量子もつれ光子対に基づく医用多分子間相互作用イメージングの創出

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 量子もつれ光子対による原子核－多分子間相互作用プローブを活用した診断治療学の創生
• 研究課題/領域番号: 22H05022
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 島添 健次 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70589340)
• 研究分担者: 上ノ町 水紀 京都大学, 宇宙総合学研究ユニット, 特定助教 (70913458)
• 研究期間 (年度): 2022-05-20 – 2025-03-31
• キーワード: 光子対診断治療学 / コンプトンPET / 摂動角相関 / 核スピン / カスケード光子 / 量子もつれ

研究実績の概要

本研究では「原子核→生体空間、 化学反応→原子核の多階層構造を繋ぐ量子もつれ光子対放出原子核-分子間相互作用プローブによる革新的診断治療学の創生」のため以下3項目を目的とする。1)分子間相互作用を体外から非侵襲に取り出す新たな物理化学原理と手法の確立　2)新構造を有する全身分子間相互作用イメージング装置の開発　3)もつれ光子薬剤による薬剤細胞内取り込み・細胞内化学環境可視化実証試験 これにより次世代診断治療に必要となる薬剤分子間相互作用解析、悪性腫瘍・アルツハイマー病等の複数薬剤同時診断、個別化医療の実現が可能なイメージング治療技術基盤を創出する。具体的には、量子もつれガンマ光子対時空間相関と発生位置を計測する新イメージング装置を設計開発し、超微細相互作用を介しもつれ光子対時空間相関から原子核周囲の微弱電磁場化学結合環境を非侵襲可視化(eV→MeV増幅変換)する手法を確立する。本年度はもつれ光子対放出核種(111In SPECT臨床核種)を担体送達し、プレターゲティングを行うCupid-Psyche改変ビオチンシステムで
のトレーサー分子による光子対生成の空間放出相関測定を詳細に行うことで放出のpH依存性を明らかにした。これによりDOTAにキレートされた状態でのpH変化への応答性を検証し、異なる送達薬剤において異なる応答が観測された。また従来のSPECTを用いた、pHイメージング手法を拡張し、コンプトンPET装置をもちいたpHと集積の同時イメージングにも成功した。加えて大型のシリコンセンサを用いたコンプトンPET装置を試作し、低エネルギーのガンマ線のイメージングを実現した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

もつれ光子対放出核種(111In SPECT臨床核種)を担体送達し、プレターゲティングを行うCupid-Psyche改変ビオチンシステムでのトレーサー分子による光子対生成の空間放出相関測定を詳細に行うことで放出のpH依存性を明らかにした。これによりDOTAにキレートされた状態でのpH変化への応答性を検証し、異なる送達薬剤において異なる応答が観測された。また従来のSPECTを用いた、pHイメージング手法を拡張し、コンプトンPET装置をもちいたpHと集積の同時イメージングにも成功した。加えて大型のシリコンセンサを用いたコンプトンPET装置を試作し、低エネルギーのガンマ線のイメージングを実現した。加えて、pH等の分子構造に由来する電気四重極相互作用以外の外場の可能性を検討し、パルス超音波を用いた摂動により時間分解でカスケード光の相関を変更可能であることを初めて確認した。加えて磁場を印加した状態でのラーモア歳差運動の変化から化学シフトの観測に成功したほか、ナノ粒子にDOTAを用いて111Inを接合する技術を確立した。

今後の研究の推進方策

今後はin vitroでの実験をin vivoに拡張し、細胞内での放出相関の依存性を継続的に検証を行う。これまでの試行においては、一部矛盾したデータが得られており、原因を追求しつつ実験を継続する。またpHの実際の細胞内での挙動などの確認を行うために、ナノ粒子を専門とする分担者に参入をしてもらうことで蛍光イメージングと放射線イメージングの両面から検証する体制を整えた。また量子ドットなどのナノ粒子と放射線を組み合わせた新たなイメージング技術の展開を目指す。これらの細胞レベルでのin vivoイメージングの特性を確認した後に小動物でのイメージング検証実験を実施する。

研究成果

• [雑誌論文] Modality for estimating NMR relaxation time using perturbed angular correlation in double-photon emission nuclides (2024)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Wataru、Feng Boyu、Tamai Yoshiki、Ueki Taisei、Kamada Kei、Uenomachi Mizuki、Tomita Hideki、Fushimi Motofumi、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki、Sekino Masaki
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.1063/9.0000665
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In-vivo correlations of fluorescent or radioisotope glucose-analogs in imaging cancer metabolism (2024)
  • 著者名/発表者名: Lin Hongchang、Kobayashi Mariko、Kushiro Keiichiro、Yanagie Hironobu、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Nuclear Medicine Communications 巻: 45 ページ: 287～294
  • DOI: 10.1097/MNM.0000000000001812
  • 査読あり
• [雑誌論文] pH dependence of perturbed angular correlation in DOTA chelated $$^{111}$$In measured with ring-shape gamma-ray detectors (2024)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kenji、Donghwan Kim、Mineo Tomoko、Sato Takeshi、Ohta Seiichi、Tatsumi Toshifumi、Sugiyama Akira、Yamatsugu Kenzo、Nomura Sachiyo、Terabayashi Ryohei、Tomita Hideki、Sonoda Tetsu、Shigekawa Yudai、Yokokita Takuya、Uenomachi Mizuki
  • 雑誌名: Interactions 巻: 245 ページ: -
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01864-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Precession measurement of perturbed angular correlation in double-photon emission nuclides with magnetic field for novel RI imaging method (2023)
  • 著者名/発表者名: Ueki Taisei、Uenomachi Mizuki、Shimazoe Kenji、Tomita Hideki、Kamada Kei、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1050 ページ: 168122～168122
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168122
  • 査読あり
• [雑誌論文] Background reduction in PET by double Compton scattering of quantum entangled annihilation photons (2023)
  • 著者名/発表者名: Kim Donghwan、Rachman Agus Nur、Taisei Ueki、Uenomachi Mizuki、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 ページ: P07007～P07007
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/07/P07007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simultaneous multi-nuclide imaging via reconstruction-free double-photon emission coincidence imaging method with parallel hole collimator and slat collimator (2023)
  • 著者名/発表者名: Yan Linlin、Uenomachi Mizuki、Ueki Taisei、Kim Donghwan、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki、Kamada Kei、Shigekawa Yudai、Nambu Akihiro、Yin Xiaojie、Wang Yang、Haba Hiromitsu
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1053 ページ: 168305～168305
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168305
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of double photon emission Compton imaging using angular and polarization correlations in cascade photons (2023)
  • 著者名/発表者名: Kim Donghwan、Ueki Taisei、Rahman Agus Nur、Yan Linlin、Uenomachi Mizuki、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 ページ: C05012～C05012
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/05/C05012
  • 査読あり
• [雑誌論文] 核医学計測のための多光子相関計測手法の開発?多分子・分子間相互作用の可視化に向けて? (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kenji
  • 雑誌名: RADIOISOTOPES 巻: 72 ページ: 101～112
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.72.101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time and Energy Resolving Time-over-Threshold ASIC for MPPC module in TOF-PET system (ToT-ASIC2) (2023)
  • 著者名/発表者名: Orita T.、Uenomachi M.、Shimazoe K.、Ikeda H.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 ページ: P09033～P09033
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/09/p09033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement of angular correlation changes in double-photon emission nuclides using ultrasound irradiation (2023)
  • 著者名/発表者名: Sensui F.、Uenomachi M.、Shimazoe K.、Takahashi H.、Zhihong Z.、Ishijima A.、Nakagawa K.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 ページ: C04001～C04001
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/04/C04001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum Entanglement PET and Entangled Photon Quantum Sensor: Nuclear Medicine Enhanced with Quantum Technology (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimazoe Kenji、Uenomachi Mizuki
  • 雑誌名: The Brain and Neural Networks 巻: 30 ページ: 197～206
  • DOI: 10.3902/jnns.30.197
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 医用応用に向けた大面積SOIピクセル検出器の開発と評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 上ノ町 水紀、鶴 剛、内田裕之、池田智法、松田真宗、成田拓仁、泉大輔、岩切 卯月、行元 雅貴、 武田彩希、 森 浩二、島添 健次
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Study on magnetic field and pH response with angular correlation measurement of Yb-169 for double photon coincidence imaging (2023)
  • 著者名/発表者名: Boyu Feng, Kenji Shimazoe, Donghwan Kim, Yudai Shigekawa, Akihiro Nambu, Hiromitsu Haba, Hamdan Mohammad, Qinghong Zhu, Mizuki Uenomachi, Hideki Tomita, Hiroyuki Takahashi
  • 学会等名: 13th International "Hiroshima" Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD13)
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular sensing and imaging through perturbed angular correlation in nuclear medicine. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenji Shimazoe
  • 学会等名: Hyperfine Interaction
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of large area SOI pixel sensor “XRPIX-X” with pinned depleted diode structure (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Uenomachi, T. G. Tsuru, H. Uchida, T. Ikeda, M. Matsuda, T. Narita, D. Izumi, K. Magata, U. Iwakiri, M. Yukumoto, A. Takeda, K. Mori, T. Ishida, Y. Nishioka, K. Shimazoe, H. Takahashi, K. Hagino, I. Kurachi, Y. Arai, T. Kohmura, Y. Uchida, T. Tanaka, H. Suzuki
  • 学会等名: IEEE NSS MIC RTSD 2023
  • 国際学会
• [学会発表] In vivo simultaneous imaging of 18F-FDG and Na131I with Compton PET system (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Kim, L. Yan, K. Shimazoe, H. Takahashi, K. Ogane, M. Yoshino, K. Kamada, M. Uenomachi
  • 学会等名: IEEE NSS MIC RTSD 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Angular Correlation Measurement with Compton-PET for Information on Local Environment (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Kim, M. Uenomachi, K. Shimazoe, H. Takahashi, K. Kamada, H. Tomita
  • 学会等名: IEEE NSS MIC RTSD 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 放射線を視る。放射線で診る。 (2023)
  • 著者名/発表者名: 島添 健次
  • 学会等名: 第3回SITワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 超音波照射によるカスケード核種の角度相関変化を利用した位置分解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 玉井 良樹、上ノ町 水紀、島添 健次、鎌田 圭、富田 英生、石島 歩
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] 光子対診断治療学の研究（第一原理シミュレーション） (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 健、上ノ町 水紀、重河 優大、杉山 暁、野村 幸世、横北 卓也、富田 英生、寺林 稜平、園田 哲、向井 もも、島添 健次
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] 光子対診断治療学の研究（放射性分子の精密レーザー分光） (2023)
  • 著者名/発表者名: 寺林 稜平、長谷川 秀一、宮部 昌文、富田 英生、向井 もも、園田 哲、重河 優大、上ノ町 水紀、横北 卓也、杉山 暁、野村 幸世、佐藤 健、島添 健次
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] 光子対診断治療学の研究(装置開発と原理検証) (2023)
  • 著者名/発表者名: 上ノ町 水紀、島添 健次、重河 優大、杉山 暁、野村 幸世、横北 卓也、冨田 英生、寺林 稜平、園田 哲、向井 もも、佐藤 健
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] 光子対診断治療学の研究(概要) (2023)
  • 著者名/発表者名: 島添 健次、上ノ町 水紀、重河 優大、杉山 暁、野村 幸世、横北 卓也、富田 英生、寺林 稜平、園田 哲、向井 もも、佐藤 健
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演
• [学会発表] Evaluation of Compton recoil electron tracking capability of finepitch pixel silicon detector with a Monte Carlo simulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Uenomachi, Kenji Shimazoe
  • 学会等名: PSD13
  • 国際学会
• [学会発表] Development of trigger-mode fine-pitch silicon hybrid detectors (2023)
  • 著者名/発表者名: Ayaki Takeda, Daisuke Matsunaga, Kenji Shimazoe, Makoto MotoyoshiNone, Mizuki Uenomachi, Yuji Okubo, junichi Aoyama, Setsuo Satoh
  • 学会等名: PSD13
  • 国際学会
• [図書] 量子生命科学ハンドブック 第5章 医療分野における量子技術 (2024)
  • 著者名/発表者名: 島添健次、上ノ町水紀
  • 総ページ数: 372
  • 出版者: 株式会社エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860438821