三林浩二 東京医科歯科大学
奥村直也 中部大学
下内章人 中部大学
近藤孝晴 中部大学
財津崇 東京医科歯科大学
川口陽子 東京医科歯科大学
宮下正夫 日本医科大学千葉北総病院
山田真吏奈 日本医科大学千葉北総病院
佐藤悠二 ㈱セント.シュガージャパン
木村那智 ソレイユ千種クリニック
魚住隆行 ㈱HIROTSUバイオサイエンス
広津崇亮 九州大学
梶山美明 順天堂大学
三浦芳樹 順天堂大学
藤村務 東北医科薬科大学
樋田豊明 愛知県がんセンター中央病院
高野浩一 大塚製薬㈱
品田佳世子 東京医科歯科大学
藤澤隆夫 三重病院
荒川貴博 東京医科歯科大学
當麻浩司 東京医科歯科大学
大桑哲男 名古屋工業大学
光野秀文 東京大学
櫻井健志 東京大学
神崎亮平 東京大学
都甲潔 九州大学
野崎裕二 東京工業大学
中本高道 東京工業大学
今村岳 物質・材料研究機構
柴弘太 物質・材料研究機構
吉川元起 物質・材料研究機構
林健司 九州大学
菅原徹 大阪大学
菅沼克昭 大阪大学
鈴木健吾 新コスモス電機㈱
山田祐樹 ㈱NTTドコモ
檜山聡 ㈱NTTドコモ
李丞祐 北九州市立大学
花井陽介 パナソニック㈱
沖明男 パナソニック㈱
下野健 パナソニック㈱
岡弘章 パナソニック㈱
壷井修 ㈱富士通研究所
西澤美幸 ㈱タニタ
佐野あゆみ ㈱タニタ
佐藤等 ㈱タニタ
池田四郎 ㈱ガステック
石井均 ㈲アルコシステム
H. Williamsらは1989年と2001年に癌の探知犬について、学術雑誌Lancetに論文発表を行っている。その後、2004年9月にCBSニュースにて"Dogs Can Smell Cancer"として報道がなされ、世界的な注目を集めた。日本においても「三大疾病の一つで死亡率の最も高い癌(悪性新生物)を探知できる犬がいる」、それも生体ガス(呼気)で可能であるとのことから、高い関心を持って報道された。生体ガスでの疾病スクリーニングの利点には「苦痛を伴わず、非侵襲にその場で評価できる」「ガス計測であることから、高度な医療機器も必要としない可能性がある」「計測技術の向上により超早期での診断も期待される」等が挙げられる。
実は「癌(悪性腫瘍)」に限らず、リウマチや糖尿病、フェニルケトン尿症、魚臭症候群などの疾病において、また健康な状態でも代謝状態に伴い、特異的な揮発性成分が発生することが知られており、その発生メカニズムも理解されているものも少なくない。一般に臨床検査の検体としては「血液、尿、便、痰、胸水、腹水、関節液、髄液、骨髄液」等が用いられるが、呼気等の生体ガスも一部、対象検体となりつつある。例えば、近年では「NOによる喘息診断」「尿素呼気試験によるピロリ検査」「アセトンによる脂肪代謝」「メチルメルカプタンによる病的な口臭診断」等と広がり、その有効性が認識されつつある。
他方、近年ではパーソナルIoT機器としてリストバンド型や眼鏡型、シャツ型などの「ウエアラブル機器」が関心を集め、次世代の医療・ヘルスケア機器としても期待されている。このウエアラブル機器においても「生体ガス」は計測対象として考えられ、研究開発が進んでいる。上述のように非侵襲にて簡便に計測でき、さらに皮膚ガスであれば連続的な評価が行える。すでに皮膚ガスによる有酸素運動での脂肪代謝・糖代謝の評価など、スポーツ医科学への展開が始まっている。
生体ガス診断の実現に不可欠な技術として「高感度なガスセンシング」が挙げられる。呼気や皮膚ガスを医療・ヘルスケアに応用するには「ppb(十億分率), ppt(一兆分率), ppq(千兆分率)レベルの感度」「対象成分だけを検出できる選択性(特異的な検出)」が必要である。多様な揮発性成分を含む生体ガス計測では、高いSN比(信号・ノイズの比率)が重要で、他の成分の影響を受けることなく、対象成分だけを低濃度まで検出・計測できる選択性が大切である。もちろん呼気などの高湿度な生体ガス計測では「湿度の影響を受けない性能」、また揮発性代謝物のように時間的な濃度変化が激しい生体ガスでは「連続計測能」、ウエアラブル計測では「小型化」「携帯性」「無拘束性」などの性能も求められる。
本書では、生体ガスによる医療診断・ヘルスケア応用を見据え、第Ⅰ編では「呼気ならびに皮膚ガスによる疾病・代謝診断」に関して、生体ガスによる疾病診断及びスクリーニングと今後の可能性、現在の呼気・皮膚ガスによる疾病・代謝診断について、また第Ⅱ編では「生体ガス計測のための高感度ガスセンシング技術」に関して、その計測技術の研究開発の状況、そして実際に製品化を目指したメーカー各社による研究開発の動向について、本領域の第一線で活躍されている研究者に、現在の研究内容とその将来展開をご紹介いただいている。本書が科学技術を通して、人の健康や将来の医療を考える方々へ有益な情報として提供できれば幸いである。
東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 三林浩二
【第Ⅰ編 呼気ならびに皮膚ガスによる疾病・代謝診断】
第1 章 生体ガスによる疾病診断及びスクリーニングと今後の可能性
1 疾病・代謝由来ガスの酵素触媒機能に基づく高感度計測
1.1 はじめに
1.2 薬物代謝酵素を用いた生化学式ガスセンサ(バイオスニファ)
1.2.1 魚臭症候群(遺伝疾患)の発症関連酵素を用いたトリメチルアミン用バイオスニファ
1.2.2 口臭成分メチルメルカプタン用の光ファイバー型バイオスニファ
1.3 脂質代謝・糖尿病のためのバイオスニファ
1.3.1 酵素の逆反応を用いたアセトンガス用バイオスニファ
1.3.2 イソプロパノール用バイオスニファ
1.4 アルコール代謝の呼気計測による評価
1.4.1 エタノールガス用バイオスニファ
1.4.2 アセトアルデヒドガス用バイオスニファ
1.4.3 飲酒後の呼気中エタノール&アセトアルデヒド計測
1.5 酵素触媒機能を用いた多様な生化学式ガスセンサ
1.5.1 加齢臭ノネナールのバイオセンシング
1.5.2 酵素阻害のメカニズムを利用したニコチンセンサ
1.5.3 酵素によるガス計測の特徴を生かした「デジタル無臭透かし」
1.6 おわりに
2 呼気分析の臨床的背景,呼気診断法の現状と課題
2.1 はじめに
2.2 呼気診断の歴史
2.3 呼気成分の由来
2.4 腸内発酵に伴う呼気水素
2.5 アセトンと脂質代謝
2.6 呼気アセトンと心不全
2.7 呼気採取法と保管法
2.8 随時呼気採取による呼気低分子化合物の検討
2.9 おわりに
3 口気・呼気診断による口臭治療
3.1 はじめに
3.2 口臭の主な原因物質とその生成機序
3.3 口臭測定法
3.3.1 口臭測定条件
3.3.2 口気と呼気の官能検査
3.3.3 測定機器による口臭検査
3.4 口臭症の国際分類
3.4.1 真性口臭症
3.4.2 仮性口臭症
3.4.3 口臭恐怖症
3.5 診断と治療のガイドライン
3.5.1 真性口臭症の診断と治療
3.5.2 仮性口臭症の診断と治療
3.5.3 口臭恐怖症の診断と治療
3.6 おわりに
4 がん探知犬
4.1 はじめに
4.2 がん探知犬に関する報告
4.3 研究方法と成果
4.4 がんが発するにおい物質
4.5 がん探知犬研究の将来
5 糖尿病アラート犬
5.1 糖尿病アラート犬とは
5.2 糖尿病アラーと犬の育成方法
5.3 糖尿病アラート犬の現状と問題点
5.4 糖尿病アラート犬の低血糖探知能力に関する検証
5.5 低血糖探知の科学的裏付け
5.6 CGMとの比較
5.7 CGMの時代における糖尿病アラート犬の意義
5.8 日本における糖尿病アラート犬の育成
5.9 揮発性有機化合物の低血糖モニタリングへの応用
6 線虫嗅覚を利用したがん検査
6.1 はじめに
6.2 がん検査の現状
6.3 がんには特有の匂いがある
6.4 嗅覚の優れた線虫
6.5 線虫はがんの匂いを識別する
6.6 線虫嗅覚を利用したがん検査N-NOSE
6.7 N-NOSE の精度
6.8 生物診断N-NOSE の特徴
6.9 今後の展望
第2 章 呼気・皮膚ガスによる疾病・代謝診断
1 食道がん患者の呼気に含まれる特定物質
1.1 はじめに
1.2 研究の目的
1.3 研究の方法
1.3.1 呼気の収集と吸着
1.3.2 ガスクロマトグラフィー・マススペクトロメトリー(GC/MS)
1.4 結果
1.5 考察
2 呼気肺がん検査
2.1 はじめに
2.2 呼気検査について
2.2.1 健常者の呼気
2.2.2 肺がん患者と健常者での呼気の違い
2.2.3 肺がんの呼気分析
2.2.4 呼気成分解析システムによる肺がん検出の試み
2.2.5 呼気からの遺伝子異常推定の試み
2.2.6 呼気凝縮液を用いた肺がんの遺伝子異常の検出
2.3 おわりに
3 ピロリ菌の測定:尿素呼気試験法
3.1 はじめに
3.2 H. pyloriの特徴
3.3 診断と治療
3.4 13C 尿素呼気試験法
3.5 測定原理
3.6 POCone の動作原理
3.7 測定原理
3.8 POCone®の現状
4 呼気中アセトンガスの計測意義
4.1 はじめに
4.2 呼気中にアセトンガスが生じるしくみ
4.3 病気ではなく,生活上の原因
4.3.1 過度なダイエット,糖質制限,飢餓状態
4.3.2 激しい運動
4.4 病気および代謝異常による原因
4.4.1 糖尿病
4.4.2 糖尿病性ケトアシドーシス
4.4.3 高脂肪質食症,肝機能障害・肝硬変,高ケトン血症をきたす疾患・症状など
4.4.4 子供の周期性嘔吐症・自家中毒・アセトン血性嘔吐症
4.5 呼気中アセトンガスの計測意義と測定について
5 呼気診断による喘息管理
5.1 はじめに
5.2 喘息の病態と呼気診断
5.3 一酸化窒素:NO
5.3.1 NO産生のメカニズム
5.3.2 呼気NOの測定方法
5.3.3 喘息の診断における呼気NO測定
5.3.4 喘息治療管理における呼気NO測定
5.4 硫化水素:H2S
5.5 一酸化炭素:CO
5.6 おわりに
6 呼気アセトン用バイオスニファ(ガスセンサ)による脂質代謝評価
6.1 はじめに
6.2 アセトンガス用の光ファイバ型バイオスニファ
6.2.1 光ファイバ型バイオスニファの作製
6.2.2 アセトンガス用バイオスニファの特性評価
6.3 運動負荷における呼気中アセトン濃度の計測
6.3.1 バイオスニファを用いた運動負荷における呼気中アセトン濃度の計測方法
6.3.2 運動負荷に伴う呼気中アセトン濃度の経時変化
6.4 まとめと今後の展望
7 皮膚一酸化窒素の計測
7.1 はじめに
7.2 一酸化窒素(NO)の生理的機能
7.2.1 血管拡張のメカニズム
7.3 NO 測定方法
7.3.1 皮膚ガスの特徴
7.4 ヒトの皮膚ガス採取方法
7.5 ラットの皮膚ガス採取方法
7.6 糖尿病・肥満と皮膚ガスNO 濃度
7.7 運動・低酸素環境と皮膚ガスNO 濃度
7.8 おわりに
【第Ⅱ編 生体ガス計測のための高感度ガスセンシング技術】
第1 章 計測技術の開発
1 昆虫の嗅覚受容体を活用した高感度匂いセンシング技術
1.1 はじめに
1.2 昆虫の嗅覚受容体の特徴
1.3 「匂いセンサ細胞」によるセンシング技術
1.3.1 性フェロモン受容体を用いた「匂いセンサ細胞」の原理検証
1.3.2 一般臭検出素子の開発
1.3.3 細胞パターニングによる匂い識別技術
1.4 「匂いセンサ昆虫」によるセンシング技術
1.5 おわりに
2 抗原抗体反応やAI を用いたガスセンシング
2.1 はじめに
2.2 超高感度匂いセンサ
2.3 AI を用いた匂いセンサ
2.4 展望
3 呼気・皮膚ガスのための可視化計測システム(探嗅カメラ)
3.1 はじめに
3.2 酵素を利用した生体ガスの高感度センシング
3.3 生体ガス中エタノール用の可視化計測システム「探嗅カメラ」
3.3.1 エタノールガス用探嗅カメラ
3.3.2 呼気・皮膚ガス中エタノールの可視化計測とアルコール代謝能の評価応用
3.4 おわりに
4 機械学習を用いた匂い印象の予測
4.1 はじめに
4.2 匂いの印象予測の原理
4.3 計算機実験の準備
4.4 深層ニューラルネットワークによる匂い印象予測
4.5 オートエンコーダによる次元圧縮
4.6 予測モデルの訓練
4.7 次元圧縮手法の比較
4.8 ニューラルネットワークの印象予測精度
4.9 研究の今後の展望
5 超小型・高感度センサ素子MSS を用いた嗅覚センサシステムの総合的研究開発
5.1 はじめに
5.2 膜型表面応力センサ(MSS)
5.3 MSS を用いた呼気診断
5.4 感応膜の開発
5.5 ニオイの評価法
5.6 おわりに
6 匂いの可視化システム
6.1 はじめに
6.2 匂いの可視化センシング
6.2.1 匂いの質の可視化:匂いコードセンサと匂いクラスタマップ
6.2.2 生体由来の匂いと匂い型に基づく人の識別
6.3 匂いの可視化とイメージセンシング
6.3.1 匂いイメージセンサ
6.3.2 匂い可視化例
6.4 匂いセンサのハイパー化
6.5 おわりに
7 ヘルスケアを目的とした揮発性有機化合物(VOC)を検出するナノ構造のガスセンサ素子
7.1 はじめに
7.2 酸化モリブデンとナノ構造の基板成長
7.3 ガスセンサ素子の作製とセンサ特性
7.4 まとめ
8 口臭測定器 ブレストロンⅡ-高感度VSC センサによる呼気中VSC 検出機構と活用事例-
8.1 はじめに
8.2 口臭測定器に要求される性能
8.3 ブレストロンⅡの検出メカニズム
8.4 高感度VSC センサの構造と検出原理
8.5 高感度VSC センサの感度特性
8.6 ブレストロンⅡを用いた性能評価(測定条件の影響)
8.7 ガスクロによる計測結果との相関
8.8 使用上の注意点
8.9 ブレストロンの活用事例
9 生体ガス計測におけるドコモの取り組み
9.1 はじめに
9.2 呼気計測装置の開発とセルフ健康検査への応用
9.3 皮膚ガス計測装置の開発と健康管理への応用
9.4 おわりに
10 呼気中アンモニアの即時検知を目指した水晶振動子ガスセンサシステムの開発
10.1 はじめに
10.2 水晶発振子の原理および検知膜の製膜過程の追跡
10.3 湿度およびアンモニアに対する応答特性の評価
10.4 呼気中のアンモニアガス検知
10.5 おわりに
第2 章 メーカーによる研究開発の動向
1 肺がん診断装置の開発
1.1 はじめに
1.2 肺がんバイオマーカーとその測定技術
1.2.1 肺がんバイオマーカー
1.2.2 揮発性肺がんバイオマーカー
1.2.3 揮発性肺がんマーカーの測定技術
1.3 呼気肺がん診断システムの開発
1.3.1 呼気濃縮技術の開発
1.3.2 呼気診断センサチップの開発
1.3.3 呼気診断センサチップ測定装置の開発
1.4 おわりに
2 アンモニア成分の測定技術と携帯型呼気センサーの開発
2.1 はじめに
2.2 呼気分析に高まる期待
2.3 新しいアンモニア検知材料CuBr
2.4 高感度・高選択なセンサーデバイス
2.5 手軽で迅速な呼気センサーシステム
2.6 呼気中アンモニア濃度のサンプリング測定
2.7 ガス選択性と呼気分析の新たな応用
2.8 おわりに
3 脂肪燃焼評価装置
3.1 はじめに
3.2 直接熱量測定による消費エネルギー評価
3.3 これまで研究されてきた「脂肪燃焼評価法」
3.4 呼気アセトン濃度分析による脂肪燃焼評価法
3.5 脂肪燃焼評価における今後の展望
3.6 おわりに
4 見えない疲労の見える化 ～パッシブインジケータ法を用いた皮膚ガス測定～
4.1 働き方と疲労
4.2 パッシブインジケータの開発
4.2.1 パッシブインジケータ
4.2.2 皮膚ガスとは
4.2.3 皮膚アンモニア
4.2.4 皮膚アンモニアの測定法
4.3 パッシブインジケータの仕組み
4.3.1 構造
4.3.2 比色認識の原理
4.3.3 使い方
4.4 アプリケーション例
4.4.1 製造業における現場作業者とデスクワーカー(日内変動)
4.4.2 介護施設における介護職従業員(週内変動)
4.4.3 公立中学校における教員(週内変動)
4.5 今後の展望
5 生体ガス分析用質量分析装置
5.1 はじめに
5.2 生体ガス分析用質量分析装置
5.2.1 装置の概要と原理
5.2.2 生体ガス濃度分析における質量分析計の利点
5.3 ガス気量(換気量)の計測
5.4 生体ガス分析におけるガス濃度の意味と留意点
5.5 生体ガス気量(換気量)の表示法
5.6 酸素消費量や二酸化炭素排出量などのガス出納量の算出法
5.7 ガス分析と気量計測とのラグタイム補正
5.8 ガスサンプリングの手法
5.8.1 マルチサンプリング
5.8.2 膜透過サンプリング
5.9 生体ガス分析の応用例
5.9.1 人の呼気ガス分析
5.9.2 微生物・細胞培養排ガス分析
5.9.3 動物の呼気ガス分析
5.9.4 13CO2/12CO2 安定同位体ガス分析
