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研究室 紹介


■ 研究室

  応用分子画像科学分野(大学院医理工学院)



■ 研究内容紹介

 【1】がん治療におけるPrecision Medicineを目指した分子イメージング法の開発

 【2】新しい生理機能の解明を目指したイメージング質量分析法(IMS)の開発

 【3】慢性炎症性疾患診断のためのバイオマーカー探索、および病変部位イメージング技術の開発研究



応用分子画像科学分野(大学院医理工学院)


 当分野では、分子イメージング(画像診断)・治療に用いる新しい分子プローブの研究開発、すなわち、機能分子の探索、プローブのデザイン、プローブ合成技術、合成装置の開発、臨床へのトランスレーション等に関する研究を行っています。

 ― 主なテーマ ―

  • 病態評価、治療効果判定、治療戦略の観点から、分子、細胞の機能的変化の判定にもっとも適した分子、すなわち病態分析・イメージングの標的分子を探索する研究
  • 各種疾患の病態に関与する因子(酵素・受容体など)の分子レベルの機能を解明しうる新しい分子プローブの創製研究
  • 分子プローブの合成・製造技術の開発と診断・治療へのトランスレーション研究
  • 分子画像診断技術を先端創薬技術と融合させることにより、疾患の治療効果や体内での薬の動きを正確に捉えることができる新たなイメージング技術を創製する研究
  • ラジオトレーサー法による薬物の体内動態解析に基づく治療効果判定の解析・副作用の予測に関する研究






図 アイソトープ総合センターに導入された動物用イメージング装置(PET/SPECT/CT)と
北大病院に導入されたプローブ(18FDG)合成装置






研究内容 紹介



【1】がん治療におけるPrecision Medicineを目指した
分子イメージング法の開発


~ (1) チミジンホスホリラーゼを標的とした新規イメージング剤の開発 ~

 チミジンホスホリラーゼ(TP)はチミジンをチミンと2-デオキシ-D-リボース-1-リン酸に可逆的に変換する酵素であり、その酵素活性は、腫瘍の血管新生、浸潤、転移と関連がある。このことから、TP発現を画像化できれば腫瘍の悪性度の評価ができると考えられる。また、TPの酵素活性は抗がん剤である5-フルオロウラシル(5-FU)や5-FUのプロドラッグであるドキシフルリジン、カペシタビンの活性化にも関与していることから、これらの抗がん剤の効果予測への応用も期待できる。そこで我々は、腫瘍に発現するTPを体外から高感度で検出・画像化する診断法を確立することを目的として、TPと高い親和性を有する化合物(123I-IIMU)を設計・合成し、細胞・動物等を用いた前臨床研究により、その有効性を検討した。
 その結果、 ①123I-IIMUが、チミジンホスホリラーゼの高発現する細胞や臓器(腫瘍, 肝臓)に高集積すること (1-4)、②123I-IIMUにより、腫瘍中のTPの多寡を判別できること (5)、③123I-IIMUにより、カペシタビンの治療効果を予測できること (5) を実証することに成功した。現在 (2017年5月) は、123I-IIMUの安全性試験を終え、北海道大学病院にて、123I-IIMU注射薬を用いたFirst-in-Human臨床研究を2例実施したところである。




図 担がん(A431)マウスでのTPイメージング画像



【 論 文 発 表 】
1. Takahashi M, Seki K, Nishijima K, et al.: J Label Compd Radiopharm. 2008; 51: 384-387.
2. Akizawa H, Zhao S, Takahashi M, et al.: Nucl Med Biol. 2010; 37: 427-432.
3. Li H, Zhao S, Jin Y, et al.: Nucl Med Commun. 2011; 32: 1211-1215
4. Zhao S, Li H, Nishijima K et al.: Ann Nucl Med. 2015; 29: 582-587.
5. Kobashi N, Matsumoto H, et al.: The Thymidine Phosphorylase Imaging Agent 123I-IIMU Predicts the
  Efficacy of Capecitabine. J Nucl Med. 2016;57(8):1276-81.







~ (2) 抗血管新生阻害剤Sorafenibの抗腫瘍効果:
18F-FLT dynamic PETによる早期治療応答の解析~


 腎細胞癌(A498)移植腫瘍に対して、強力な抗血管新生阻害薬であるsorafenib治療を行うと、濃度依存的な腫瘍低酸素化が起こることを18F-FMISO低酸素イメージングにより明らかにした(1)。一方、sorafenib治療早期において細胞増殖の分子マーカーであるfluorothymidine (FLT)の集積は予想外に増加した(2)。そこで我々は、18F-FLTを用いたdynamic PETを行い、FLTの腫瘍動態を3コンパートメントモデルで解析することで、その原因がFLTのリン酸化の亢進に基づく減少であることを明らかにした(3)。これは、Sorafenibの抗腫瘍効果に、抗血管新生阻害以外の異なる作用メカニズムが存在していることを明らかにしたものである。




図 18F-FLTのdynamic PETで得られた像(投与110-120分)(A)および腫瘍内FLTの経時的変化(B)



【 論 文 発 表 】
1. Murakami M, Zhao S, Zhao Y, et al. Int J Oncol. 2012;41:1593-1600
2. Murakami M, Zhao S, Zhao Y, et al. Oncology letters. 2013;6:667-672
3. Ukon N, Zhao S, Yu W, et al. EJNMMI Res. 2016;6:90







~ (3) 放射線治療に対する腫瘍増殖・酸素状態、腫瘍内微小環境変化の評価 ~

 放射線治療に対する腫瘍増殖・酸素状態などの腫瘍内微小環境変化の評価は治療戦略の策定に極めて重要な情報を提供することができる。我々のこれまでの研究から、頭頸部癌モデル(FaDu)において、細胞増殖能を反映する18F-FLTが、放射線照射後に腫瘍体積の変化が認められる前より有意に減少する事を明らかにした(1)。さらに、照射後の腫瘍増殖能、酸素状態の変化を18F-FMISOと3H-FLTの分布を組み合わせて評価することで、より詳細な微小環境の動態を明らかにすることができた(2)。
 これらの研究は、18F-FLT、18F-FMISOを用いたPET検査が放射線治療計画(分割照射の時期・照射線量)に有用な情報を提供できる可能性を示したものである。




図 放射線照射(10 Gy及び20 Gy)後の腫瘍内の18F-FLT、18F-FMISO画像



【 論 文 発 表 】
1. Fatema CN, Zhao S, Zhao Y. Ann Nucl Med. 2013;27:355-362
2. Fatema CN, Zhao S, Zhao Y, et al. BMC Cancer. 2014;14:692









【2】新しい生理機能の解明を目指した
イメージング質量分析法(IMS)の開発


~ (1) スフィンゴミエリン分子種の組織内分布可視化 ~

 スフィンゴミエリン(SM)は生体膜の構造維持やシグナル伝達において非常に重要な役割を持つスフィンゴ脂質である。SMは分子内の脂肪酸鎖長により複数の分子種が存在するが、各SM分子種の組織内分布や生理機能の違いは不明な点が多い。これまでに、我々はIMS技術を用いて各SM分子種の脳組織内分布および定量化を行い、C18長鎖アシル基を持つSM (d18:1/18:0)は主に細胞体が豊富な灰白質に分布し、C24極長鎖アシル基を持つSM (d18:1/24:1)は主に髄鞘が豊富な白質に分布することを明らかにした。また、SMの前駆体であるセラミドの合成を司るCerSの遺伝子発現分布との比較によって、分子種ごとに異なるSMの組織内分布がCerSの発現によって制御されている可能性を示した(1)。
 次にSM合成酵素の一つであるSMS2の欠損による各組織におけるSMの量的・空間的変動を調べたところ、SMS2 KOマウスの肝臓および腎臓ではC22-およびC24-SMが減少していた。さらに、SMS2の欠損によって腎機能には変化が無かったが、肝臓における脂肪蓄積や脂肪酸合成遺伝子の発現が有意に減少したことから、部位特異的なSMS2の役割が示唆された(2)。一方で、肝細胞特異的なSMS2 KOマウスの解析から、SMS2欠損による脂肪肝やインスリン抵抗性の改善作用は,SM非依存的なメカニズムに基づいている可能性があることを示した(3)。




図 脳組織におけるスフィンゴミエリン(SM)分子種の組織内分布とセラミド合成酵素(CerS)遺伝子発現との関連






図 肝臓におけるスフィンゴミエリン(SM)分子種の分布に対する高脂肪食給餌の影響とSMS2発現による違い



【 論 文 発 表 】
1. Sugimoto M, Shimizu Y, Yoshioka T, et al. Biochim Biophys Acta. 2015;1851:1554-65
2. Sugimoto M, Wakabayashi M, Shimizu Y, et al. PLoS One. 2016;11:e0152191
3. Sugimoto M, Shimizu Y, Zhao S, et al. Biochim Biophys Acta. 2016;1861:688-702







~ (2) PETイメージング剤“18F-FMISO”の低酸素腫瘍への集積メカニズムの解明 ~

 ニトロイミダゾールを母体骨格とする18F-Fluoromisonidazole(18F-FMISO)は低酸素状態の細胞内に滞留する性質を有することから、腫瘍内低酸素領域の描出を行うためのPET診断用薬剤として臨床研究が進められている。FMISOの低酸素領域への集積は、腫瘍内の低酸素領域特異的に還元された後、生体内高分子と共有結合することによると考えられてきた。しかしながら集積部位における化学形態は未だ明らかにされていない。そこで、FMISOの低酸素領域における集積機序を明らかにするため、IMSを用いて腫瘍低酸素領域内におけるFMISOの化学形態およびその分布を評価した。その結果、従来想定されてきた生体内高分子への共有結合に加え、FMISO還元代謝物(Amino-FMISO)のグルタチオン抱合体がFMISOの低酸素領域への集積に大きく関与する可能性が示された(1)。またFMISOと同様に低酸素領域に集積する性質を有し、組織切片上での低酸素プローブとして用いられるpimonidazoleについても、還元型pimonidazoleのグルタチオン抱合体が低酸素領域と一致して存在することを明らかにした(2)。
 これらの研究は、ニトロイミダゾール系化合物の低酸素領域への集積機序に新しい知見を与えるものであり、低酸素イメージング剤や低酸素細胞標的放射線増感剤の開発に役立つと考えられる。





図 IMSを用いた低酸素プローブFMISOの腫瘍内集積の解析と核医学イメージング像を反映すると推測される化学形態



【 論 文 発 表 】
1. Masaki Y, Shimizu Y, Yoshioka T, et al. Sci Rep. 2015; 5:16802
2. Masaki Y, Shimizu Y, Yoshioka T, et al. PLoS One. 2016;11:e0161639


(注)イメージング質量分析(IMS)
 IMSは質量分析技術を用いて組織切片上における分子の分布を直接可視化できる手法である。特にフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴(FTICR)-MSは超高質量分解能を有することから、FTICR-MSを用いたIMSでは従来の手法では判別困難な分子を特異的に検出できる。









【3】慢性炎症性疾患診断のためのバイオマーカー探索
   および病変部位イメージング技術の開発研究


 近年、動脈硬化により生じる不安定プラークの破綻とそれに伴う血栓形成が、心筋梗塞や脳梗塞の発症に深く関与していることが明らかとなっている。したがって、上記の心血管疾患と脳血管疾患を予防するためには、プラークの不安定性及びその破綻のリスクを、経時的かつ正確に評価する必要がある。そこで、我々は動脈硬化モデルマウス大動脈組織のプロテオミクス解析を行い、動脈硬化の進行度を反映して発現量が変化するバイオマーカーの探索を行った。その結果、動脈硬化病変の進行と共に動脈組織内で発現量が増加した29種類のタンパク質の同定に成功した(1)。
 現在、同定した各タンパク質について、免疫組織染色法による動脈硬化病変における発現量・局在変化の探索ならびにELISA法による血液中濃度変化の探索による動脈硬化病変進行とのより詳細な評価を行い、核医学診断等の機能的画像診断並びに生化学検査に適したバイオマーカーの選別を進めている。





【 論 文 発 表 】
1. Hanzawa H, Sakamoto T, Kaneko A, et al. J Proteome Res. 2015; 2;14(10):4257-69.
  

【 特 許 出 願 】
1. Sakamoto T, Hanzawa H, Manri N, Kuge Y, Japan Patent 05066599 (17, August, 2012)
2. Hanzawa H, Sakamoto T, Manri N, Kuge Y, Japan Patent 05337096 (09, August, 2013)
3. Hanzawa H , Sakamoto T, Manri N, Kuge Y, Japan Patent 05379616 (04, October, 2013)









北海道大学
アイソトープ総合センター

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