高品質・高精度なメタボロームのデータ解析を可能とするアルゴリズムの研究

• 研究課題/領域番号: 17K00416
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生命・健康・医療情報学
• 研究機関: 東京医科大学
• 研究代表者: 杉本 昌弘 東京医科大学, 医学部, 教授 (30458963)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2017年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: メタボローム / ソフトウェア / 人工知能 / メタボーローム / ソフトウエア学

研究成果の概要

本研究では質量分析装置を用いたメタボローム解析を対象とし、全てのシグナルの検出や解釈を自動的に行う環境構築に取り組んだ。質量分析の機種やメーカーの違いがある個々のデータの特徴を抽出して、自動化のための処理のパラメータや自動解析ソフトのパイプラインの開発を行った。複数のサンプルの解析結果を重ね合わせ、解析の品質を自動的に修正するプログラムを実装した。これにより既に多数の熟練ユーザがデータごとにGUIを用いて精査した解析結果と、精査前の解析結果の差分を自動的に小さくすることができ、メーカーや装置に依存せずに、大規模な解析を自動的に実行できる環境を実現化した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は代謝物を網羅的に測定するメタボローム解析のデータ解析を自動化させることが目的である。測定データに含まれる全てのシグナルを正確に処理して、疾患マーカーの探索や生体の代謝の理解ができることが望ましいが、実際に完全な自動化ができているソフトウェアがなく、熟練技術者の品質制御・評価が必要となり、データ解析がボトルネックになっている。そこで熟練技術者の作業と評価基準を再現して自動的にデータ解析することができるアルゴリズムや関連するソフトを開発した。本手法は特定の機器やメーカー等に依存せず広く使用でき、本研究成果によりメタボロームを用いた臨床研究や創薬などの様々な応用研究が加速できると考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Sheikh Mujibur Rahman University/Bioinformatics Lab(バングラデシュ)
• [雑誌論文] Relationships between plasma lipidomic profiles and brown adipose tissue density in humans (2020)
  • 著者名/発表者名: Fuse Sayuri、Sugimoto Masahiro、Kurosawa Yuko、Kuroiwa Miyuki、Aita Yasuko、Tomita Atsumi、Yamaguchi Eri、Tanaka Riki、Endo Tasuki、Kime Ryotaro、Hamaoka Takafumi
  • 雑誌名: International Journal of Obesity 巻: － 号: 6 ページ: 1387-1396
  • DOI: 10.1038/s41366-020-0558-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sensory properties and metabolomic profiles of dry-cured ham during the ripening process (2020)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto Masahiro、Sugawara Tetsuya、Obiya Shinichi、Enomoto Ayame、Kaneko Miku、Ota Sana、Soga Tomoyoshi、Tomita Masaru
  • 雑誌名: Food Research International 巻: 129 ページ: 108850-108850
  • DOI: 10.1016/j.foodres.2019.108850
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Promoter-level transcriptome identifies stemness associated with relatively high proliferation in pancreatic cancer cells. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ru Chen, Aiko Sugiyama, Naoyuki Kataoka, Masahiro Sugimoto, Shoko Yokoyama, Akihisa Fukuda, Shigeo Takaishi, Hiroshi Seno
  • 雑誌名: Frontiers in Oncology, 巻: 10 ページ: 1-14
  • DOI: 10.3389/fonc.2020.00316
  • NAID: 120006826695
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-resolution imaging mass spectrometry combined with transcriptomic analysis identified a link between fatty acid composition of phosphatidylinositols and the immune checkpoint pathway at the primary tumour site of breast cancer. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawashima M, Tokiwa M, Nishimura T, Kawata Y, Sugimoto M, Kataoka TR, Sakurai T, Iwaisako K, Suzuki E, Hagiwara M, Harris AL, Toi M.
  • 雑誌名: Br J Cancer. 巻: 122 号: 2 ページ: 245-257
  • DOI: 10.1038/s41416-019-0662-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Metabolomic profiling reveals salivary hypotaurine as a potential early detection marker for medication-related osteonecrosis of the jaw (2019)
  • 著者名/発表者名: Wakako Yatsuoka,Takao Ueno et al
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 12 号: 8 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0220712
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of modules and functional analysis in CRC subtypes by integrated bioinformatics analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Chen Ru、Sugiyama Aiko、Seno Hiroshi、Sugimoto Masahiro
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 14 号: 8 ページ: e0221772-e0221772
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0221772
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Salivary metabolomics with alternative decision tree-based machine learning methods for breast cancer discrimination (2019)
  • 著者名/発表者名: Murata Takeshi、Yanagisawa Takako、Kurihara Toshiaki、Kaneko Miku、Ota Sana、Enomoto Ayame、Tomita Masaru、Sugimoto Masahiro、Sunamura Makoto、Hayashida Tetsu、Kitagawa Yuko、Jinno Hiromitsu
  • 雑誌名: Breast Cancer Research and Treatment 巻: 177 号: 3 ページ: 591
  • DOI: 10.1007/s10549-019-05330-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Discrimination of oral squamous cell carcinoma from oral lichen planus by salivary metabolomics (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Shigeo、Sugimoto Masahiro、Edamatsu Kaoru、Sugano Ayako、Kitabatake Kenichiro、Iino Mitsuyoshi
  • 雑誌名: Oral Diseases 巻: 26 号: 1 ページ: 35-42
  • DOI: 10.1111/odi.13209
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Association Between Dyslipidemia and Plasma Levels of Branched-Chain Amino Acids in the Japanese Population Without Diabetes Mellitus. (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiko Fukushima, Sei Harada, Ayano Takeuchi, Ayako Kurihara, Miho Iida, Kota Fukai, Kazuyo Kuwabara, Suzuka Kato, Minako Matsumoto, Aya Hirata, Miki Akiyama, Masaru Tomita, Akiyoshi Hirayama, Asako Sato, Chizuru Suzuki, Masahiro Sugimoto, Tomoyoshi Soga, Daisuke Sugiyama, Tomonori Okamura, Toru Takebayashi
  • 雑誌名: J Clin Lipidol. 巻: 13 号: 6 ページ: 932-939.e2
  • DOI: 10.1016/j.jacl.2019.09.002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Elastic net-based prediction of IFN-β treatment response of patients with multiple sclerosis using time series microarray gene expression profiles (2019)
  • 著者名/発表者名: Fukushima Arika、Sugimoto Masahiro、Hiwa Satoru、Hiroyasu Tomoyuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 1822-1822
  • DOI: 10.1038/s41598-018-38441-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of inter-day and intra-day variation on salivary metabolomic profiles (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawanishi Norishige、Hoshi Noriyuki、Masahiro Sugimoto、Enomoto Ayame、Ota Sana、Kaneko Miku、Soga Tomoyoshi、Tomita Masaru、Kimoto Katsuhiko
  • 雑誌名: Clinica Chimica Acta 巻: 489 ページ: 41-48
  • DOI: 10.1016/j.cca.2018.11.030
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of salivary metabolites for oral squamous cell carcinoma and oral epithelial dysplasia screening from persistent suspicious oral mucosal lesions (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Shigeo、Wong David T. W.、Sugimoto Masahiro、Gleber-Netto Frederico Omar、Li Feng、Tu Michael、Zhang Yong、Akin David、Iino Mitsuyoshi
  • 雑誌名: Clinical Oral Investigations 巻: ‐ 号: 9 ページ: 3557-3563
  • DOI: 10.1007/s00784-018-2777-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Changes in Metabolic Profiles of Human Oral Cells by Benzylidene Ascorbates and Eugenol (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakagami Hiroshi、Sugimoto Masahiro、Kanda Yumiko、Murakami Yukio、Amano Osamu、Saitoh Junko、Kochi Atsuko
  • 雑誌名: Medicines 巻: 5 号: 4 ページ: 116-116
  • DOI: 10.3390/medicines5040116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gene expression profile of peripheral blood mononuclear cells may contribute to the identification and immunological classification of breast cancer patients (2018)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Eiji、Sugimoto Masahiro、Kawaguchi Kosuke、Pu Fengling、Uozumi Ryuji、Yamaguchi Ayane、Nishie Mariko、Tsuda Moe、Kotake Takeshi、Morita Satoshi、Toi Masakazu
  • 雑誌名: Breast Cancer 巻: 26 号: 3 ページ: 282-289
  • DOI: 10.1007/s12282-018-0920-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Metabolomic-Based Evaluation of the Role of Commensal Microbiota throughout the Gastrointestinal Tract in Mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Yuri、Nakanishi Yumiko、Murakami Shinnosuke、Aw Wanping、Tsukimi Tomoya、Nozu Ryoko、Ueno Masami、Hioki Kyoji、Nakahigashi Kenji、Hirayama Akiyoshi、Sugimoto Masahiro、Soga Tomoyoshi、Ito Mamoru、Tomita Masaru、Fukuda Shinji
  • 雑誌名: Microorganisms 巻: 6 号: 4 ページ: 101-101
  • DOI: 10.3390/microorganisms6040101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prediction of postoperative disease-free survival and brain metastasis for HER2-positive breast cancer patients treated with neoadjuvant chemotherapy plus trastuzumab using a machine learning algorithm (2018)
  • 著者名/発表者名: Takada Masahiro、Sugimoto Masahiro、Masuda Norikazu、Iwata Hiroji、Kuroi Katsumasa、Yamashiro Hiroyasu、Ohno Shinji、Ishiguro Hiroshi、Inamoto Takashi、Toi Masakazu
  • 雑誌名: Breast Cancer Research and Treatment 巻: 172 号: 3 ページ: 611-618
  • DOI: 10.1007/s10549-018-4958-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] MICOP: Maximal information coefficient-based oscillation prediction to detect biological rhythms in proteomics data (2018)
  • 著者名/発表者名: Iuchi Hitoshi、Sugimoto Masahiro、Tomita Masaru
  • 雑誌名: BMC Bioinformatics 巻: 19 号: 1 ページ: 249-249
  • DOI: 10.1186/s12859-018-2257-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Liquid biopsyへの期待と限界 メタボローム解析によるliquid biopsy (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 265 ページ: 513-516
• [雑誌論文] Mining Gene Expression Profile with Missing Values: An Integration of Kernel PCA and Robust Singular Values Decomposition (2018)
  • 著者名/発表者名: Islam Md. Saimul、Hoque Md. Aminul、Islam Md. Sahidul、Ali Mohammad、Hossen Md. Bipul、Binyamin Md.、Merican Amir Feisal、Akazawa Kohei、Kumar Nishith、Sugimoto Masahiro
  • 雑誌名: Current Bioinformatics 巻: 14 号: 1 ページ: 78-89
  • DOI: 10.2174/1574893613666180413151654
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Robust volcano plot: identification of differential metabolites in the presence of outliers (2018)
  • 著者名/発表者名: Kumar Nishith、Hoque Md. Aminul、Sugimoto Masahiro
  • 雑誌名: BMC Bioinformatics 巻: 19 号: 1 ページ: 128-128
  • DOI: 10.1186/s12859-018-2117-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reliability of plasma polar metabolite concentrations in a large-scale cohort study using capillary electrophoresis-mass spectrometry (2018)
  • 著者名/発表者名: Harada Sei、Hirayama Akiyoshi、Chan Queenie、Kurihara Ayako、Fukai Kota、Iida Miho、Kato Suzuka、Sugiyama Daisuke、Kuwabara Kazuyo、Takeuchi Ayano、Akiyama Miki、Okamura Tomonori、Ebbels Timothy M. D.、Elliott Paul、Tomita Masaru、Sato Asako、Suzuki Chizuru、Sugimoto Masahiro、Soga Tomoyoshi、Takebayashi Toru
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 13 号: 1 ページ: e0191230-e0191230
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0191230
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Machine learning enabled breast cancer detection using salivary metabolomics (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: Annual Congress on Advances in Biotechnology
  • 国際学会
• [学会発表] Toward a high-quality non-targeted analysis of large metabolomics data (2019)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugimoto、Rintaro Saito、Tomoyoshi Soga、Masaru Tomita、Toru Takebayashi
  • 学会等名: Metabolomics 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Metabolomic profiling of orbital lymphoproliferative diseases (2019)
  • 著者名/発表者名: Eri Yamaguchi、Hiroyuki Shimizu、Yasuko Aita、Atsumi Tomita、Yoshihiko Usui、Hiroshi Goto、Masahiro Sugimoto
  • 学会等名: Metabolomics 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 大規模データ解析の自動処理 (2019)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘、斎藤輪太郎
  • 学会等名: 第13回メタボロームシンポジウム
• [学会発表] 眼窩リンパ増殖性疾患の脂溶性物質ノンターゲット解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 相田泰子、清水博之、富田淳美、山口えり、杉本昌弘
  • 学会等名: 第13回メタボロームシンポジウム
• [学会発表] メタボロームはなぜこれほど再現性がないのか? (2019)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 第44回日本医用マススペクトル学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Development of automatic analysis and quality control of mass spectrometry-based metabolome data (2019)
  • 著者名/発表者名: 相田泰子、杉本昌弘
  • 学会等名: CBI学会2019年大会
• [学会発表] Machine learning methods with salivary metabolomics for breast cancer detection (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murata、Takako Yanagisawa、Toshiaki Kurihara、Miku Kaneko、Ota Sana、Ayame Enomoto、Masaru Tomita、Masahiro Sugimoto、Makoto Sunamura、Tetsu Hayashida、Yuko Kitagawa、Hiromitsu Jinno
  • 学会等名: ASCO 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 機械学習法を用いた唾液メタボローム解析による乳癌スクリーニング Machine learning models with salivary metabolites for breast cancer screening. (2019)
  • 著者名/発表者名: 村田健、柳澤 貴子、栗原 俊明、杉本 昌弘、砂村 眞琴、林田 哲、北川 雄光、神野 浩光
  • 学会等名: 第57回日本癌治療学会学術集会
• [学会発表] 代謝はがんにとって、ドライバーか、レシーバーか？ (2019)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 医学総合研究所 年次研究発表会
• [学会発表] 人工知能とメタボローム解析を用いた肺癌新規バイオマーカーの創出 (2019)
  • 著者名/発表者名: 梶原直央、垣花昌俊、前田純一、前原幸夫、嶋田善久、萩原優、大平達夫、杉本昌弘、池田徳彦
  • 学会等名: 第36回日本呼吸器外科学会総会
• [学会発表] 高次元解析技術を用いた肺癌予後におけるAI予測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 梶原直央、垣花昌俊、前田純一、前原幸夫、嶋田善久、萩原優、大平達夫、杉本昌弘、池田徳彦
  • 学会等名: 第119回日本外科学会定期学術集会
• [学会発表] 高次元解析技術を用いた肺癌予後 におけるAI予測 Prediction of lung cancer prognosis using metabolomics and artificial intelligence. (2019)
  • 著者名/発表者名: 梶原直央、垣花昌俊、前田純一、前原幸夫、嶋田善久、萩原 優、大平達夫、杉本昌弘、池田徳彦
  • 学会等名: 第20回世界肺癌学会議 IASLC WCLC 2019 Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 肺癌における代謝異常のメカニズムに基づく予後予測 The prediction of prognosis in lung cancer based on the mechanism of metabolic abnormalities. (2019)
  • 著者名/発表者名: 梶原直央、垣花昌俊、工藤勇人、牧野洋二郎、前原幸夫、嶋田善久、萩原 優、大平達夫、杉本昌弘、池田徳彦
  • 学会等名: 第72回日本胸部外科学会定期学術集会
• [学会発表] 唾液から見える全身の代謝異常 (2019)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 日本がん口腔支持療法学会 第5回学術大会
• [学会発表] Salivary Metabolomics for Colorectal Cancer Detection (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Kuwabara、Kenji Katsumata、Yoshiko Soya、Takahiro Wada、Takaaki Matsudo、Masanobu Enomoto、Tetsuo Ishizaki、Yuichi Nagakawa、Akihiko Tsuchida1、Masahiro Sugimoto
  • 学会等名: ESMO Congress 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 唾液メタボローム解析による薬剤関連顎骨壊死特異物質の探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 八岡和歌子、上野尚雄、宮野加奈子、上園保仁、榎本文芽、金子未来、太田紗菜、曽我朋義、杉本昌弘、牛島俊和
  • 学会等名: 第24回日本緩和医療学会学術大会
• [学会発表] 非小細胞肺癌における発現変動遺伝子群のクラスタリングから得られたセントロイド間の関係 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三須滉、杉本昌弘、佐々木貴規
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Machine learning and urinary polyamines to detect colorectal cancers (2018)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugimoto
  • 学会等名: Metabolomics2018
  • 国際学会
• [学会発表] Stability of polyamine concentrations in saliva (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsumi Tomita, Eri Yamaguchi, Masahiro Sugimoto
  • 学会等名: Metabolomics2018
  • 国際学会
• [学会発表] Artificial intelligence-based colorectal cancer screening using urinary polyamines. (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 第77回日本癌学会学術総会
• [学会発表] ~痛みが少なく採取できる体液で疾患検査~ Low invasively available biofluid enables disease detection (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: BIO tech2018
• [学会発表] Trastuzumabを含む術前化学療法を施行されたHER2陽性原発性乳癌の予後予測数理モデルの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘, 髙田正泰, 増田慎三, 岩田広治, 黒井克昌, 山城大泰, 大野真司, 石黒洋, 稲本俊, 戸井雅和
  • 学会等名: 第26回日本乳癌学会学術総会
• [学会発表] AIを活用した医療情報解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: 平成30年度唾液腺コアミーティング
• [学会発表] 網羅的な分子マーカー探索による低侵襲医療の実現化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 学会等名: BIO tech2018
• [学会発表] 褐色脂肪組織の活性化要因の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒澤裕子, 布施沙由理, 木目良太郎, 杉本昌弘, 長井美穂, 菅野義彦, 浜岡隆文
  • 学会等名: 東京医科大学研究ブランディング事業キックオフシンポジウム
• [図書] 早期発見・予防に向けた次世代がん検査技術の最前線 (2019)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 総ページ数: 216
  • 出版者: シーエムシー出版
• [図書] 実験医学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉本昌弘
  • 総ページ数: 3335
  • 出版者: 羊土社
• [図書] Health Informatics Data Analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto Masahiro
  • 総ページ数: 210
  • 出版者: Springer International Publishing