Deep learningによる神経変性画像解析の研究

• 研究課題/領域番号: 18K18452
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 超高齢社会研究
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 井上 治久 京都大学, iPS細胞研究所, 教授 (70332327)
• 研究分担者: 近藤 孝之 京都大学, iPS細胞研究所, 特定拠点講師 (80536566) ; 矢田 祐一郎 国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソース研究センター, 特別研究員 (80805797)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: ALS / Deep Learning / 超早期病態 / 診断 / データサイエンス / Deep learning / deep learning / 神経変性 / 超高齢社会 / アルツハイマー病 / iPS細胞

研究成果の概要

ALSなどの神経変性疾患では、超早期病変の病態の検出と解明が必要である。本研究では、健常者及びALS患者iPS細胞を用いて運動神経細胞を作製後、撮像し、膨大な画像情報を収集した。神経変性を予知する指標を得るために、この情報を数千次元の解析が可能なDeep Learningで学習することで、通常の解析では検出できない超早期の病的変化を同定した。Deep Learningは、通常の解析では検出できないALS運動神経細胞の病変を検知した。本結果から、Deep LearningはALSの診断をサポートするとともに、本方法が将来的なALSの治療促進と克服につながる可能性が考えられた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、人工知能（Artificial Intelligence: AI）を用いて、神経難病である筋萎縮性側索硬化症（ALS）の病態の検知・診断への応用を目指した研究を行いました。
本研究では、人間の考えを挟むことなく大量のデータからその特徴を抽出できるDeep LearningというAIとiPS細胞由来運動神経細胞を用いて、ALSを予測するAIモデルを構築しました。本研究成果は、今後のAIとiPS細胞のテクノロジー融合による疾患予測と克服に貢献することが期待されます。

研究成果

• [雑誌論文] Dopaminergic neurons in chromosome 22q11.2 deletion syndrome (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoue Haruhisa
  • 雑誌名: EBioMedicine 巻: 63 ページ: 103180-103180
  • DOI: 10.1016/j.ebiom.2020.103180
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Prediction Model of Amyotrophic Lateral Sclerosis by Deep Learning with Patient Induced Pluripotent Stem Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Imamura Keiko、Yada Yuichiro、Izumi Yuishin、Morita Mitsuya、Kawata Akihiro、Arisato Takayo、Nagahashi Ayako、Enami Takako、Tsukita Kayoko、Kawakami Hideshi、Nakagawa Masanori、Takahashi Ryosuke、Inoue Haruhisa
  • 雑誌名: Annals of Neurology 巻: in press 号: 6 ページ: 26047-26047
  • DOI: 10.1002/ana.26047
  • NAID: 120006979780
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] MicroRNA-33 maintains adaptive thermogenesis via enhanced sympathetic nerve activity. (2021)
  • 著者名/発表者名: Horie T, Nakao T, Miyasaka Y, Nishino T, Matsumura S, Nakazeki F, Ide Y, Kimura M, Tsuji S, Ruiz Rodriguez R, WatanabeT, Yamasaki T, Xu S, Otani C, Miyagawa S, Matsushita K, Sowa N, Omori A, Tanaka J, Nishimura C, Picciotto MR, Inoue H, Watanabe D, Nakamura K, Sasaki T, Kimura T, Ono K, et al.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 12 号: 1 ページ: 843-843
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21107-5
  • NAID: 120006958077
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reprogramming the brain in and out of diseased states (2021)
  • 著者名/発表者名: Karagiannis Peter、Muotri Alysson、Inoue Haruhisa
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Neuroscience 巻: 110 ページ: 103571-103571
  • DOI: 10.1016/j.mcn.2020.103571
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 脳オルガノイドによるマイ・メディシン (2021)
  • 著者名/発表者名: 松島早希、今村恵子、井上治久
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 276
• [雑誌論文] Generation of a human induced pluripotent stem cell line derived from a Parkinson's disease patient carrying SNCA duplication (2020)
  • 著者名/発表者名: Hidefumi Suzuki et al.
  • 雑誌名: Stem Cell Research 巻: 45 ページ: 101828-101828
  • DOI: 10.1016/j.scr.2020.101828
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prediction of compound bioactivities using heat-diffusion equation (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Hidaka, K. Imamura, T. Hioki, T. Takagi, Y. Giga, M.-H. Giga, Y. Nishimura, Y. Kawahara, S. Hayashi, T. Niki, M. Fushimi and H. Inoue
  • 雑誌名: Patterns 巻: 1 号: 9 ページ: 100140-100140
  • DOI: 10.1016/j.patter.2020.100140
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generation of a human induced pluripotent stem cell line, BRCi009-A, derived from a patient with glycogen storage disease type 1a (2020)
  • 著者名/発表者名: Katagami Yukimi、Kondo Takayuki、Suga Mika、Yada Yuichiro、Imamura Keiko、Shibukawa Ran、Sagara Yukako、Okanishi Yasue、Tsukita Kayoko、Hirayama Kenji、Era Takumi、Inoue Haruhisa
  • 雑誌名: Stem Cell Research 巻: 49 ページ: 102095-102095
  • DOI: 10.1016/j.scr.2020.102095
  • NAID: 120006980737
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] From in vitro to in vivo reprogramming for neural transdifferentiation: An approach for CNS tissue remodeling using stem cell technology (2020)
  • 著者名/発表者名: Egawa Naohiro、Suzuki Hidefumi、Takahashi Ryosuke、Hayakawa Kazuhide、Li Wenlu、Lo Eng H、Arai Ken、Inoue Haruhisa
  • 雑誌名: Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism 巻: 40 号: 9 ページ: 1739-1751
  • DOI: 10.1177/0271678x20910324
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ALS, a cellular whodunit on motor neuron degeneration (2020)
  • 著者名/発表者名: Karagiannis Peter、Inoue Haruhisa
  • 雑誌名: Molecular and Cellular Neuroscience 巻: 107 ページ: 103524-103524
  • DOI: 10.1016/j.mcn.2020.103524
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 疾患特異的iPS細胞、神経変性疾患の治療開発の現状-新たな戦略構築の基盤を目指してー (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥宮太郎、坂野晴彦、井上治久
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 273 ページ: 111-118
• [雑誌論文] 神経変性疾患に対するiPS創薬と臨床試験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂野晴彦、奥宮太郎、井上治久
  • 雑誌名: 医学のあゆみ 巻: 275 ページ: 287-294
• [雑誌論文] iPS細胞技術を用いたアルツハイマー病研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥宮太郎、坂野晴彦、井上治久
  • 雑誌名: 認知症の最新医療 巻: 11 ページ: 30-36
• [雑誌論文] An Approach for CNS Tissue Remodeling using Stem Cell Technology, Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism (2020)
  • 著者名/発表者名: Egawa N, Suzuki H, Takahashi R, Hayakawa K, Li W, Lo E, Arai K, Inoue H
  • 雑誌名: Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] iPS細胞技術によるALS研究, 特集ALS（筋萎縮性側索硬化症）治療の最前線 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川澄侑哉，今村恵子，井上治久
  • 雑誌名: 週刊 医学のあゆみ 巻: 第272巻6号
  • NAID: 40022144958
• [雑誌論文] Modeling Neurological Disorders with Human Pluripotent Stem Cell-Derived Astrocytes (2019)
  • 著者名/発表者名: Suga Mika、Kondo Takayuki、Inoue Haruhisa
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 20 号: 16 ページ: 3862-3862
  • DOI: 10.3390/ijms20163862
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Brief review: Can modulating DNA methylation state help the clinical application of oligodendrocyte precursor cells as a source of stem cell therapy? (2019)
  • 著者名/発表者名: Egawa Naohiro、Chung Kelly K.、Takahashi Ryosuke、Lo Eng H.、Inoue Haruhisa、Arai Ken
  • 雑誌名: Brain Research 巻: 1723 ページ: 146386-146386
  • DOI: 10.1016/j.brainres.2019.146386
  • 査読あり
• [雑誌論文] iPS細胞のシングルセル遺伝子発現解析, シングルセルゲノミクス組織の機能、病態が1細胞レベルで見え てきた！ (2019)
  • 著者名/発表者名: 今村恵子，渡辺 亮, 井上治
  • 雑誌名: 実験医学増刊 巻: Vol.37 No.20
• [雑誌論文] 疾患特異的iPS細胞を用いた病態解明と創薬研究, 実験医学, iPS細胞のいま 基盤となるサイエンスと創 薬・医療現場への道しるべ 山中伸弥／企画 (2019)
  • 著者名/発表者名: 仁木剛史，今村恵子，井上治久
  • 雑誌名: 実験医学2020年1月号 巻: Vol.38 No.1
• [学会発表] Department of Drug Discovery Medicine.iPS細胞を用いた脳神経疾患研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 京都大学大学院医学研究科 創薬医学講座セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Generation of a human induced pluripotent stem cell line derived from a Parkinson’s disease patient with SNCA duplication (2021)
  • 著者名/発表者名: Hidefumi Suzukia, Naohiro Egawa, Takayuki Kondo, Keiko Imamuraa, Takako Enami, Kayoko Tsukita, Mika Suga, Ran Shibukawa, Yasue Okanishi, Tsuyoshi Uchiyama, Haruhisa Inoue, Ryosuke Takahashi
  • 学会等名: 第14回パーキンソン病・運動障害疾患コングレス
  • 招待講演
• [学会発表] iPS細胞を用いた創薬応用の最前線 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第7回 再生医療EXPO大阪
  • 招待講演
• [学会発表] テクノロジーとともに開く新時代の医療疾患特異的オルガノイドによる脳神経疾患研究（Neurological disease research using disease-specific organoids） (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第20回日本再生医療学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] 幹細胞を用いた神経疾患研究, iPS細胞を用いた神経疾患に対する病態解明と治療戦略 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第19回日本再生医療学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] Basic and translational disease modeling with patient iPSC-derived neural cells, Modeling Development and Disease: Neural (2020)
  • 著者名/発表者名: Inoue Haruhisa
  • 学会等名: ISSCR 2020 VIRTUAL
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 幹細胞を用いた神経疾患研究 iPS細胞研究の最前線 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第41回 日本炎症・再生医学会
  • 招待講演
• [学会発表] トランスレーショナルリサーチのための神経疾患iPS細胞モデリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 京都大学医学部附属病院先端医療研究開発機構医療開発部
  • 招待講演
• [学会発表] Dementia research using human stem cell models，Digital approaches for dementia medicine and biology (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruhisa Inoue
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Generation of a human induced pluripotent stem cell line derived from a Parkinson’s disease patient demonstrating SNCA duplication（ポスター発表） (2020)
  • 著者名/発表者名: Hidefumi Suzukia, Naohiro Egawa, Takayuki Kondo, Keiko Imamuraa, Takako Enami, Kayoko Tsukita, Mika Suga, Ran Shibukawa, Yasue Okanishi, Tsuyoshi Uchiyama, Haruhisa Inoue, Ryosuke Takahashi
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 国際学会
• [学会発表] Extracellular Tau as a therapeutic target of FTLD (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruhisa Inoue
  • 学会等名: open-access NRI Webinar series, Neuroregeneration Institute, McLean Hospital/Harvard Medical School
  • 招待講演
• [学会発表] 幹細胞を用いた神経疾患研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第25回日本難病看護学会 第8回日本難病医療ネットワーク学会 合同学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] リプログラミング技術を用いた認知症の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第39回日本認知症学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 疾患iPS細胞を用いた神経疾患の創薬研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 今村恵子、井上治久
  • 学会等名: 第6回日本筋学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 脳神経疾患iPS細胞研究Update (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 講演Ⅱ，第11回 西播磨ブレインサイエンス研究会, 西播磨ブレインサイエンス研究会 武田薬品工業株式会社
  • 招待講演
• [学会発表] 幹細胞を用いた神経疾患研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 新適塾 -「未来創薬への誘い」第46回会合, 公益財団法人千里ライフサイエンス振興財団
  • 招待講演
• [学会発表] iPS細胞/幹細胞が拓く最新医学研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第67回日本輸血・細胞治療学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] iPS細胞を用いた神経疾患研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第19回奈良認知症研究会
  • 招待講演
• [学会発表] iPS細胞を用いた神経疾患の研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 令和元年度芝蘭会三重支部総会
  • 招待講演
• [学会発表] 脳神経疾患iPS細胞研究,Update Brain iPSC research: Review and Update (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: NEURO2019 ランチョンセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 神経変性疾患iPS細胞を用いた神経科学研究,Translational neuroscience using neurodegenerative disease iPSCs (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: NEURO2019
  • 招待講演
• [学会発表] オールジャパンブレインネットワーク構築に基づく難治性精神・神経疾患根治療法開発,iPS細胞を用いた希少神経難病の研究,From rare to common neurological diseases using iPSCs (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: NEURO2019
  • 招待講演
• [学会発表] Understanding the molecular basis of neuropsychiatric disorders,From rare to common neurological diseases;patient iPSC study (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: Forum RIKEN Symposium
  • 招待講演
• [学会発表] 幹細胞を用いた神経疾患研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: Neurology Seminar in HAMAMATSU
  • 招待講演
• [学会発表] iPS細胞を用いた脳神経疾患研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第18回岐阜脳神経研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 幹細胞を用いた神経疾患研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 田辺三菱製薬,神経科学創薬セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 研究のお話ー受験をされる方へー (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 駿台予備学校大阪南校 2019全国国公立大学医学部医学科説明会 特別講演
  • 招待講演
• [学会発表] iPS細胞を用いた脳神経疾患の研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: シンポジウムⅠ, 第53回日本てんかん学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] iPS細胞を用いたALSの治療薬研究開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 島根県難病フォーラム in 松江
  • 招待講演
• [学会発表] Basic and translational neuroscience using patient iPSCs，BDR-CiRA Exchange Seminar (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 理化学研究所生命機能科学研究センター
  • 招待講演
• [学会発表] Modeling astrocyte-related diseases using patient iPSCs, Symposium:“Glial Cell Research in Neuronal Regeneration and Neurodegenerative Diseases” (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: 第24回グリア研究会
  • 招待講演
• [学会発表] iPS創薬の取り組み アカデミアの立場から (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上治久
  • 学会等名: シンポジウム２：iPS創薬, 神戸ポートアイランド創薬フォーラム（第29回）、神戸再生医療勉強会（2019年度 第4回）共同開催企画 講 演会
  • 招待講演
• [図書] Medical Applications of iPS Cells: Innovation in Medical Sciences (Current Human Cell Research and Applications) (2019)
  • 著者名/発表者名: Haruhisa Inoue, Yukio Nakamura (Editors)
  • 総ページ数: 190
  • 出版者: Springer