2023)
  • 著者名/発表者名: Kim Donghwan、Ueki Taisei、Rahman Agus Nur、Yan Linlin、Uenomachi Mizuki、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 号: 05 ページ: C05012-C05012
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/05/c05012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Time and Energy Resolving Time-over-Threshold ASIC for MPPC module in TOF-PET system (ToT-ASIC2) (2023)
  • 著者名/発表者名: Orita T.、Uenomachi M.、Shimazoe K.、Ikeda H.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 号: 09 ページ: P09033-P09033
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/09/p09033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement of angular correlation changes in double-photon emission nuclides using ultrasound irradiation (2023)
  • 著者名/発表者名: Sensui F.、Uenomachi M.、Shimazoe K.、Takahashi H.、Zhihong Z.、Ishijima A.、Nakagawa K.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 号: 04 ページ: C04001-C04001
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/04/c04001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multi-molecule imaging and inter-molecular imaging in nuclear medicine (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kenji、Uenomachi Mizuki
  • 雑誌名: Bio-Algorithms and Med-Systems 巻: 18 号: 1 ページ: 127-134
  • DOI: 10.2478/bioal-2022-0081
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A double photon coincidence detection method for medical gamma-ray imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Uenomachi Mizuki、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Bio-Algorithms and Med-Systems 巻: 18 号: 1 ページ: 120-126
  • DOI: 10.2478/bioal-2022-0080
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Compton-PET hybrid imaging system with CeBr₃-SiPM arrays (2022)
  • 著者名/発表者名: Uenomachi M.、Shimazoe K.、Orita T.、Kamada K.、Takahashi M.、Takahashi H.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 17 号: 10 ページ: C10002-C10002
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/10/c10002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Double photon coincidence crosstalk reduction method for multi-nuclide Compton imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Uenomachi M.、Shimazoe K.、Takahashi H.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 17 号: 04 ページ: P04001-P04001
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/04/p04001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 医用応用に向けた大面積SOIピクセル検出器の開発と評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 上ノ町 水紀、鶴 剛、内田裕之、池田智法、松田真宗、成田拓仁、泉大輔、岩切 卯月、行元 雅貴、 武田彩希、 森 浩二、島添 健次
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Study on magnetic field and pH response with angular correlation measurement of Yb-169 for double photon coincidence imaging (2023)
  • 著者名/発表者名: Boyu Feng, Kenji Shimazoe, Donghwan Kim, Yudai Shigekawa, Akihiro Nambu, Hiromitsu Haba, Hamdan Mohammad, Qinghong Zhu, Mizuki Uenomachi, Hideki Tomita, Hiroyuki Takahashi
  • 学会等名: 13th International "Hiroshima" Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD13)
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular sensing and imaging through perturbed angular correlation in nuclear medicine. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenji Shimazoe
  • 学会等名: Hyperfine Interaction
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of large area SOI pixel sensor “XRPIX-X” with pinned depleted diode structure (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Uenomachi, T. G. Tsuru, H. Uchida, T. Ikeda, M. Matsuda, T. Narita, D. Izumi, K. Magata, U. Iwakiri, M. Yukumoto, A. Takeda, K. Mori, T. Ishida, Y. Nishioka, K. Shimazoe, H. Takahashi, K. Hagino, I. Kurachi, Y. Arai, T. Kohmura, Y. Uchida, T. Tanaka, H. Suzuki
  • 学会等名: IEEE NSS MIC RTSD 2023
  • 国際学会
• [学会発表] In vivo simultaneous imaging of 18F-FDG and Na131I with Compton PET system (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Kim, L. Yan, K. Shimazoe, H. Takahashi, K. Ogane, M. Yoshino, K. Kamada, M. Uenomachi
  • 学会等名: IEEE NSS MIC RTSD 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Angular Correlation Measurement with Compton-PET for Information on Local Environment (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Kim, M. Uenomachi, K. Shimazoe, H. Takahashi, K. Kamada, H. Tomita
  • 学会等名: IEEE NSS MIC RTSD 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 放射線を視る。放射線で診る。 (2023)
  • 著者名/発表者名: 島添 健次
  • 学会等名: 第3回SITワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 超音波照射によるカスケード核種の角度相関変化を利用した位置分解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 玉井 良樹、上ノ町 水紀、島添 健次、鎌田 圭、富田 英生、石島 歩
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] 光子対診断治療学の研究（第一原理シミュレーション） (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 健、上ノ町 水紀、重河 優大、杉山 暁、野村 幸世、横北 卓也、富田 英生、寺林 稜平、園田 哲、向井 もも、島添 健次
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] 光子対診断治療学の研究（放射性分子の精密レーザー分光） (2023)
  • 著者名/発表者名: 寺林 稜平、長谷川 秀一、宮部 昌文、富田 英生、向井 もも、園田 哲、重河 優大、上ノ町 水紀、横北 卓也、杉山 暁、野村 幸世、佐藤 健、島添 健次
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] 光子対診断治療学の研究(装置開発と原理検証) (2023)
  • 著者名/発表者名: 上ノ町 水紀、島添 健次、重河 優大、杉山 暁、野村 幸世、横北 卓也、冨田 英生、寺林 稜平、園田 哲、向井 もも、佐藤 健
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] 光子対診断治療学の研究(概要) (2023)
  • 著者名/発表者名: 島添 健次、上ノ町 水紀、重河 優大、杉山 暁、野村 幸世、横北 卓也、富田 英生、寺林 稜平、園田 哲、向井 もも、佐藤 健
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] Evaluation of Compton recoil electron tracking capability of finepitch pixel silicon detector with a Monte Carlo simulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Uenomachi, Kenji Shimazoe
  • 学会等名: PSD13
  • 国際学会
• [学会発表] Development of trigger-mode fine-pitch silicon hybrid detectors (2023)
  • 著者名/発表者名: Ayaki Takeda, Daisuke Matsunaga, Kenji Shimazoe, Makoto MotoyoshiNone, Mizuki Uenomachi, Yuji Okubo, junichi Aoyama, Setsuo Satoh
  • 学会等名: PSD13
  • 国際学会
• [学会発表] Nuclear medical imaging based on entangled photon pair (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenji Shimazoe
  • 学会等名: International workshop "Positronium - from Quantum Physics to Medical Applications"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子もつれ光子対に基づく医用多分子間相互作用イメージングの研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 島添 健次
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演
  • 招待講演
• [学会発表] 超微細シリコンピクセルセンサを用いた反跳電子飛跡計測コンプトンイメージングの検証 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上ノ町 水紀、Qinghong ZHU、島添 健次、高橋 浩之、眞方 恒陽、川島 陸斗、武田 彩希、鶴 剛
  • 学会等名: 日本原子力学会 2023年春の年会
• [学会発表] 169Ybの角度相関の測定と磁場応答の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 封 博宇、上木 太晟、上ノ町 水紀、島添 健次、高橋 浩之、富田 英生、鎌田 圭
  • 学会等名: 日本原子力学会 2023年春の年会
• [学会発表] Development of SOI-GFAG Compton-PET hybrid imaging system (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Uenomachi, K. Shimazoe, H. Takahashi, K. Magata, R. Kawashima, A. Takeda, K. Mori, T. G. Tsuru
  • 学会等名: IEEE NSS MIC RTSD 2022
  • 国際学会
• [学会発表] pH imaging via angular correlation measurement using cascade SPECT nuclide (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Ueki, M. Uenomachi, K. Shimazoe, H. Tomita, , K. Kamada, H. Takahashi,
  • 学会等名: IEEE NSS MIC RTSD 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 半導体シンチレータ型Compton-PETハイブリッドカメラの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 上ノ町 水紀、Zhu Qinghong、島添 健次、高橋 浩之、眞方 恒陽、川島 陸斗、武田 彩希、森 浩二、鶴 剛
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 光子時空間相関を用いたイメージング・計測手法の開拓 (2022)
  • 著者名/発表者名: 島添 健次
  • 学会等名: 日本放射化学会第66回討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Multi-isotope imaging and quantum chemical sensing with PET and SPECT nuclides (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenji Shimazoe
  • 学会等名: 4th Jagiellonian Symposium on Advances in Particle Physics and Medicine
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Simultaneous Multi-nuclide Double Photon Coincidence Imaging with Parallel and Slit Collimators (2022)
  • 著者名/発表者名: M. UENOMACHI, T. UEKI, K. SHIMAZOE, H. TAKAHASHI, Y. SHIGEKAWA, A. NAMBU, X. YIN, Y. WANG, H. HABA
  • 学会等名: 9TH Conference on New Developments in Photodetection (NDIP20)
  • 国際学会
• [学会発表] Precession measurement of the perturbed angular correlation in double-photon emission nuclides with magnetic field (2022)
  • 著者名/発表者名: T. UEKI, F. SENSUI, Z. ZHIHONG, M. UENOMACHI, K. SHIMAZOE, H. TOMITA, K. KAMADA, H. TAKAHASHI
  • 学会等名: 9TH Conference on New Developments in Photodetection (NDIP20)
  • 国際学会
• [図書] 量子生命科学ハンドブック 第5章 医療分野における量子技術 (2024)
  • 著者名/発表者名: 島添健次、上ノ町水紀
  • 総ページ数: 372
  • 出版者: 株式会社エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860438821
• [備考] 光子対診断治療学ホームページ
  • URL: https://photondiagnostic.org/