集束超音波を用いた診断

FUSの応用例の一つに、神経膠腫 の診断があります。脳は繊細な環境であるため、開放生検や定位生検は必ずしも可能ではなく、さらなる損傷のリスクなしに膠芽腫（GBM）を検出するために非侵襲的な生検方法が求められています。FUS、特にMRI誘導FUSをマイクロバブルと組み合わせて使用​​することは、これらの患者の診断方法を向上させるために研究されています。^{[ 1 ]}

マイクロバブル（MB）は、通常ポリマーまたは脂質でできたガス充填膜であり、超音波と組み合わせると、周囲の組織に大きな影響を与えることなく血液脳関門（BBB）の開口を誘発することができます。研究によると、マイクロバブルまたはMRIと組み合わせると、FUSは血液脳関門（BBB）を局所的に調節するために使用でき、これは正確な膠芽腫バイオマーカーの検出と脳への薬物送達の主な障害となっています。^{[ 1 ]}超音波パルスにさらされると、マイクロバブルはソニケーションと呼ばれるプロセスでサイズが振動し、低強度のFUSにさらされると、脳が一時的に薬物を受け入れたり、血液中にバイオマーカーを放出したりできるようになります。^{[ 2 ] [ 3 ]}

超音波を用いて血液脳関門の破壊を促進する方法は、霊長類を含む動物実験で検証されている。研究は、このツールを膠芽腫の治療改善に利用することに焦点を当てており、マイクロバブル強化集束超音波（MB-FUS）システムは、診断だけでなく薬剤送達にも使用できることが研究で指摘されている。 ^{[ 1 ] [ 4 ]}

液体生検は、血液中の腫瘍バイオマーカーを調べることで腫瘍を検出する非侵襲的な方法の 1 つです。しかし、血液脳関門 (BBB) のため、GBM 腫瘍バイオマーカーは検出可能なレベルで血液中に入ることができません。研究者らは、液体生検 (ソノバイオプシー) で膠芽腫の検出を強化するために FUS とマイクロバブルを使用することを目指してきました。^{[ 1 ] [ 4 ]}ある技術では、マイクロバブルの MRI 誘導 FUS超音波処理を使用してBBB の透過性を高め、GBM 腫瘍バイオマーカー ( EGFRvIIIおよび TERT C228T) が BBB を通過して血漿中に入るようにします。これにより、BBB を開放した後の液体生検により、マウスおよびブタモデルで脳腫瘍を非常に高感度に検出することが可能になりました。ソノバイオプシーは、マウスで EGFRvIII および TERT C228T の検出をそれぞれ 9 倍および 3 倍に強化しました。彼らが開発したブタGBMモデルでは、EGFRvIIIおよびTERT C228Tバイオマーカーの検出率はそれぞれ100%および71.43%に増加した。この研究では、超音波生検による脳への有意なオフターゲット効果は報告されていない。^{[ 4 ]}

これらの技術で使用されるマイクロバブル（MB）の振動は、MBの崩壊を防ぐために、患者の頭部に二次フィードバックトランスデューサまたはイメージングプローブを使用することで制御できます。低周波数は200  kHz、高周波数は650  kHzに相当します。^{[ 5 ]} INSIGHTECなどのいくつかのモデルが臨床で使用されています。BBBの開閉は、それぞれFUSパルス長を減少および増加させることで制御できます。FUSを介したBBB開口の使用の制限の1つは、脳の神経可塑性に対する潜在的な悪影響ですが、ほとんどの研究では実質組織への影響は報告されていません。^{[ 5 ]}

生体内診断の別の分野では、非侵襲的な血液サンプリングに集束超音波が使用されています。ある研究では、流れの中で高強度集束超音波（HIFU）を用いて粒子サイズを検出する「ソノサイトメトリー」装置が開発されました。 超音波トランスデューサの中心周波数30 MHzを使用して、超音波後方散乱信号を用いて血流中の粒子の直径を測定できます。^{[ 6 ]}超音波後方散乱は、音響インピーダンスの変動を利用して粒子と媒体を区別します。^{[ 7 ]}このような装置は、貧血、白血病、その他の血液関連疾患に影響を与えることが期待されています。^{[ 6 ]}

光音響（PA）フローサイトグラフィーを用いた生体内システムは、マウスモデルにおいて、そのような患者の血流中の異常なメラノーマ細胞を検出すると同時に、結合レーザーが熱アブレーションによってその場で細胞を除去することを目的としている。単一およびクラスター状のメラノーマ細胞は、1064 nmで高い赤色から近赤外吸収スペクトルを示すため 、高感度PAイメージングを用いて区別することができる。^{[ 8 ]}

生体内サイトメトリーへのFUSの使用は、ヒトにも適用されています。例えば、あるグループは、メラノーマ患者と健常者のラベルフリー循環腫瘍細胞（CTC）を検出するために集束超音波を使用する生体内サイトメトリー技術であるCytophoneを開発しました。このシステムは動物実験を通過し、ヒトにも使用されています。^{[ 9 ]}この技術は、メラノーマスクリーニングのために血液中のCTCを検出するために音響信号を増幅できる蒸気ナノバブルを使用します。皮膚上のCTCに当たる1060 nmレーザーパルスによって発生する光音響（PA）波は、中性赤血球の読み取りと比較してPA信号にピークを生成し、他の正常な血液成分に対しては負の信号を生成します。Cytophone技術は、血液1リットルあたり1個のCTCを検出でき、28人の患者のうち27人を正しく診断することができ、これは一般的に既存の方法よりも正確であると考えられています。^{[ 9 ]} 

これらの光音響フローサイトメトリー（PAFC）システムは、FUSと組み合わせることで、さまざまな環境で非侵襲的な血液検査を可能にすることを目的として研究されています。たとえば、このようなデバイスの応用例の1つは、どのような腫瘍操作方法が血流中のCTCを増加させるかを判断することであり^{[ 10 ]、}それによって外科的介入技術を向上させるために使用できる情報が得られます。別の応用例では、光音響と超音波を組み合わせたシステムを使用して、マウスモデルでメラノーマファントムを検出するために、生体内で高解像度で腫瘍血管新生を検出しました^{[ 11 ] 。}

あるいは、音響流体工学、すなわち低波長で流れの中で粒子を操作するためにFUSを使用する方法は、診断用途で細胞やさまざまな粒子を分離するために使用されてきました。FUSはさらに、超高調波超音波を使用してイメージングに使用できます。^{[ 12 ]}その一例は音響血管造影で、この技術で高解像度を達成するためにFUSが使用されます。^{[ 13 ]}同様の研究では、標的マイクロバブルと超高調波信号を使用して、微小血管系と分子イメージングの高解像度3D画像を生成します。^{[ 14 ]}この生体内イメージング技術により、ラットモデルで線維肉腫の診断が可能になりました。 ^{[ 14 ]}

マイクロバブルやナノバブルには、例えば腫瘍環境における血管新生、炎症、前立腺癌の境界などを検出できるように、さまざまな分子を結合させることもできます。^{[ 15 ]}パッシブターゲティングでは、マイクロバブルの組成を調整して特定の組織や細胞への組み込みを可能にする一方、アクティブターゲティングでは、MBにターゲティング分子を共有結合で付加するか、ストレプト（アビジン）-ビオチンクリックケミストリーを使用します。また、非ターゲティングでルーチンイメージングに使用することもできます。^{[ 15 ]}

マイクロバブルは、超音波画像診断を用いて標的化されたマイクロバブルを介して腫瘍の位置を特定し、マイクロバブルを破壊してその場で治療薬を放出するセラノスティクスとしても機能します。分子マーカーVEGFR2およびαvβ3インテグリンを持つマイクロバブルは、腫瘍血管特異的受容体に付着することで癌を検出する多くの前臨床試験で使用されています。膵臓癌、卵巣癌、扁平上皮癌などの癌では、標的化されたマイクロバブルが、マイクロバブルの蓄積と超音波強度の検出によって血管新生と細胞毒性を評価するために成功裏に使用されています。標的化された分子超音波は、プラークを標的としたマイクロバブルによってプラークの蓄積の強度とそこからのアテローム性動脈硬化の重症度が決定されるアテローム性動脈硬化症患者の炎症などの非癌性アプリケーションにも使用できます。^{[ 15 ]}