最先端スピン共鳴画像技術と新規化学放射線療法に基づくがん個別化医療のモデル研究

• 研究課題/領域番号: 17K01363
• 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: 生体医工学・生体材料学
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 高草木 洋一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学領域, 主任研究員(任常) (60439916)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020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: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 電子スピン共鳴 / 酸素 / 低酸素標的薬 / 動的核偏極 / ピルビン酸 / イメージング / 放射線治療 / 個別化医療 / 放射線増感剤 / 超偏極

研究成果の概要

本研究では、がんの治療成績向上を目標に、in vivo 画像技術および新規化学放射線療法の応用と、これらに基づく個別化医療のモデル実験を実施した。治療に先立ち、耐性要因とされる低酸素領域の形成や糖代謝の亢進を、スピン共鳴画像技術を用いてモデルマウス担癌より描出し、個々の担癌の生理学的特性を非侵襲的に可視化した。画像データから読み取れる各担癌の酸素分圧や代謝特性に応じて、治療効果を最大限に引き出せる適切な分子メカニズムの新規放射線増感剤と照射方法を決定し、治療途中の撮像やバイオプシーによる経過観察を踏まえながら、治療効果の向上と各癌種に最適な治療プロトコールを検討した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本課題の in vivo 画像技術は、癌の悪性化や治療耐性に関わる低酸素領域の形成や糖代謝の亢進を、生体を傷つけることなく超高感度かつダイナミックに調べることが可能な最先端の技術である。作用メカニズムの異なる臨床開発中の新しい放射線増感剤を組み合わせた個別化医療のモデル実験によりそれらの応用方法や有用性を具体的に示し、当該分野の先駆的な研究成果として後続の研究を牽引する。また、本成果を基盤とした臨床開発の進展により、その精度を格段に向上させた新たながん診断治療技術として、がんの治療成績の向上へと貢献する可能性が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] NCI/NIH/NINDS/NIH/Threshold Pharmaceuticals(米国)
• [国際共同研究] NCI/NIH/NINDS/NIH/Threshold Pharmaceuticals(米国)
• [国際共同研究] NCI/NIH/NINDS/NIH/Threshold Pharmaceuticals(米国)
• [国際共同研究] Radiation Biology Branch, NCI/NIH/Threshold Pharmaceuticals(米国)
• [雑誌論文] Phage display technology for target determination of small-molecule therapeutics: an update (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi, Kaori Takakusagi, Kengo Sakaguchi, Fumio Sugawara
  • 雑誌名: Expert Opin Drug Discov 巻: 15 号: 10 ページ: 1199-1211
  • DOI: 10.1080/17460441.2020.1790523
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Biosensor-based High Throughput Biopanning and Bioinformatics Analysis Strategy for the Global Validation of Drug-protein Interactions (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi
  • 雑誌名: J Vis Exp 巻: 166 号: 166
  • DOI: 10.3791/61873
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 超偏極-核磁気共鳴代謝イメージングと生命科学・医療への応用展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 雑誌名: 月刊OPTRONICS 8 月号 巻: 39 ページ: 79-83
• [雑誌論文] 含硫糖脂質 SQAG の放射線増感作用メカニズムの解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一、Sarwat Naz、高草木香織、坂口謙吾、菅原二三男、James B Mitchell、Murali C Krishna
  • 雑誌名: 第 61 回天然有機化合物討論会講演要旨集 巻: 09 ページ: 511-516
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Multimodal Molecular Imaging Study Evaluates Pharmacological Alteration of the Tumor Microenvironment to Improve Radiation Response (2018)
  • 著者名/発表者名: Takakusagi, Y. Naz, S. Takakusagi, K. Ishima, M. Murata, H. Ohta, K. Miura, M. Sugawara, F. Sakaguchi, K. Kishimoto, S. Munasinghe, J. P. Mitchell, J. B. Krishna, M. C.
  • 雑誌名: Cancer Res 巻: 78 号: 24 ページ: 6828-6837
  • DOI: 10.1158/0008-5472.can-18-1654
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Using the QCM Biosensor-Based T7 Phage Display Combined with Bioinformatics Analysis for Target Identification of Bioactive Small Molecule (2018)
  • 著者名/発表者名: Takakusagi, Y. Takakusagi, K. Sugawara, F. Sakaguchi, K.
  • 雑誌名: Methods Mol Biol 巻: 1795 ページ: 159-172
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-7874-8_14
  • ISBN: 9781493978731, 9781493978748
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metabolic and Physiologic Imaging Biomarkers of the Tumor Microenvironment Predict Treatment Outcome with Radiation or a Hypoxia-Activated Prodrug in Mice (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto, S. Kishimoto, S. Saito, K. Takakusagi, Y. Munasinghe, J. P. Devasahayam, N. Hart, C. P. Gillies, R. J. Mitchell, J. B. Krishna, M. C.
  • 雑誌名: Cancer Res 巻: 78 号: 14 ページ: 3783-3792
  • DOI: 10.1158/0008-5472.can-18-0491
  • NAID: 120006651800
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hyperpolarized [1-13C]-pyruvate magnetic resonance spectroscopic imaging of prostate cancer in vivo predicts efficacy of targeting the Warburg effect (2018)
  • 著者名/発表者名: Scroggins B, Matsuo M, White A, Saito K, Munasinghe JP, Sourbier C, Yamamoto K, Diaz V, Ichikawa K, Mitchell JB, Cherukuri MK, Citrin DE
  • 雑誌名: Clinical Cancer Research 巻: 印刷中 号: 13 ページ: 3137-3148
  • DOI: 10.1158/1078-0432.ccr-17-1957
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Radiotherapy Synergizes with the Hypoxia-Activated Prodrug Evofosfamide: In Vitro and In Vivo Studies (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi, Shun Kishimoto, Sarwat Naz, Shingo Matsumoto, Keita Saito, Charles P. Hart, James B. Mitchell, Murali C. Krishna
  • 雑誌名: Antioxid Redox Signal 巻: 28 号: 2 ページ: 131-140
  • DOI: 10.1089/ars.2017.7106
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 動的核偏極－核磁気共鳴法 ~分子代謝と生命現象の谷間をつなぐ新たな架け橋~ (2021)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: バイオインダストリー奨励賞受賞者企画講演会 ~生命現象の根本的解明を目指す量子生命科学について~
  • 招待講演
• [学会発表] 超偏極－核磁気共鳴代謝イメージング: 分子プローブの開発と応用計測にみる課題と展望 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 量子生命科学会第 2 回大会
  • 招待講演
• [学会発表] QST 量子生命科学領域/量子超偏極 MRI グループの紹介 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 第 48 回日本磁気共鳴医学会大会 超偏極による他核MRSIの高感度計測スタディーグループ
  • 招待講演
• [学会発表] 動的核偏極がもたらす新しいサイエンスと医療応用を求めて (2020)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 大阪大学 CiNET セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Novel Real-time Hyperpolarized 13C Metabolic Tracer Probes gamma-Glutamyl Transferase Activities in vivo Human Tumor Xenografts (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazutoshi Yamamoto , Tomohiro Seki , Nobu Oshima , Marino Itoda , Yohei Kondo , Yutaro Saito , Yoichi Takakusagi , Shun Kishimoto , Jeffery Brender , Ronja Malinowski , Jan Henrik Ardenkjaer-Larsen , Hiroshi Nonaka , Murali Krishna , Shinsuke Sando
  • 学会等名: 61st ENC
  • 国際学会
• [学会発表] Novel Real-time Hyperpolarized 13C Metabolic Tracer Probes γ-Glutamyl Transferase Activities in vivo Tumor Xenografts (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Seki , Kazutoshi Yamamoto , Nobu Oshima , Marino Itoda , Yohei Kondo , Yutaro Saito , Yoichi Takakusagi , Shun Kishimoto , Jeffery Brender , Ronja Malinowski , Jan Henrik Ardenkjaer-Larsen , Hiroshi Nonaka , Murali C Krishna , Shinsuke Sando
  • 学会等名: ISMRM
  • 国際学会
• [学会発表] 生体内ペプチダーゼ活性検出のための実用的量子超偏極 MRI 分子プローブ開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 齋藤雄太朗 , 谷田部浩行 , 田村伊織 , 近藤洋平 , 石田諒 , 関智宏 , 江口晃弘 , 高草木洋一 , 山本和俊 , Murali C. Krishna , 山東信介
  • 学会等名: 量子生命科学会第 2 回大会
• [学会発表] 生体内アミノペプチダーゼの活性を検出する超偏極分子プローブの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 谷田部浩行 , 田村伊織 , 近藤洋平 , 高草木洋一 , 石田諒 , 山本和俊 , Murali C Krishna , 齋藤雄太朗 , 山東信介
  • 学会等名: 第 10 回 CSJ 化学フェスタ 2020
• [学会発表] 生体内アミノペプチダーゼN活性を検出する超偏極分子プローブの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 齋藤雄太朗 , 谷田部浩行 , 田村伊織 , 近藤洋平 , 石田諒 , 関智宏 , 江口晃弘 , 高草木洋一 , 山本和俊 , Murali C Krishna , 山東信介
  • 学会等名: 第 14 回バイオ関連化学シンポジウム 2020
• [学会発表] 生体内ペプチダーゼの活性を検出する超偏極分子プローブの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 谷田部浩行 , 齋藤雄太朗 , 石田諒 , 田村伊織 , 近藤洋平 , 高草木洋一 , 山本和俊 , Murali C Krishna , 山東信介
  • 学会等名: 日本化学会第100 回春季年会 2020
• [学会発表] 量子超偏極－核磁気共鳴分子プローブによるアミノペプチダーゼ N 及びアミノペプチダーゼ A 活性の同時検出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 谷田部浩行 , 田村伊織 , 近藤洋平 , 高草木洋一 , 石田諒 , 山本和俊 , Murali C. Krishna , 齋藤雄太朗 , 山東信介
  • 学会等名: 量子生命科学会第 2 回大会
• [学会発表] A multimodal molecular imaging study of tumor microenvironment to reveal the mechanism of tumor radiosensitization elicited by a natural sulfoglycolipid (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi, Shingo Matsumoto, Masayuki Matsuo, Kaori Takakusagi, Keita Saito, Shun Kishimoto, Masahiko Miura, Toshiyasu Miyazaki, Fumio Sugawara, Kengo Sakaguchi, James B Mitchell, Murali C Krishna
  • 学会等名: 第 14 回日本分子イメージング学会総会・学術集会、日本分子イメージング学会
• [学会発表] マルチモダル分子イメージングによる腫瘍内微小環境の多角的評価と天然由来含硫糖脂質の誘発する放射線増感作用メカニズムの解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一、松元慎吾、松尾政之、高草木香織、齋藤圭太、岸本俊、三浦雅彦、宮崎年恭、菅原二三男、坂口謙吾、James B Mitchell、Murali C Krishna
  • 学会等名: 第 14 回日本分子イメージング学会総会・学術集会、日本分子イメージング学会
  • 招待講演
• [学会発表] 超偏極 13C MRI 代謝イメージングによる抗癌治療効果の予測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 松元慎吾、齋藤圭太、高草木洋一、Murali C Krishna
  • 学会等名: 第 14 回日本分子イメージング学会総会・学術集会、日本分子イメージング学会
• [学会発表] 生体内 β-ガラクトシダーゼ活性検出に向けた高感度-核磁気共鳴分子プローブの検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤洋平、坂本大地、野中洋、高草木洋一、山本和俊、Murali C Krishna、青木伊知男、山東信介
  • 学会等名: 第 14 回日本分子イメージング学会総会・学術集会、日本分子イメージング学会
• [学会発表] MR マイクロイメージングと Gd-デンドロン修飾ナノリポソーム造影剤を用いた 3D 微小血管系およびナノ粒子分布の腫瘍内評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新田展大、高草木洋一、國領大介、柴田さやか、冨田章裕、東達也、青木伊知男、原田雅史
  • 学会等名: 第 14 回日本分子イメージング学会総会・学術集会、日本分子イメージング学会
• [学会発表] 含硫糖脂質 SQAG の放射線増感作用メカニズムの解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一、Sarwat Naz、高草木香織、坂口謙吾、菅原二三男、James B Mitchell、Murali C Krishna
  • 学会等名: 第 61 回天然有機化合物討論会
• [学会発表] スピン共鳴画像技術の基礎と応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 長崎国際大学薬学部 薬品物理化学特別セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Hyperpolarized-NMR/MRI in Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi
  • 学会等名: Technical University of Denmark, HYPERMAG Center, lab seminar
  • 招待講演
• [学会発表] Dissolution-DNP の最先端研究拠点 DTU HYPERMAG Center (2019)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 第 47 回日本磁気共鳴医学会大会 超偏極による他核 MRSI の高感度計測
  • 招待講演
• [学会発表] 低分子有機化合物の魅力 ~探す、創る、使う~ (2019)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 第 1 回量子生命科学会 若手の会
  • 招待講演
• [学会発表] 放射線研究における超偏極－核磁気共鳴分光法とイメージングの応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 日本放射線影響学会第 62 回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 先端量子技術: 超偏極の最先端と実用化への期待 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 第 3 回 MRI アライアンス国際シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超偏ー[1-13C]ピルビン酸 MRS によるがんスフェロイドの初期エネルギー代謝変化の非侵襲計測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一、高草木香織、井上香織、市川和洋
  • 学会等名: 第 46 回 日本磁気共鳴医学会大会
• [学会発表] Use of hyperpolarized magnetic resonance spectroscopy (HP-MRS) in cell and tissue engineering (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi, Kaori Takakusagi, Kaori Inoue, Kazuhiro Ichikawa
  • 学会等名: 5th Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society World Congress (TERMIS)
  • 国際学会
• [学会発表] Hyperpolarized [1-13C]pyruvate MRS reveals increased aerobic glycolysis in the ultra-early phase of PSA-negative prostate carcinogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi, Kaori Takakusagi, Kaori Inoue, Kazuhiro Ichikawa
  • 学会等名: HYP18―An International Conference on Nuclear Hyperpolarization
  • 国際学会
• [学会発表] バイオセンシングにより解き明かす生体内分子ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 第 12 回 QCM 研究会セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] スピン共鳴画像解析と新規化学放射線療法によるがんのセラノスティクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 第 12 回 QCM 研究会セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] QCM-T7 ファージディスプレイ法によるがん血管新生阻害剤の標的タンパク質および結合部位の同定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高草木香織、高草木洋一
  • 学会等名: 第 12 回 QCM 研究会セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Hyperpolarized [1-13C]pyruvate MRS reveals early-phase transition of energy metabolism in multicellular spheroid tumors (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi, Kaori Takakusagi, Kaori Inoue, Kazuhiro Ichikawa
  • 学会等名: International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Monitoring effect of rapamaycin on pyruvate metabolism in SCC tumor using hyperpolarized 13C-MRI (2018)
  • 著者名/発表者名: Keita Saito, Shingo Matsumoto, Yoichi Takakusagi, Masayuki Matsuo, Hellmut Merkle, James B. Mitchell, Murali C. Krishna
  • 学会等名: International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM) 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 最先端量子イメージングによる膵臓がん個別化医療のモデル研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松元慎吾、高草木洋一、齋藤圭太、岸本俊、Mitchell J.B.、Hart C.P.、Gillies R.J.、Krishna M.C.
  • 学会等名: 第 2 回量子生命科学研究会
• [学会発表] 画像診断と治療のコンビネーション: セラノスティクスとコンパニオン診断 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 第 115 回日本医学物理学会学術大会 早朝教育講演
  • 招待講演
• [学会発表] 動的核偏極－核磁気共鳴分子プローブの創製と応用計測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 次世代 MRI・造影剤 キックオフ国際シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超偏極－核磁気共鳴分子プローブの創製と応用計測 ~次世代画像診断技術としての実用化を目指して~ (2017)
  • 著者名/発表者名: 高草木洋一
  • 学会等名: 第 45 回磁気共鳴医学会大会 シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Accessories and Techniques that Maximize MRI as a Quantum Technology (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Takakusagi
  • 学会等名: A Workshop on Drawing Biological Information through Quantum Spin Systems (NCI/NIH Bldg10)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 量子生命科学研究所 量子超偏極 MRI グループ
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/iqls/44735.html