人工知能により病理画像と多層オミックスデータを統合した新しい病理診断の創出

• 研究課題/領域番号: 21H02705
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分49020:人体病理学関連
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 金井 弥栄 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 教授 (00260315)
• 研究分担者: 榊原 康文 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10287427) ; 新井 恵吏 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 准教授 (40446547)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2022年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
• キーワード: 病理画像 / 人工知能 / オミックス解析 / 病理診断 / CpGアイランドメチル化形質

研究開始時の研究の概要

本研究は、人工知能 (AI)の支援を受けて病理形態像とゲノム等オミックス情報を融合させ、がんの治療奏効性・有害事象・予後を予測する深層学習モデルを構築することを目的とする。予測時のAIの着眼点を可視化し、形態学的診断基準に翻訳して、病理医が顕微鏡で見るだけでモデルと同等の治療奏効性・有害事象・予後予測を可能にすることを目指す。悪性度が高い腎淡明細胞がんのCpGアイランドメチル化形質 (CIMP)の予測モデルを構築する過程で、病理画像とオミックスデータを統合する至適研究手法を確立し、「病理医とAIの創造的協働による、オミックス情報を統合した新しい病理診断の創出 (病理診断学の革新)」を図る。

研究実績の概要

病理診断は従来から、がん等の臨床症例の最終診断を担ってきたが、がんゲノム医療が社会実装された今日にあっては、従来通り形態像のみに基づく組織型分類にとどまるべきではない。病理診断学は、ゲノム等オミックス情報を取り込んで、ブレイクスルーを果たすべきである。折しも人工知能 (AI)研究が隆盛を迎え、 病理画像はAIによるモデル構築に適した素材である。そこで本研究は、AIの適切な支援を受けることにより、病理形態像とオミックス情報を融合させ、がんの治療奏効性・有害事象・予後を予測する深層学習モデルを構築することを目的とする。予測時のAIの着眼点を可視化し、形態学的診断基準に翻訳することにより、 病理医が顕微鏡で見るだけでモデルと同等の治療奏効性・有害事象・予後予測を可能にすることを目指した。本研究は「病理医とAIの創造的協働による、オミックス情報を統合した新しい病理診断の創出」を図るものである。腎細胞がん手術検体の病理プレパラートバーチャルスライドデータならび低・高倍率顕微鏡写真を用い、オーロラキナーゼ阻害剤の適応となる可能性のある予後不良なCpGアイランドメチル化形質 (CIMP) 陽性腎細胞がんの、畳み込みニューラールネットワーク (CNN)モデルを構築した。剖検症例の肝・肺・心・胃等正常主要臓器の光学顕微鏡画像を用い、転移学習の手法に改良を加えた。さらに、gradient-weighted class activation mappingを用いて、CNNモデルがCIMP陽性・陰性の判別時に病理画像のどの領域に着目しているか可視化して、病理医が顕微鏡像をもとにDNAメチル化データを知ることなくCIMP診断を再現した。現在、エピゲノム情報 (CIMPの有無)と統合すべき多層オミックス情報を取得し、モデルの予後予測力の向上を図っている。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Molecular pathological approach to cancer epigenomics and its clinical application (2024)
  • 著者名/発表者名: Kanai Yae
  • 雑誌名: Pathology International 巻: 74 号: 4 ページ: 167-186
  • DOI: 10.1111/pin.13418
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DNA methylation alterations of ADCY5, MICAL2, and PLEKHG2 during the developmental stage of cryptogenic hepatocellular carcinoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Makiuchi Satomi、Tian Ying、Fujimoto Mao、Kuramoto Junko、Tsuda Noboru、Ojima Hidenori、Gotoh Masahiro、Hiraoka Nobuyoshi、Yoshida Teruhiko、Kanai Yae、Arai Eri
  • 雑誌名: Hepatology Research 巻: 54 号: 3 ページ: 284-299
  • DOI: 10.1111/hepr.13984
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Epigenetic profile of Japanese supercentenarians: a cross-sectional study. (2023)
  • 著者名/発表者名: Komaki S, Nagata M, Arai E et al (19人中3番目)
  • 雑誌名: Lancet Healthy Longev 巻: 4 号: 2 ページ: e83-e90
  • DOI: 10.1016/s2666-7568(23)00002-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantification of DNA methylation for carcinogenic risk estimation in patients with non-alcoholic steatohepatitis. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuramoto J, Arai E, Fujimoto M et al (19人中2番目)
  • 雑誌名: Clin Epigenetics 巻: 14 号: 1 ページ: 168-168
  • DOI: 10.1186/s13148-022-01379-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DNA methylation status of the SPHK1 and LTB genes underlies the clinicopathological diversity of non-alcoholic steatohepatitis-related hepatocellular carcinomas. (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuda N, Tian Y, Arai E et al (11人中11番目)
  • 雑誌名: J Cancer Res Clin Oncol 巻: - 号: 8 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1007/s00432-022-04445-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prognostication of early-onset endometrioid endometrial cancer based on genome-wide DNA methylation profiles. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirano T, Arai E, Fujimoto M et al (11人中2番目)
  • 雑誌名: J Gynecol Oncol 巻: 33 号: 6
  • DOI: 10.3802/jgo.2022.33.e74
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The oligodendroglial histological features are not independently predictive of patient prognosis in lower-grade gliomas (2022)
  • 著者名/発表者名: Pareira Eriel Sandika、Shibuya Makoto、Ohara Kentaro、Nakagawa Yu、Kanazawa Tokunori、Kamamoto Dai、Kato Yasutaka、Arai Eri、Aimono Eriko、Yoshida Kazunari、Nishihara Hiroshi、Kanai Yae、Sasaki Hikaru
  • 雑誌名: Brain Tumor Pathology 巻: - 号: 2 ページ: 79-87
  • DOI: 10.1007/s10014-022-00426-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Clinicopathological impacts of DNA methylation alterations on pancreatic ductal adenocarcinoma: prediction of early recurrence based on genome-wide DNA methylation profiling. (2021)
  • 著者名/発表者名: Endo Y, Fujimoto M, Ito N, Takahashi Y, Kitago M, Gotoh M, Hiraoka N, Yoshida T, Kitagawa Y, Kanai Y, Arai E.
  • 雑誌名: J Cancer Res Clin Oncol 巻: 147 号: 5 ページ: 1341-1354
  • DOI: 10.1007/s00432-021-03541-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multi-omic profiling of peritoneal metastases in gastric cancer identifies molecular subtypes and therapeutic vulnerabilities (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yosuke、Chiwaki Fumiko、Kojima Shinya、Kawazu Masahito、Komatsu Masayuki、Ueno Toshihide、Inoue Satoshi、Sekine Shigeki、Matsusaki Keisuke、Matsushita Hiromichi、Boku Narikazu、Kanai Yae、Yatabe Yasushi、Sasaki Hiroki、Mano Hiroyuki
  • 雑誌名: Nature Cancer 巻: 2 号: 9 ページ: 962-977
  • DOI: 10.1038/s43018-021-00240-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular classification of gastric cancer predicts survival in patients undergoing radical gastrectomy based on project HOPE (2021)
  • 著者名/発表者名: Furukawa Kenichiro、Hatakeyama Keiichi、Terashima Masanori、Nagashima Takeshi、Urakami Kenichi、Ohshima Keiichi、Notsu Akifumi、Sugino Takashi、Yagi Taisuke、Fujiya Keiichi、Kamiya Satoshi、Hikage Makoto、Tanizawa Yutaka、Bando Etsuro、Kanai Yae、Akiyama Yasuto、Yamaguchi Ken
  • 雑誌名: Gastric Cancer 巻: 25 号: 1 ページ: 138-148
  • DOI: 10.1007/s10120-021-01242-0
  • NAID: 40022799797
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Demarcated redness associated with increased vascular density/size: a useful marker of flat-type dysplasia in patients with ulcerative colitis (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikebata Akiyoshi、Shimoda Masayuki、Okabayashi Koji、Uraoka Toshio、Maehata Tadateru、Sugimoto Shinya、Mutaguchi Makoto、Naganuma Makoto、Kameyama Kaori、Yahagi Naohisa、Kanai Takanori、Kitagawa Yuko、Kanai Yae、Iwao Yasushi
  • 雑誌名: Endoscopy International Open 巻: 09 号: 04 ページ: E552-E561
  • DOI: 10.1055/a-1352-2709
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CD163‐positive cancer cells are a predictor of a worse clinical course in lung adenocarcinoma (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsubara Eri、Komohara Yoshihiro、Shinchi Yusuke、Mito Remi、Fujiwara Yukio、Ikeda Koei、Shima Toshiyuki、Shimoda Masayuki、Kanai Yae、Sakagami Takuro、Suzuki Makoto
  • 雑誌名: Pathology International 巻: 71 号: 10 ページ: 666-673
  • DOI: 10.1111/pin.13144
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Japanese Society of Pathology Practical Guidelines on the handling of pathological tissue samples for cancer genomic medicine (2021)
  • 著者名/発表者名: Hatanaka Yutaka、Kuwata Takeshi、Morii Eiichi、Kanai Yae、Ichikawa Hitoshi、Kubo Takashi、Hatanaka Kanako C.、Sakai Kazuko、Nishio Kazuto、Fujii Satoshi、Okamoto Wataru、Yoshino Takayuki、Ochiai Atsushi、Oda Yoshinao
  • 雑誌名: Pathology International 巻: 71 号: 11 ページ: 725-740
  • DOI: 10.1111/pin.13170
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 発がんエピゲノム機構にかかる分子病理学研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 金井弥栄
  • 学会等名: 第112回日本病理学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] 日米の非アルコール性脂肪性肝炎由来肝細胞がんにおけるゲノム網羅的DNAメチル化解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藏本純子、新井恵吏、藤本真央、牧内里美、津田昇、安田和基、平岡伸介、吉田輝彦、Evason Kimberley、金井弥栄
  • 学会等名: 第112回日本病理学会総会
• [学会発表] 肺腺がんの DNAメチル化プロファイルに対する免疫微小環境の影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 河原徹、藤本真央、下田将之、淺村尚生、金井弥栄、新井恵吏
  • 学会等名: 第112回日本病理学会総会
• [学会発表] 高速液体クロマトグラフィーによる DNAメチル化解析に基づく上部尿路がん新規非侵襲的診断法開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤本真央、新井恵吏、菊島卓也、西山直隆、中村知史、山田有理子、太平博暁、與谷卓也、北村寛、金井弥栄
  • 学会等名: 第112回日本病理学会総会
• [学会発表] DNA methylation diagnostics for upper urinary tract urothelial carcinoma using newly developed high-performance liquid chromatography (2023)
  • 著者名/発表者名: Mao Fujimoto, Eri Arai, Takuya Kikushima, Naotaka Nishiyama, Tomofumi Nakamura, Yuriko Yamada, Hiroaki Taira, Takuya Yotani, Hiroshi Kitamura, Yae Kanaii
  • 学会等名: America Association for Cancer Research Annual Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 日米の非アルコール性脂肪性肝炎由来肝細胞がんにおけるゲノム網羅的DNAメチル化解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藏本純子、新井恵吏、藤本真央、牧内里美、津田昇、安田和基、平岡伸介、吉田輝彦、Evason Kimberley、金井弥栄
  • 学会等名: 第82回日本癌学会総会
• [学会発表] 教育講演2: 泌尿器がんにおけるエピゲノム異常の意義と臨床応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 金井弥栄
  • 学会等名: 第88回日本泌尿器科学会東部総会
  • 招待講演
• [学会発表] Quantification of DNA methylation for carcinogenic risk estimation in patients with non-alcoholic steatohepatitis. (2022)
  • 著者名/発表者名: Junko Kuramoto, Eri Arai, Mao Fujimoto, Ying Tian, Yuriko Yamada, Takuya Yotani, Satomi Makiuchi, Noboru Tsuda, Hidenori Ojima, Moto Fukai, Yosuke Seki, Kazunori Kasama, Nobuaki Funahashi, Haruhide Udagawa, Takao Nammo, Kazuki Yasuda, Akinobu Taketomi, Tatsuya Kanto, Yae Kanai.
  • 学会等名: American Association for Cancer Research Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] DNAメチル化状態を指標とする非アルコール性脂肪性肝炎からの肝発がんリスク予測. (2022)
  • 著者名/発表者名: 藏本純子、新井恵吏、藤本真央、田迎、牧内里美、津田昇、尾島英知、山田有理子、輿谷卓也、高橋順子、深井原、関洋介、笠間和典、舟橋伸昭、宇田川陽秀、南茂隆生、安田和基、武富紹信、考藤達哉、金井弥栄.
  • 学会等名: 第111回日本病理学会総会
• [学会発表] 非アルコール性脂肪性肝炎由来肝細胞がんの組織学的多様性に関わるDNAメチル化異常. (2022)
  • 著者名/発表者名: 津田昇、新井恵吏、藏本純子、田迎、牧内里美、尾島英知、高橋順子、平岡伸介、吉田輝彦、金井 弥栄.
  • 学会等名: 第111回日本病理学会総会
• [学会発表] 非アルコール性脂肪性肝炎由来肝細胞がんにおけるSPHK1ならびにLTB遺伝子の DNAメチル化異常. (2022)
  • 著者名/発表者名: 津田昇、田迎、藤本真央、藏本純子、牧内里美、尾島英知、後藤政広、平岡伸介、吉田輝彦、金井弥栄、新井恵吏.
  • 学会等名: 第81回日日本癌学会学術総会
• [学会発表] 導性CRISPR/dCas9を用いたC19MC肝内胆管癌オルガノイドの分化における役割の解明. (2022)
  • 著者名/発表者名: 葉子祥、松崎潤太郎、及川千尋、金井弥栄、齋藤義正.
  • 学会等名: 第81回日日本癌学会学術総会
• [学会発表] 全血由来DNAにおけるエピゲノム関連解析による淡明細胞型腎細胞がんの検出に有用なDNAメチル化バイオマーカー候補の同定. (2022)
  • 著者名/発表者名: 大桃秀樹、新井恵吏、吉田輝彦、金井弥栄、清水厚志.
  • 学会等名: 第81回日日本癌学会学術総会
• [学会発表] 諸臓器の多段階発がん過程早期に普遍的なDNAメチル化プロファイル. (2022)
  • 著者名/発表者名: 中山雄二、新井恵吏、藤本真央、津田昇、牧内里美、田迎、藏本純子、金井弥栄.
  • 学会等名: 第81回日日本癌学会学術総会
• [学会発表] 肺腺がんのDNAメチル化プロファイルに対する免疫微小環境の影響. (2022)
  • 著者名/発表者名: 河原徹、藤本真央、下田将之、淺村尚生、金井弥栄、新井恵吏.
  • 学会等名: 第81回日日本癌学会学術総会
• [学会発表] 多段階発がん過程におけるエピゲノム解析: 病理形態から個別化医療開発へ (2021)
  • 著者名/発表者名: 金井弥栄
  • 学会等名: 第110回日本病理学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] 病理検体のゲノム・エピゲノム解析で見えるがんの本態: 個別化医療開発に向けて (2021)
  • 著者名/発表者名: 金井弥栄
  • 学会等名: 千里ライフサイエンス新適塾「難病への挑戦」
  • 招待講演
• [学会発表] 個別化治療・予防を目指した病理組織検体におけるエピゲノム解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金井弥栄
  • 学会等名: 第80回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] がんの病理組織検体における多層オミックス統合解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金井弥栄
  • 学会等名: 第80回日本癌学会学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 非アルコール性脂肪性肝炎由来肝細胞がんの多段階発生過程におけるDNAメチル化異常 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金井弥栄
  • 学会等名: Diabetes Scientific Meeting 2021
  • 招待講演
• [学会発表] Correlations between genome-wide DNA methylation profiles and genomic driver aberrations during multistage lung adenocarcinogenesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Hamada, Ying Tian, Mao Fujimoto, Yoriko Takahashi, Takashi Kohno, Koji Tsuta, Shun-ichi Watanabe, Teruhiko Yoshida,Hisao Asamura, Yae Kanai, Eri Arai
  • 学会等名: American Association for Cancer Research Annual Meeting 2021
  • 国際学会
• [備考] 慶應義塾大学医学部病理学教室 (病因病理学分野)・金井研究室
  • URL: https://pathology.med.keio.ac.jp
• [備考] Kanai Lab, Dpt Pathol, Keio Univ Sch Med
  • URL: https://pathology.med.keio.ac.jp/home-e/
• [備考] 慶應義塾大学医学部病理学教室 (病因病理学分野)金井研究室
  • URL: https://pathology.med.keio.ac.jp
• [備考] Kanai Laboratory, Department of Pathology
  • URL: https://pathology.med.keio.ac.jp/home-e/
• [備考] これからは病理学でがんを予防する時代
  • URL: https://www.med.keio.ac.jp/features/2022/12/8-134392/index.html
• [備考] Pathology Ushers in a New Era of Cancer Prevention
  • URL: https://www.med.keio.ac.jp/en/features/2023/4/35-137665/index.html
• [備考] 慶應義塾大学医学部病理学教室金井研究室
  • URL: https://pathology.med.keio.ac.jp