| 研究課題/領域番号 |
21K18165
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
平田 拓 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (60250958)
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| 研究分担者 |
稲波 修 北海道大学, 獣医学研究院, 教授 (10193559)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| キーワード | 電子スピン共鳴 / 酸素分圧 / 腫瘍 / イメージング / 緩和時間 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では、悪性腫瘍における酸素分圧を高精度に可視化する連続波電子スピン共鳴分光イメージングの理論と技術を構築することを目指している。2年目となる2022年度は、次の2つの課題に取り組んだ。
課題(1) 電子スピンの緩和時間計測のばらつき（標準偏差）を低減することを目指して、磁場勾配の制御が正確に行われているか検討した。最終的に磁場勾配ステップの線形性に問題がないことを確認した。加えて、マグネットシステムの温度変化と磁場掃引の非線形性を測定し、それらが緩和時間計測に影響を与える度合いを確認した。いずれも緩和時間計測のばらつきを大きくする要因ではあるが、それらを補正してもばらつきの低減は限定的であった。これらの検討を踏まえ、他に緩和時間計測（マッピング）のばらつきが生じる要因を探索した。その結果、磁場掃引幅が不足しているために電子スピン共鳴スペクトルの裾野が計測されない場合があり、それが、緩和時間計測のばらつきを大きくしていることを特定した。電子スピンのスペクトルを記録する磁場掃引幅を2 mTに拡大することにより、緩和時間100 nsの試料を模擬した数値実験において、緩和時間計測の標準偏差を0.4 ns程度に低減できることを確認した。
課題(2) 酸素分圧と分子プローブ濃度を推定するロバストな計算法を構築することを目指した。条件の悪い線形モデルを精度よく解くことが課題となっていたが、パリ大学の応用数学グループとの共同研究により、ばらつきを抑えて酸素分圧と分子プローブ濃度を推定する最適化問題を取り扱うことが可能になった。最終的な精度の検証はこれから行われるが、予備的な検討では酸素分圧の精度の目標値（4 mmHg以下）に到達できる可能性が見えてきた。また、腫瘍モデルマウスの形態像を撮像するために、1テスラのマウス用MRIを設置した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
次の2項目はいずれも研究課題の最終ゴールとなる腫瘍モデルマウスの高精度酸素分圧イメージングの実現に貢献するものであり、研究がおおむね順調に進んでいることを示している。
(1) 電子スピンの緩和時間計測において、測定結果のばらつきに影響を与えると考えられる要因を検討し、磁場掃引幅の不足が緩和時間計測のばらつきに影響を与えることを突き止めた。磁場勾配の制御、磁場掃引の線形性、マグネットシステムの温度変化も検討し、緩和時間計測のばらつきに与える影響の程度が比較的低いことを明らかにした。
(2) 数理モデルを用いて酸素分圧を安定に計算するアプローチ構築に目処をつけることができた。最終的な成果の確認は今後必要であるが、（本研究課題の計画当初には予定していなかった）パリ大学の応用数学グループの協力により、数理モデルのロバストな解法に関して大きく前進することができた。
以上のことから、本研究課題は「おおむね順調に進んでいる」と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、これまで得られた知見により、水溶液サンプルを用いて電子スピンの緩和時間計測のばらつきを低減できることを証明する。また、電子スピンの緩和時間計測と数理モデルを用いた酸素分圧および分子プローブ濃度の推定を組み合わせ、水溶液サンプルの酸素分圧可視化実験を行う。この実験では、酸素モニターOxyLiteにより水溶液サンプルの酸素分圧を正確に測定し、我々の手法に基づく酸素分圧の推定値がどの程度正確であるかを評価する。
水溶液サンプルでの検証実験を終えた後、腫瘍モデルマウスによる酸素分圧測定に挑戦する。腫瘍モデルマウスは、ヒト由来膵管がん細胞の異種移植モデルを用いる予定である。腫瘍組織の低酸素化が顕著な細胞種と、組織の酸素レベルが比較的高い細胞種を用いることにより、二種類の腫瘍モデルマウスの比較を行う。以上の計画により、水溶液サンプルでの酸素分圧マッピングが精度よく実現できることを証明し、腫瘍モデルマウスによる酸素分圧マッピングの実行可能性の証明を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
電子スピンの緩和時間計測のばらつきの原因を特定することに時間が割かれたため、緩和時間計測（イメージング実験）を行う回数が限られていた。そのため、実験に使用するラジカル試薬や消耗品の使用が比較的少なかったことから、当初予定していた予算を全額使用せずに繰越が生じた。上の項目で述べたように、緩和時間計測のばらつきに関する技術的課題を解決する目処が立ったことから、次年度は、緩和時間マッピングの実験を繰り返し実施する計画である。そのため、未使用の経費は水溶液および腫瘍モデルマウスのイメージング実験に用いる消耗品に充当する計画である。
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