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人工知能とメタボローム解析を用いた肺癌の新規診断方法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20K09171
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55040:呼吸器外科学関連
研究機関東京医科大学

研究代表者

梶原 直央  東京医科大学, 医学部, 教授 (70343514)

研究分担者 杉本 昌弘  慶應義塾大学, 政策・メディア研究科(藤沢), 教授 (30458963)
池田 徳彦  東京医科大学, 医学部, 主任教授 (70246205)
垣花 昌俊  東京医科大学, 医学部, 准教授 (90366112)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
キーワードメタボローム解析 / 人工知能 / メタボローム
研究開始時の研究の概要

肺癌において単一マーカーあるいは数個のマーカーの組み合わせだけでの病態評価や治療効果予測には限界があり、より多くの生体情報を活用して個々の病態を個別に評価できる指標開発が必要である。特に肺癌の術後補助および再発・転移治療の決定には、癌の多様性を正確に評価した個々の特徴と治療方針が重要となる。
肺癌患者に特異的な代謝変化をプロファイリングし、機械学習(人工知能)によりそのパターンの解析を行い、臨床情報も加味して統合的な疾患評価の数理モデルの開発を行うことで、人工知能とメタボローム解析を用いた肺癌の新規診断方法の開発を行っていく。

研究実績の概要

肺がんの早期発見のためには、高精度で低侵襲なスクリーニング方法の開発が必須である。本研究では、低侵襲に採取可能な体液(血液等)でマーカー探索を実施することを目的として、手術時に採取した組織検体も解析し、組織で起きている代謝異常と整合性がとれるマーカーを絞り込むことを行いました。
これまでの研究では肺癌患者 (n = 109 ペア) から採取した血漿および唾液サンプルだけでなく、隣接する非がん組織のメタボローム プロファイルと比較したがん組織のメタボローム プロファイルの分析を実施しました。 更に対照参加者 (それぞれ n = 83 と 71) から収集した血漿と唾液のサンプルを分析しました。 親水性代謝物を包括的に定量するために、キャピラリー電気泳動 - 質量分析法および液体クロマトグラフィー - 質量分析法が実行されました。 ペアの組織を比較したところ、53 の大きく異なる代謝産物が明らかになりました。 血漿と唾液では、患者と対照の間でそれぞれ 44 個と 40 個の有意に異なる代謝物が示されました。 これらのうち、12 の代謝産物は 3 つの比較すべてで有意な差を示し、主にポリアミン経路とアミノ酸経路に属していました。 N1-アセチルスペルミジンは最も高い識別能力を示しました。唾液データは、トレーニング データセットと検証データセットにランダムに分割されました。 受信機動作特性曲線の下の面積は、トレーニング データを使用した相互検証では 0.744、検証データでは 0.792 でした。 このモデルは、他の代謝産物よりも N1-アセチルスペルミジンに対して高い識別能力を示しました。 これらの結果は、血漿組織と肺組織の両方で一貫して異なる唾液バイオマーカーが非侵襲性肺がんスクリーニングを容易にする可能性があることを示唆しています。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

これまでにキャピラリー・電気泳動質量分析装置(CE-MS)による水溶性物質の網羅的解析と、ポリアミン類の液体クロマトとグラフィー・質量分析装置(LC-MS)による高感度な測定により、幅広いPathway上の代謝物を定量した。ポリアミン類も水溶性代謝物ではあるが、CE-MSの前処理時に遠心する素材に吸着して回収率が低下するために、これらの処理を必要としないLC-MSの方法を採用した。組織検体と体液検体の間で整合性のとれる変化をした物質を絞り込み、alternatie decision tree(定量的決定木)を用いた識別モデルの開発も行った。評価試験はクロスバリデーションを実施し、汎化能力の評価も実施した。単なる体液の網羅的な解析だけでなく、組織検体との比較や、様々な臨床情報との解析を行うことで、肺癌における特異的なマーカーの解析を行った。現在、様々な臨床情報との解析を行うことで、肺癌を早期に検出だけでなく、予後における個人差の違いも解析中であり、将来的に個人ごとに必要な治療方針を予測する「先回り医療」のシステムを確立する予定である。

今後の研究の推進方策

これまでに測定したデータの解析を実施し、第一段階の論文は発表された。現在、予後に関するデータを解析して、第2段階医の論文の執筆を進めている。様々な臨床データの情報によって、代謝物マーカーの物質がどのような影響を受けるのかを調べ、5年後の予後のデータも収集し、組織検体の中でみられている代謝の異常が予後を予測しうるか等も解析している。
個々の分子のマーカーを1つの変数として、機械学習と組み合わせるだけでなく、Pathway単位での変動を1変数として、識別能力があげられないかなど様々な手法やデータの扱い方を変えながら、精度のよい数理モデルを開発することをおこなう。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (12件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Metabolomics Profiles Alterations in Cigarette Smokers and Heated Tobacco Product Users2024

    • 著者名/発表者名
      Harada Sei、Ohmomo Hideki、Matsumoto Minako、Sata Mizuki、Iida Miho、Hirata Aya、Miyagawa Naoko、Kuwabara Kazuyo、Kato Suzuka、Toki Ryota、Edagawa Shun、Sugiyama Daisuke、Sato Asako、Hirayama Akiyoshi、Sugimoto Masahiro、Soga Tomoyoshi、Tomita Masaru、Shimizu Atsushi、Okamura Tomonori、Takebayashi Toru
    • 雑誌名

      Journal of Epidemiology

      巻: 34 号: 9 ページ: 403-410

    • DOI

      10.2188/jea.JE20230170

    • ISSN
      0917-5040, 1349-9092
    • 年月日
      2024-09-05
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Salivary metabolomic biomarkers for non‐invasive lung cancer detection2024

    • 著者名/発表者名
      Kajiwara Naohiro、Kakihana Masatoshi、Maeda Junichi、Kaneko Miku、Ota Sana、Enomoto Ayame、Ikeda Norihiko、Sugimoto Masahiro
    • 雑誌名

      Cancer Science

      巻: 00 号: 5 ページ: 1695-1705

    • DOI

      10.1111/cas.16112

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Reliability of Time-Series Plasma Metabolome Data over 6 Years in a Large-Scale Cohort Study2024

    • 著者名/発表者名
      Miyake Atsuko、Harada Sei、Sugiyama Daisuke、Matsumoto Minako、Hirata Aya、Miyagawa Naoko、Toki Ryota、Edagawa Shun、Kuwabara Kazuyo、Okamura Tomonori、Sato Asako、Amano Kaori、Hirayama Akiyoshi、Sugimoto Masahiro、Soga Tomoyoshi、Tomita Masaru、Arakawa Kazuharu、Takebayashi Toru、Iida Miho
    • 雑誌名

      Metabolites

      巻: 14 号: 1 ページ: 77-77

    • DOI

      10.3390/metabo14010077

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Data Processing and Analysis in Liquid Chromatography-Mass Spectrometry-Based Targeted Metabolomics.2023

    • 著者名/発表者名
      Sugimoto M, Aizawa Y, Tomita A.
    • 雑誌名

      Methods Mol Biol.

      巻: 2571 ページ: 241-255

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-2699-3_21

    • ISBN
      9781071626986, 9781071626993
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Metabolomics Analysis of Blood, Urine, and Saliva Samples Based on Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry.2023

    • 著者名/発表者名
      Sugimoto M, Aizawa Y.
    • 雑誌名

      Methods Mol Biol.

      巻: 2571 ページ: 83-94

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-2699-3_8

    • ISBN
      9781071626986, 9781071626993
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 唾液の代謝物網羅的解析による様々な疾患検査技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      杉本昌弘
    • 雑誌名

      日本唾液腺学会誌

      巻: 62 ページ: 62-68

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Salivary metabolomics for cancer detection.2020

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Sugimoto
    • 雑誌名

      Expert Review of Proteomics

      巻: 30 ページ: 46-46

    • NAID

      40021850352

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantification of Salivary Charged Metabolites using Capillary Electrophoresis Time-of-flight-mass Spectrometry.2020

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Sugimoto
    • 雑誌名

      Bio-protocol

      巻: 10(20)

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 唾液のメタボローム解析による分子マーカーの探索2023

    • 著者名/発表者名
      杉本昌弘
    • 学会等名
      第67回日本唾液腺学会学術集会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ポリアミン研究の最前線2023

    • 著者名/発表者名
      曽我朋義、杉本昌弘
    • 学会等名
      第96回日本生化学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] メタボローム解析による疾患マーカーの探索と実用化に向けた取り組み2023

    • 著者名/発表者名
      杉本昌弘
    • 学会等名
      センサ&IoTコンソーシアムセミナー
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] メタボローム解析の基礎技術及びメタボロームデータの 実践的な解析・管理・活用ノウハウ2023

    • 著者名/発表者名
      杉本昌弘
    • 学会等名
      メタボローム解析の基礎技術及びメタボロームデータの実践的な解析・管理・活用ノウハウ【提携セミナー】
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] メタボローム解析によるリキッドバイオプシーの開発2023

    • 著者名/発表者名
      杉本 昌弘
    • 学会等名
      第7回 Liquid Biopsy 研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] メタボローム解析技術を用いた実践的なバイオマーカー探索2022

    • 著者名/発表者名
      杉本 昌弘
    • 学会等名
      情報機構 ものづくり.com「ものづくりセミナー」
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] サリバテクノジーシンポジウム 唾液と癌検査2022

    • 著者名/発表者名
      杉本 昌弘
    • 学会等名
      第1回日本唾液ケア研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 唾液から見える全身の代謝2022

    • 著者名/発表者名
      杉本 昌弘
    • 学会等名
      第57回神奈川歯科大学学会総会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] メタボローム解析の基礎から応用研究まで2022

    • 著者名/発表者名
      杉本 昌弘
    • 学会等名
      第26回WAKO Web受託セミナー
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] データ駆動型サイエンスを目指したメタボローム解析2021

    • 著者名/発表者名
      杉本 昌弘
    • 学会等名
      HMTメタボロームWebセミナー特別公演
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] メタボローム解析による肺癌術後の予後予測因子探索2020

    • 著者名/発表者名
      梶原直央
    • 学会等名
      第37回日本呼吸器外科学会総会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] AIと高次元解析技術の融合がもたらす肺癌研究の未来2020

    • 著者名/発表者名
      梶原直央
    • 学会等名
      第120回日本外科学会定期学術集会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [図書] キャピラリー電気泳動法・イオンクロマトグラフィーの分析テクニック2023

    • 著者名/発表者名
      第3章 第2節 メタボロミクス解析への活用
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      技術情報協会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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