Radiogenomicsによる膠芽腫の臨床経過予測モデルの構築

• 研究課題/領域番号: 19K09526
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分56010:脳神経外科学関連
• 研究機関: 旭川医科大学 (2020-2022); 大阪大学 (2019)
• 研究代表者: 木下 学 旭川医科大学, 医学部, 教授 (40448064)
• 研究分担者: 有田 英之 大阪大学, 大学院医学系研究科, 招へい教員 (60570570) ; 金村 米博 独立行政法人国立病院機構大阪医療センター(臨床研究センター), その他部局等, 機関長・部門長クラス (80344175) ; 橋本 直哉 京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (90315945)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: MRI / 神経膠腫 / 放射線画像 / 深層学習 / 人工知能 / 膠芽腫 / 機械学習 / 予後 / Radiomics解析 / 予後予測因子

研究開始時の研究の概要

がん治療は初発時に行う一次治療、再発時に行う二次治療、再再発時の三次治療…、というように疾患の進行、再発とともに治療内容を変更することが一般的である。現在はがんの再発検出は血清腫瘍マーカー検査やCT、MRIを中心とした画像検査に依存している。がん治療内容の変更は上述のような検査によって「再発」が宣言され、その後「次治療」が計画、実行される。本研究では現状の「事後的次治療施行」から、がん「再発」を事前に予測し「予防的・事前的治療」が行えるアルゴリズム、つまりがん患者の「未来予測」を可能とするようなアルゴリズムの開発を目指す。

研究実績の概要

本研究は、これまでの悪性脳腫瘍の遺伝子解析によって得られた知見とRadiomicsを中心とした網羅的画像解析技術の開発から、遺伝子情報、臨床情報、画像情報という異なった次元から多角的に原疾患を観察し、従来の手法では結合が困難であった画像から腫瘍遺伝子情報にまでまたがるマルチモダール情報を機械学習で結合することで、膠芽腫の予後予測、未来予測モデルを確立することである。
本研究課題を通して、定性的データである従来のMRI画像と比べて定量性的解析に有利な定量MRI(Quantitative MRI)のRadiomics解析系への実装を試行し、その有用性を明らかにすることができた（2021年Cancers, 2022年Scientific Reportsでに発表）。
さらに、これまでに研究代表者が構築してきたRadiomics解析系を大幅に改良し、放射線画像に対する畳み込み深層学習装置を組み込んだ画像解析系を構築することができた（日本脳神経外科学会 第81回学術総会　シンポジウム「AIによる脳腫瘍画像の解析と研究手法のパラダイムシフト」で報告）。
日本臨床腫瘍グループ（Japan Clinical Oncology Group:JCOG）の0911試験で前向きに収集した120例の全MRI画像に対して、これらの研究成果で構築できたRadiomics解析を行った。JCOG0911試験に対する検討で得られた、膠芽腫の予後を反映するRadiomics特徴量は研究代表者が2018年Scientific Reportsに報告したものと同様のものが多数同定され、これまでの後方視的研究で示唆されていたMRI画像に内在する予後因子を同定することができた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究で当初掲げていた目標を達成しており、かつ解析系に深層学習装置を組み込むこともできているため、上記のような判断としている。

今後の研究の推進方策

本研究では悪性度脳腫瘍の代表格である膠芽腫の臨床経過を高い精度で予測できるようなアルゴリズムの開発を目指し、概ねその目標を達成することができた。膠芽腫患者の予後予測因子として年齢、初診時の神経症状、手術による摘出度（残存腫瘍量）が知られているが、個々の症例の再発時期を高精度に予測できるようなアルゴリズムは未だない。本研究で得られた成果は、脳腫瘍に限らず、他の悪性腫瘍に同概念を広げることができ、悪性腫瘍患者の「未来」を予測し、その予測された「未来」に応じて治療戦略を構築することが可能となる。本研究課題をさらに発展させて、実臨床で実装可能な解析システムを開発することを目指したい。

研究成果

• [雑誌論文] The need of radiotherapy optimization for glioblastomas considering immune responses (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishioka Kentaro、Takahashi Shuhei、Mori Takashi、Uchinami Yusuke、Yamaguchi Shigeru、Kinoshita Manabu、Yamashina Masaaki、Higaki Hajime、Maebayashi Katsuya、Aoyama Hidefumi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Radiology 巻: - 号: 10 ページ: 1062-1071
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01434-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neurite orientation dispersion and density imaging and diffusion tensor imaging to facilitate distinction between infiltrating tumors and edemas in glioblastoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Okita Yoshiko、Takano Koji、Tateishi Soichiro、Hayashi Motohisa、Sakai Mio、Kinoshita Manabu、Kishima Haruhiko、Nakanishi Katsuyuki
  • 雑誌名: Magnetic Resonance Imaging 巻: 100 ページ: 18-25
  • DOI: 10.1016/j.mri.2023.03.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Randomized phase III study of high-dose methotrexate and whole-brain radiotherapy with/without temozolomide for newly diagnosed primary CNS lymphoma: JCOG1114C (2023)
  • 著者名/発表者名: Mishima K, Nishikawa R, Narita Y, Mizusawa J, et al.
  • 雑誌名: Neuro Oncol. 巻: 25 号: 4 ページ: 687-698
  • DOI: 10.1093/neuonc/noac246
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of glioblastoma-specific antigens expressed in patient-derived tumor cells as candidate targets for chimeric antigen receptor T cell therapy (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa T, Kijima N, Hasegawa K, Ikeda S, Yaga M, Wibowo T, Tachi T, Kuroda H, Hirayama R, Okita Y, Kinoshita M, Kagawa N, Kanemura Y, Hosen N, Kishima H.
  • 雑誌名: Neurooncol Adv. 巻: 5(1) 号: 1
  • DOI: 10.1093/noajnl/vdac177
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Correlation of T1- to T2-weighted signal intensity ratio with T1- and T2-relaxation time and IDH mutation status in glioma (2022)
  • 著者名/発表者名: Sanada Takahiro、Yamamoto Shota、Sakai Mio、Umehara Toru、Sato Hirotaka、Saito Masato、Mitsui Nobuyuki、Hiroshima Satoru、Anei Ryogo、Kanemura Yonehiro、Tanino Mishie、Nakanishi Katsuyuki、Kishima Haruhiko、Kinoshita Manabu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 18801-18801
  • DOI: 10.1038/s41598-022-23527-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualization of Resected Area in Endonasal Endoscopic Approach versus Transcranial Approach for Skull Base Meningiomas by Voxel-Based-Lesion Mapping (2022)
  • 著者名/発表者名: Uda Hiroshi、Uda Takehiro、Kinoshita Manabu、Kishima Haruhiko、Tanoue Yuta、Nagahama Atsufumi、Kawashima Toshiyuki、Ohata Hiroki、Nakajo Kosuke、Morisako Hiroki、Goto Takeo
  • 雑誌名: Brain Sciences 巻: 12 号: 7 ページ: 875-875
  • DOI: 10.3390/brainsci12070875
  • 査読あり
• [雑誌論文] Revisiting the definition of glioma recurrence based on a phylogenetic investigation of primary and re-emerging tumor samples: a case report (2022)
  • 著者名/発表者名: Umehara T, Arita H, Miya F, Achiha T, Shofuda T, Yoshioka E, Kanematsu D, Nakagawa T, Kinoshita M, Kagawa N, Fujimoto Y, Hashimoto N, Kiyokawa H, Morii E, Tsunoda T, Kanemura Y, Kishima H.
  • 雑誌名: Brain Tumor Pathol. 巻: 39(4) 号: 4 ページ: 218-224
  • DOI: 10.1007/s10014-022-00438-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The health economic effects of an imaging technology?based telemedicine system for rural neuro-emergency patient care (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Hirotaka、Kinoshita Manabu、Tani Yuji、Kimura Teruo、Osanai Toshiya、Osanai Hiroaki、Ogasawara Katsuhiko
  • 雑誌名: Neurosurgical Focus 巻: 52 号: 6 ページ: E2-E2
  • DOI: 10.3171/2022.3.focus228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preoperative Embolization of Lateral Ventricular Tumors (2022)
  • 著者名/発表者名: Asai Katsunori、Nakamura Hajime、Kinoshita Manabu、Taniguchi Masaaki、Kishima Haruhiko
  • 雑誌名: World Neurosurgery 巻: 161 ページ: 123-124
  • DOI: 10.1016/j.wneu.2022.02.084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carotid artery dissection due to elongated styloid process treated by acute phase carotid artery stenting: A case report (2022)
  • 著者名/発表者名: Okada Yasuaki、Mitsui Nobuyuki、Ozaki Hirokazu、Sanada Takahiro、Yamamoto Shota、Saito Masato、Kinoshita Manabu
  • 雑誌名: Surgical Neurology International 巻: 13 ページ: 183-183
  • DOI: 10.25259/sni_47_2022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Left Atrial Volume Index as a Predictor for Large-Vessel Occlusion in Cardiogenic Cerebral Infarction: A Single-Center Cohort Study (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Hirotaka、Saito Masato、Mitsui Nobuyuki、Hiroshima Satoru、Sawada Jun、Akasaka Kazumi、Kinoshita Manabu
  • 雑誌名: World Neurosurgery 巻: 159 ページ: e79-e83
  • DOI: 10.1016/j.wneu.2021.12.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction and Visualization of Non-Enhancing Tumor in Glioblastoma via T1w/T2w-Ratio Map (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Shota、Sanada Takahiro、Sakai Mio、Arisawa Atsuko、Kagawa Naoki、Shimosegawa Eku、Nakanishi Katsuyuki、Kanemura Yonehiro、Kinoshita Manabu、Kishima Haruhiko
  • 雑誌名: Brain Sciences 巻: 12 号: 1 ページ: 99-99
  • DOI: 10.3390/brainsci12010099
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Maintenance of WT1 expression in tumor cells is associated with a good prognosis in malignant glioma patients treated with WT1 peptide vaccine immunotherapy (2021)
  • 著者名/発表者名: Yokota Chisato、Kagawa Naoki、Takano Koji、Chiba Yasuyoshi、Kinoshita Manabu、Kijima Noriyuki、Oji Yusuke、Oka Yoshihiro、Sugiyama Haruo、Tsuboi Akihiro、Izumoto Shuichi、Kishima Haruhiko、Hashimoto Naoya
  • 雑誌名: Cancer Immunology, Immunotherapy 巻: 71 号: 1 ページ: 189-201
  • DOI: 10.1007/s00262-021-02954-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Efficacy of endovascular intratumoral embolization for meningioma: assessment using dynamic susceptibility contrast-enhanced perfusion-weighted imaging. (2021)
  • 著者名/発表者名: Asai K, Nakamura H, Watanabe Y, Nishida T, Sakai M, Arisawa A, Takagaki M, Arita H, Ozaki T, Kagawa N, Fujimoto Y, Nakanishi K, Kinoshita M, Kishima H.
  • 雑誌名: J Neurointerv Surg. 巻: - 号: 12 ページ: 1167-1171
  • DOI: 10.1136/neurintsurg-2020-017116
  • 査読あり
• [雑誌論文] How Much Tumor Volume Is Responsible for Development of Clinical Symptoms in Patients With Convexity, Parasagittal, and Falx Meningiomas? (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada S, Kijima N, Nakagawa T, Hirayama R, Kinoshita M, Kagawa N, Kishima H.
  • 雑誌名: Front Neurol 巻: 12 ページ: 769656-769656
  • DOI: 10.3389/fneur.2021.769656
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] SMARCB1 (INI1) retained but SMARCA4 (BRG1) negative atypical teratoid/rhabdoid tumor arising at the bilateral cerebellopontine angles: a case report (2021)
  • 著者名/発表者名: Mitsui Nobuyuki、Oikawa Kensuke、Tanino Mishie、Kinoshita Manabu
  • 雑誌名: Journal of Surgical Case Reports 巻: 2021 号: 9
  • DOI: 10.1093/jscr/rjab400
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reverse Engineering Glioma Radiomics to Conventional Neuroimaging (2021)
  • 著者名/発表者名: KINOSHITA Manabu、KANEMURA Yonehiro、NARITA Yoshitaka、KISHIMA Haruhiko
  • 雑誌名: Neurologia medico-chirurgica 巻: 61 号: 9 ページ: 505-514
  • DOI: 10.2176/nmc.ra.2021-0133
  • NAID: 130008088335
  • ISSN: 0470-8105, 1349-8029
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characteristics of Nonfunctioning Pituitary Adenomas That Cause Secondary Adrenal Insufficiency (2021)
  • 著者名/発表者名: Oshino Satoru、Saitoh Youichi、Kinoshita Manabu、Mukai Kosuke、Otsuki Michio、Kishima Haruhiko
  • 雑誌名: World Neurosurgery 巻: 153 ページ: e275-e281
  • DOI: 10.1016/j.wneu.2021.06.098
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic Resonance Relaxometry for Tumor Cell Density Imaging for Glioma: An Exploratory Study via 11C-Methionine PET and Its Validation via Stereotactic Tissue Sampling (2021)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Manabu、Uchikoshi Masato、Tateishi Souichiro、Miyazaki Shohei、Sakai Mio、Ozaki Tomohiko、Asai Katsunori、Fujita Yuya、Matsuhashi Takahiro、Kanemura Yonehiro、Shimosegawa Eku、Hatazawa Jun、Nakatsuka Shin-ichi、Kishima Haruhiko、Nakanishi Katsuyuki
  • 雑誌名: Cancers 巻: 13 号: 16 ページ: 4067-4067
  • DOI: 10.3390/cancers13164067
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fine-Tuning Approach for Segmentation of Gliomas in Brain Magnetic Resonance Images with a Machine Learning Method to Normalize Image Differences among Facilities (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Satoshi、Takahashi Masamichi、Kinoshita Manabu、et al
  • 雑誌名: Cancers 巻: 13 号: 6 ページ: 1415-1415
  • DOI: 10.3390/cancers13061415
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] T₂-FLAIR Mismatch Sign Is Caused by Long T₁ and T₂ of <i>IDH</i>-mutant, 1p19q Non-codeleted Astrocytoma (2021)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Manabu、Uchikoshi Masato、Sakai Mio、Kanemura Yonehiro、Kishima Haruhiko、Nakanishi Katsuyuki
  • 雑誌名: Magnetic Resonance in Medical Sciences 巻: 20 号: 1 ページ: 119-123
  • DOI: 10.2463/mrms.bc.2019-0196
  • NAID: 130007993615
  • ISSN: 1347-3182, 1880-2206
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impact of Inversion Time for FLAIR Acquisition on the T2-FLAIR Mismatch Detectability for IDH-Mutant, Non-CODEL Astrocytomas (2021)
  • 著者名/発表者名: Manabu Kinoshita, Hideyuki Arita, Masamichi Takahashi, Takehiro Uda, Junya Fukai, Kenichi Ishibashi, Noriyuki Kijima, Ryuichi Hirayama, Mio Sakai, Atsuko Arisawa, Hiroto Takahashi, Katsuyuki Nakanishi, Naoki Kagawa, Kouichi Ichimura, Yonehiro Kanemura, Yoshitaka Narita, Haruhiko Kishima
  • 雑誌名: Frontiers in Oncology 巻: 10 ページ: 596448-596448
  • DOI: 10.3389/fonc.2020.596448
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Activated leukocyte cell adhesion molecule expression correlates with the WNT subgroup in medulloblastoma and is involved in regulating tumor cell proliferation and invasion (2020)
  • 著者名/発表者名: Achiha T, Kijima N, Kodama Y, Kagawa N, Kinoshita M, Fujimoto Y, Nonaka M, Fukai J, Inoue A, Nishida N, Yamanaka T, Harada A, Mori K, Tsuyuguchi N, Uda T, Ishibashi K, Tomogane Y, Sakamoto D, Shofuda T, Yoshioka E, Kanematsu D, Mano M, Luu B, Taylor MD, Kanemura Y, Kishima H.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 15 号: 12 ページ: e0243272-e0243272
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0243272
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prediction of IDH and TERT promoter mutations in low-grade glioma from magnetic resonance images using a convolutional neural network (2019)
  • 著者名/発表者名: Fukuma Ryohei、Yanagisawa Takufumi、Kinoshita Manabu、他
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 0-0
  • DOI: 10.1038/s41598-019-56767-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Radiomics and MGMT promoter methylation for prognostication of newly diagnosed glioblastoma (2019)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Takahiro、Kinoshita Manabu、他
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 14435-14435
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50849-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Relationship between normalized distributional pattern and functional outcome in patients with acute cardiogenic cerebral embolism (2019)
  • 著者名/発表者名: Takagaki Masatoshi、Kinoshita Manabu、Kawaguchi Atsushi、Murasawa Akira、Nakao Kazutami、Nakamura Hajime、Kishima Haruhiko
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 14 号: 1 ページ: 0210709-0210709
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0210709
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 11C-methionine-18F-FDG dual-PET-tracer-based target delineation of malignant glioma: evaluation of its geometrical and clinical features for planning radiation therapy. (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirata T, Kinoshita M, Tamari, Seo Y, Suzuki O, Wakai N, Achiha T, Umehara T, Arita H, Kagawa N, Kanemura Y, Shimosegawa E, Hashimoto N, Hatazawa J, Kishima H, Teshima T, Ogawa K.
  • 雑誌名: Journal of Neurosurgery 巻: 21 号: 3 ページ: 1-11
  • DOI: 10.3171/2018.4.jns1859
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 神経膠腫の画像診断に関する諸問題について (2023)
  • 著者名/発表者名: 木下 学
  • 学会等名: 第46回日本脳神経CI学会
  • 招待講演
• [学会発表] AIによる脳腫瘍画像の解析と研究手法のパラダイムシフト (2022)
  • 著者名/発表者名: 木下 学、山本祥太、有田英之、沖田典子、下瀬川恵久、貴島晴彦
  • 学会等名: 日本脳神経外科学会 第81回学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] AIの脳神経外科領域への応用と可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木下 学、貴島晴彦
  • 学会等名: 第42回 日本脳神経外科コングレス総会
  • 招待講演
• [学会発表] Treating Brain Tumors: What Can We Do (2022)
  • 著者名/発表者名: 木下 学
  • 学会等名: International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM) 30th Scientific Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] 脳腫瘍外科学における人工知能の可能性と限界 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木下学、金村米博、成田善孝、貴島晴彦
  • 学会等名: 第31回 脳神経外科手術と機器学会
• [学会発表] MRIによる低悪性度神経膠腫におけるIDH遺伝子変異の可視化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 木下学、金村米博、成田善孝、貴島晴彦
  • 学会等名: 第51回 日本神経放射線学会
• [学会発表] 神経膠腫診療におけるradiomics の現状と未来について (2020)
  • 著者名/発表者名: 木下学
  • 学会等名: 第38回日本脳腫瘍学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 神経膠腫のRadiomicsから通常MRI撮影 へのリバースエンジニアリング ~神経膠腫診療に特化したFLAIR撮影の開発~ (2020)
  • 著者名/発表者名: 木下学
  • 学会等名: 日本脳神経外科学会 第79回学術総会 シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] テント上脳実質内腫瘍摘出における再現性の高い軟膜下剥離法について (2020)
  • 著者名/発表者名: 木下学
  • 学会等名: 第25回日本脳腫瘍の外科学会
  • 招待講演
• [学会発表] 悪性神経膠腫の「増悪」判定の意味するものとは? (2020)
  • 著者名/発表者名: 木下 学
  • 学会等名: 第39回医用画像学会 シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] グリオーマの画像診断と遺伝子解析・病理 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木下 学
  • 学会等名: 第43回日本脳神経CI学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] Radiomicsの展開と 大規模臨床データの利用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木下 学
  • 学会等名: 第9回 画像医療システム産業研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 膠芽腫のRadiogenomics (2019)
  • 著者名/発表者名: 木下 学
  • 学会等名: 第39回日本脳神経外科コングレス総会
  • 招待講演
• [学会発表] Radiomics in Glioma (2019)
  • 著者名/発表者名: 木下 学
  • 学会等名: 第78回日本医学放射線学会総会
  • 招待講演