博 士 （ 情 報科 学 ）工 藤正 博

学 位 論 文 題名

A study of analytical methods for the purpose ofquantification and imaging of substanceln vivo
（生体深部成分の定量・イメージングを目的とした分析手法に関する研究）

学 位論文内容の要旨（1） 概要本 研究絃、世界的に急速に進展する高齢化により、治療から予防に転換する社会システムの変化に対 し、その必要条件である生体成分の非侵襲計浸I
J方法のインテグレーションプロセスのフレーム
ワ ーク化を検討した上で、具体的な生体物質においてそのプロセスを確認した。具体的には、米国で 第一の失明原因である加齢黄斑変性症に着目し、その予防に重要である一方で、これまで実現して いをか った ヒト眼 底上の ルテイ ンとゼ アキ サンチンの非侵襲計測・イメージングを研究を行った 。研究では、ルテイン、ゼアキサンチンの存在する視細胞をヒトのアイバンクアイから単離し、光 学的アプ口ーチを比較検討した。さらに、波長可変レーザーによる吸収・螢光計測を行い、視細胞 上の光学特性を確認したことに加え、共焦点レーザーシステムを構築してイメージングに成功した 。また 、HPLCと の定量 結果 を比較 するこ とで、 ルテイン、ゼアキサンチンの混合比率と定量可能 性を検証し、視細胞上のルテイン、ゼアキサンチン混合比率の計測の可能性について確認した。
(2)背景加 齢黄斑 変性 症(AMD)は、眼 底中央 にあ たる黄 斑の網 膜視細 胞が 障害される疾患であり、50歳以上 の高齢 者に 生じる 。AD
Mは米国 で失明 原因 の第一 位であ ること から、 近年治療に向けた研究が進 められ てき た。AMDの根 本要因 は、網 膜お よび網 膜上皮 細胞に 対する 主に青色光による光酸化
ス トレス によ る炎症 である と考え られて いる 。網膜中心窩にはカロテノイドを含む黄斑色素があり 、青色光の吸収効果や抗酸化作用によって網膜上皮細胞下の炎症を防止する。この黄斑色素のカロ テノイ ドが 、ルテ イン、 ゼアキ サンチ ンに よって 構成さ れてい る。 AM
D発症者と健常者を比較す ると、 優位 にAMD発症者 のカロ テノイ ド色 素密度 が低い 。この ことか ら、カロテノイドの黄斑色 素密度 と、 A
MDの 発生に 強い相 関があ ると 考えら れてい る。そ のため 、黄斑色素密度の非侵襲計 測は、 A
MDの 将来 の発症 リスク の把握 を可 能にす ること から期 待され ているものの、現時点では 実現し てい をい。 A
MDの 根本的 を治療 技術 が確立 されて いない 現状で は、黄斑色素の分布や濃度 を可視 化す るニー ズは、 臨床の 現場か らも 極めて 高い。
(3)現在 の技術 と課 題
現 時点で、眼底を非侵襲計測する方法として、光トポグラフイー，オプティカルコヒーレンストモ
グ ラフイ ー(OCT)、眼 底造影 検査、 眼底 自発螢 光法を どがあ る。 ただし 、これ らはAMD発症 後の病 変構造を可視化するためのものであって、病変が発生以前のルテイン・ゼアキサンチンの成分密度 を計測するものではをい。黄斑色素密度を直接計測する方法には、吸収分光、螢光分光、共鳴ラマ ン分光 、CARS
分 光分等 によ る方法 がある 。その うち 螢光計 測は、 網膜上 皮細胞 上の りポフス
チ ンの自発螢光を測定しているものであり、網膜視神経細胞に存在するルテイン・ゼアキサンチンスチンの自発螢光イドの吸収帯と重をっ ており 、さらに、リポフスチンの吸収および自発螢光量は、ルテイン・ゼアキサンチンよりも多い ため、 直接眼底に光を照射する方法では、リポフスチンの吸収、螢光によって妨げられ計測す
るこ とがで きをい。をお、リポフスチンの分布する網膜上皮細胞は、眼の表面に対しては、ルテイン、 ゼアキ サンチンの存在する網膜神経細胞よりも下層にあることを利用して、現在では、リポフ
スチ ンの自 発螢光量からこれらの密度を間接的に類推する方法がとられている。しかし謡がら、リポフ スチン は、その量や分布に個人差が大きく、加齢によって増加する物質であり網膜上皮細胞上にお いて密 度も一定では教い。それに加え、吸収、螢光の波長領域も重複し、かっその量がカロテノ イ ド に 対 し て 大 き い た め 、 正 確 を ルテ イ ン ・ ゼア キ サ ン チン は 類 推 でき を い 。
また 、最近 の研究ではルテインとゼアキサンチンの網膜細胞上での密度分布が異をることが分かって お り、機 能面で も異顔 るこ とが分 かって いるた め、直 接計 測によ る分離 分析が 求め られる 。
(4)検討アプローチ
この ようを 背景を踏まえて、本研究では事例研究により一般化したフレームワークを用いて、上部層、 対象層 、下部層と論点を整理した上で抽出し、それぞれに対して、光学的（光学原理の適用の選択）、工学的（計測系の設計と制御）、情報学的（多変量解析方法のスペクトル分析への展開）を方法を 検証し 、ルテイン、ゼアキサンチンの生体内での非侵襲計測に向けた検討を行った。具体的には、 波長可 変レーザーを用いた螢光分光法を用いて、ルテイン‐ゼアキサンチンの分離・定量計測をス ペクト ルと多変量解析により実施した。さらに共焦点レーザー系と組み合わせることで深さ方向の 構造と 成分の計測と補正を行い下部層のりポフスチンの影響を受けをいことを狙った計測システムを構築した。
(5)
実験結果
視神 経細胞 を単 離した 試料を 用いて 、視神 経細 胞の吸 収と螢光の特性を確認し、極大吸収波長と、 螢光量 の極大波長が確認できた。また、ルテインとゼアキサンチンの混合溶液から類推した存在比を、HPLCでの計預0結果と比較したところ、関連性を確認した（存在比、ルテイン：ゼアキサン
チン =
4.
06:5.
94、スベクトルからの類推比率3.
78:6.22)。さらに、共焦点レーザ―系を用いて、眼底の 構造を 計測した結果を用いて、螢光測定の位置を制御する方法により、眼底のルテイン、ゼアキサンチンのイメージングが可能であることを確認した
(6)
結論と議論
今回 の研究 では、加齢黄斑変性症を取り上げることで、生体深部の成分計測にアプローチするためのイ ンテグ レーションプロセスの有効性を確認した。また、その検討の結諭として、波長可変レーザー と共焦 点レーザ一系を統合することにより、生体内構造の計測結果を入力値として生体成分計測のシステムを制御することの有用性を確認できた。
今後 は、加 齢黄斑変性症の予防診断システムとして社会に上梓する上で必須と顔る測定波長の絞り込み をどを 情報科学の知見を取り入れることで分析を進め、サンプルを増やすことにより早期の実現を 目指す 。また、今回のインテグレーションモデルを、血糖値の非破壊計測をどに適用することで、モデルや手法の検証とブラッシュアップ行う。

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学位論文審査の要旨
主査
副査
副査
副査
副査

教授

鈴教授

栗特任教 授 古教授

小准 教授

川木 恵二
原 正仁
川 正志
野 哲雄
村 秀憲

学 位 論 文題 名A study of analytical methods fOrthepurpOSeof
quanti丘 CationandimagingofSubStanCelnViVO（ 生 体 深部 成 分の 定 量 ・イ メ ージ ン グ を目 的 とし た 分 析手法 に関する 研究）
本論文は、生体の深部成分の計測する方法のフレームワークを提示した上で、その具体的事例として波長可変レーザーを用いた光学的方法と吸収スベクトルを用いた回帰分析方法を用い、加齢黄斑変性症に因果関係があるとされているヒト眼底のカロテノイドの非侵襲成分計測とイメージング技術を提案している。それによルフレームワークの有効性と他の計測への応用可能性を明らかにしている
第1章、第2章では、生体深部の非侵襲計測が必要とされる社会的背景と、本研究の成果が目指す技術的を課題を明らかにすることに加え、生体深部の非侵襲計測の検討アプローチを一般化した枠組みを挙げ、本研究が立脚するフレームワークを提示している。
第3章では、第2章で一般化したフレームワークの具体的検討事例として加齢黄斑変性症の予防に向けて臨床現場からの技術開発が期待されているヒト眼底のカロテノイド計測を取り上げ、成分計測のアプローチとそれに基づく計測結果を示している。具体的には、上部層、対象層、下部層と論点を整理した上で抽出し、それぞれに対して、光学原理の適用の選択に関わる光学的方法、計測系の設計と制御に関わる工学的方法、および多変量解析方法のスペクトル分析への展開に関わる情報学的方法を検証し、ルテイン、ゼアキサンチンの生体内での非侵襲計測に向けた検討を行っている。具体的には、波長可変レーザーを用いて吸収分光法、螢光分光法、ラマン分光法、CARS分光法をそれぞれの特性に基づぃて検証し、定量手法として螢光分光法が適していることを示した。また、得られたスベクトルからルテインとゼアキサンチンの分離・定量計測をL
ambert‑beer貝IJを基にした回帰分析により計算しその存在比を示すことで、アプローチの有効性を確認している。
第4章では、測定対象構造の下層部のノイズの排除を目的として共焦点レーザー系を組み合わせることで深さ方向の構造と成分の計測，および補正を行い下部層のりポフスチンの影響を受けをい計測システムを提案し、ヒト眼底のルテイン，ゼアキサンチンのイメージングが可能であることを明らかにしている。
第5章では、第2章で提示した検討のアプローチの有効性を、ヒト眼底のルテイン、ゼアキサンチンの非侵襲計測、およびイメージングを具体例として検証することで、生体深部の成分計測にアプローチするためのインテグレーションプロセスとしてその有効性を確認した。また、その検討の結論として、波長可変レーザーと共焦点レーザー系を統合することにより、生体内構造の計測結果を―585―

入 力 値 と し て 生 体 成 分 計 測 の シ ス テ ム を 制 御 す る シ ス テ ム を 提 案 し て いる 。ま た 今後 の展 望 として 、 計 測 ス ベ ク ト ル の波 長 の絞 り込 み をど に多 変 量解 析手 法 を応 用す る こと で、 加 齢黄 斑変 性 症の予 防 診 断 シ ス テ ム と して 社 会に 上梓 す るこ とを 具 体的 目標 と して 挙げ て いる 。そ れ に加 え、 今 回の非 侵 襲 計 測 の イ ン テ グ レ ー シ ョ ン モ デ ル を 、 血 糖 値 の 他 の 生 体 の 非 侵 襲計 測を ど に適 用す る ことで 、 モ デ ル や 手 法 の 検 証 と プ ラ ッ シ ュ ア ッ プ を お こ を う 可 能 性 を提 示し てい る。
上 記 を 要 す る に 、 本 論 文 は 、 生 体 深 部 の 非 侵 襲 計 測 に 向 け た イ ン テ グ レー ショ ン に関 して 新 知見を 得 て お り 、 生 体 の 非侵 襲 成分 計測 お よび 複雑 系 工学 の発 展 に貢 献す る とこ ろ大 顔 るも のが あ る。
よ って 著者 は、 北 海道 大学 博士 （情 報 科学 ）の 学位 を 授与 され る資格があるも のと認める。

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