生体内磁気共鳴分光法

生体内磁気共鳴分光法（MRS ）は、磁気共鳴画像法（MRI）に関連する特殊な技術である。^{[ 1 ] [ 2 ]}

磁気共鳴分光法（MRS）、別名核磁気共鳴（NMR）分光法は、非侵襲的で電離放射線を使用しない分析技術であり、脳腫瘍、脳卒中、てんかん、アルツハイマー病、うつ病、および脳に影響を与えるその他の疾患における代謝変化の研究に使用されてきました。また、筋肉などの他の臓器の代謝の研究にも使用されています。筋肉の場合、NMRは筋細胞内脂質含有量（IMCL）を測定するために使用されます。^{[ 3 ]}

磁気共鳴分光法は、組織の特性評価において、より一般的な磁気共鳴画像法（MRI）を補完するために使用できる分析技術です。どちらの技術も通常、水素プロトンからの信号を取得します（炭素、窒素、リンなどの他の内因性原子核も使用されます）が、MRIは主に水と脂肪中に存在するプロトンからの信号を取得します。これらのプロトンは、MRSで検出される分子よりも約1000倍多く存在します。そのため、MRIは利用可能なより大きな信号を使用して非常に鮮明な2D画像を生成することが多いのに対し、MRSは多くの場合、「ボクセル」と呼ばれる単一の局所領域からの信号のみを取得します。MRSは、代謝における役割から「代謝物」と呼ばれることが多いさまざまな生化学物質の相対濃度と物理的特性を決定するために使用できます。

MRSスキャンの取得方法はMRIと非常によく似ていますが、データ取得の前にいくつかの追加手順があります。これらの手順には以下が含まれます。

1. 磁場シミング：この手順は、x、y、z方向の異なるパルスを調整することで、磁場の不均一性を補正するために行われます。この手順は通常自動化されていますが、手動で行うことも可能です。
2. 水信号の抑制：水分子は水素を含み、代謝物に対する水の相対濃度は約10,000:1であるため、水信号はしばしば抑制され、そうでなければスペクトルで代謝物のピークが識別できなくなります。これは、水抑制パルスを追加することによって実現されます。最近の進歩により、水抑制なしでプロトンMRSが可能になりました。^{[ 4 ]}
3. 分光分析手法の選択：特定の実験においては、測定計画を綿密に立てることが重要です。
   1. シングルボクセル分光法（SVS）：最小空間分解能は約1cm3で 、^取得体積が小さいためシミングが容易でボクセル外からの不要な信号が少なく、不要なアーティファクトのない最もクリーンなスペクトルが得られます。
   2. 磁気共鳴分光イメージング（MRSI）：2次元（または3次元）MRS技術であり、2つまたは3つの位相エンコード方向を使用してスペクトルの2次元または3次元マップを作成します。この技術の欠点は、2つまたは3つの位相エンコード方向があるためスキャン時間が長くなること、取得ボリュームが大きいため、シミングの不備、抑制されていない水、およびk空間の有限サンプリングによる固有のsinc点広がり関数によって、1つのボクセルからの信号が他のすべてのボクセルに漏れ込むため、アーチファクトが発生しやすくなることです。

データ取得中、スキャンはスペクトルの形で生データを取得します。スペクトルの意味のある理解を得るには、この生データを定量化する必要があります。この定量化は線形結合によって行われます。^{[ 5 ]}線形結合には、基底セットと呼ばれる基礎となるスペクトル形状の知識が必要です。基底セットは、数値シミュレーションまたはファントムでの実験的測定によって取得されます。基底セットを数値的にシミュレートするためのパッケージは多数あり、MARSS ^{[ 6 ]} 、 FID-A ^{[ 7 ] 、GAMMA、VESPA、Spinach [ 8 ]}などが含まれます。基底セットを使用すると、生データをさまざまな化学種の測定濃度として定量化できます。これにはソフトウェアが使用されます。LCModelは、この分野の歴史のほとんどにおいて標準的なソフトウェア定量化パッケージでしたが、現在は積極的に開発されていません。定量化のためのその他の一般的なパッケージには、AMARES、AQSES、Gannet、INSPECTOR、jMRUI、Osprey、TARQUINなどがあります。^{[ 5 ]}

線形結合以前は、ピーク抽出がデータ定量化に使用されていました。しかし、これはもはや一般的ではなく、推奨もされていません。^{[ 5 ]}ピーク抽出は、信号の下の面積を積分する手法です。一見単純そうに見えますが、この手法にはいくつかの問題があります。主な問題は、使用される個々のローレンツ形状が、J結合代謝物のスペクトル形状の複雑さに合うようにスケールアップせず、重なり合うピークを識別するには単純すぎることです。^{[ 5 ]}また、重要なことに、ローレンツ線形形状は長い裾を持っています。

MRIと同様に、MRSはパルスシーケンスを使用して複数の異なる分子から信号を取得し、画像ではなくスペクトルを生成します。MRSでは、STEAM（Stimulated Echo Acquisition Method）とPRESS（Point Resolved Spectroscopy）の2つの主要なパルスシーケンス技術が使用されています。利点としては、STEAMはT2が短くSARが低い代謝物のイメージングに最適であり、PRESSはSTEAMよりもSNRが高いです。STEAMとPRESSは、主要なMRスキャナメーカーに実装されているため、最も広く使用されています。STEAMとPRESS以外にも、断熱パルスを利用するシーケンスがあります。断熱パルスは、B1不均一性が極端であっても均一なフリップ角を生成します_。したがって、これらのシーケンスにより、RFコイルとサンプリング対象物において、求められるB1不感性とオフ共鳴を実現する励起が可能になり_ます。具体的には、断熱パルスは、表面送信コイルの使用や通常のパルスの使用によって生じる異なる B _{1磁束パターンに起因する信号ドロップアウトの問題を解決します。} ^{[ 9 ]}断熱パルスは、励起用の RF ピーク電力の制約や組織の加熱の低減にも役立ちます。さらに、断熱パルスは帯域幅が大幅に広いため、化学シフト変位アーチファクトが低減されます。これは、高磁場強度の場合や、広範囲の周波数を測定したい場合（例えば、プロトン MRS で水のアップフィールドとダウンフィールドの両方の信号を測定する場合）に特に重要です。

MRSは、医師や研究者が非侵襲的な方法（生検の必要なく）で人体組織に関する生化学的情報を得ることを可能にする一方、MRIは体の構造（水分と脂肪の分布）に関する情報しか提供しない。^{[ 15 ]}

例えば、MRIは癌の診断に役立てることができますが、MRSは腫瘍の悪性度に関する情報を得るのに役立つ可能性があります。^{[ 16 ]}さらに、多くの病理は診断画像上で類似して見えるため（放射線誘発性壊死や放射線療法後の再発腫瘍など）、将来的にはMRSは類似した予後を区別するのに役立つ可能性があります。

MRS装置は（ラジオ受信機のように）体内の様々な原子核からの信号を検出するように調整できる。研究対象となる最も一般的な原子核は、陽子（水素）、リン、炭素、ナトリウム、フッ素である。

研究対象となる生化学物質（代謝産物）の種類には、コリン含有化合物（細胞膜の構成要素）、クレアチン（エネルギー代謝に関わる化学物質）、イノシトールとグルコース（いずれも糖類）、N-アセチルアスパラギン酸、そして一部の腫瘍で濃度が上昇するアラニンと乳酸などがある。

現在、MRSは主に科学者（例えば、医療物理学者や生化学者）が医学研究プロジェクトのためのツールとして使用されていますが、特にIDH1およびIDH2変異型神経膠腫にのみ存在するα-ヒドロキシグルタル酸の濃度を調べるために使用できることが発見されたことで、医師に有用な臨床情報を提供する能力も明らかになりつつあります。この発見は、処方された治療計画を変更することにつながります。

MRSは現在、人体の多くの疾患の調査に使用されており、特に癌（脳、乳房、前立腺）、てんかん、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン舞踏病などが挙げられます。MRSは下垂体結核の診断にも使用されています。^{[ 17 ]}

前立腺がん：磁気共鳴画像法（MRI）と組み合わせ、同等の結果が得られる場合、3次元MRSは前立腺組織の悪性変性の発生率を約90％で予測できます。両方の方法を組み合わせることで、前立腺の生検や治療の計画、および治療の成功のモニタリングに役立つ可能性があります。^{[ 18 ]}

下図は、MRI脳スキャン画像（軸方向断面、つまり頭部を前後左右にスライスした画像）で、右下に脳腫瘍（髄膜腫）が写っています。赤い枠は、MRSによって化学情報が得られた関心領域（5mm厚のMRIスキャン画像 と交差すると正方形になる、一辺2cmの立方体）を示しています。 

それぞれの生化学物質、すなわち代謝物は、スペクトル中に既知の周波数で現れる異なるピークを持ちます。アミノ酸アラニンに対応するピークは赤色で強調表示されています（1.4 ppm）。これは、医師が診断を下す際に役立つ生化学的情報の一例です。その他注目すべき代謝物としては、コリン（3.2 ppm）とクレアチン（3.0 ppm）があります。

^¹H磁気共鳴分光法では、各プロトンは、その化学環境に応じて特定の化学シフト（x軸に沿ったピーク位置）で可視化できます。この化学シフトは、分子内の隣接するプロトンによって決定されます。したがって、代謝物は、固有の¹H化学シフトのセットによって特徴付けられます^。MRSで検出される代謝物は、以前にNMRスペクトルで同定された既知の（^¹H）化学シフトを持っています。これらの代謝物には以下が含まれます。

1. N-アセチルアスパラギン酸（NAA）：主要な共鳴ピークは2.02 ppmにあり、NAAレベルの低下は、脳への様々な種類の障害によって引き起こされる神経組織の喪失または損傷を示します。正常な状態でのNAAの存在は、神経細胞および軸索の健全性を示します。
2. コリン：3.2 ppmに主要なピークを持つコリンは、細胞膜のターンオーバー、すなわち細胞分裂の増加と関連していることが知られています。コリンの増加は、細胞産生の増加または細胞膜の破壊を示し、脱髄や悪性腫瘍の存在を示唆する可能性があります。
3. クレアチンとホスホクレアチン：クレアチンは3.0 ppm付近に主要なピークを示し、脳のエネルギー代謝を象徴します。クレアチンが他の主要代謝物とともに徐々に減少することは、疾患、外傷、または血流不足による組織死または主要な細胞死を示唆します。クレアチン濃度の上昇は、頭蓋脳外傷に対する反応である可能性があります。クレアチンの欠如は、まれな先天性疾患を示唆する場合があります。
4. 脂質：主要な脂肪族ピークは0.9～1.5 ppmの範囲にあり、脂質の増加は壊死の兆候でもあります。脂質は脳だけでなく、頭皮の脂肪や頭皮と頭蓋骨の間の領域など、他の生体組織にも存在するため、これらのスペクトルは容易に汚染されます。
5. 乳酸：AX3システムであり、1.31 ppm付近を中心とする二重線（対称な2つのピーク）と、4.10 ppm付近を中心とする四重線（相対ピーク高さが1:2:2:1の4つのピーク）を生じます。1.31 ppmの二重線は通常定量化されますが、四重線は水の飽和によって抑制されたり、残留水によって隠されたりする可能性があるためです。健康な被験者では、乳酸の濃度がMRSの検出限界よりも低いため、乳酸は検出されません。しかし、このピークの存在は、酸素欠乏環境で解糖が開始されたことを示しています。その原因としては、虚血、低酸素症、ミトコンドリア障害、および一部の腫瘍などが挙げられます。
6. ミオイノシトール：3.56 ppmに主要なピークを持つミオイノシトールの増加は、アルツハイマー病、認知症、およびHIV患者で障害されていることがわかっています。
7. グルタミン酸とグルタミン：これらのアミノ酸は、2.2～2.4 ppmの間に一連の共鳴ピークを示します。高アンモニア血症や肝性脳症は、グルタミンとグルタミン酸の濃度上昇を引き起こす主な疾患です。MRSは、MRIなどの画像診断法と併用することで、これらの代謝物の濃度変化、あるいは著しく異常な濃度を検出するために使用できます。
8. GABAは主に約3.0 ppm付近のピークから検出できますが、クレアチンは3.0 ppm付近にGABAの約20倍の振幅を持つ強い一重線ピークを示すため、 GABAを正確に定量するにはJ結合を利用した手法を用いる必要があります。このための最も一般的な手法は、J差分編集（MEGA）またはJ分解（JPRESSで使用されている手法）です。
9. グルタチオンも3.0 ppmのピークから検出できますが、GABAと同様に、重なり合うクレアチン信号を除去するためにJ結合を利用する方法を使用する必要があります。

MRSの主な限界は、代謝物の濃度が水に比べて低いため、得られる信号が弱いことである。そのため、時間分解能と空間分解能が本質的に低い。しかしながら、生体内で代謝を非侵襲的に定量化できる代替技術は存在しないため、MRSは研究者や臨床医にとって依然として貴重なツールである。

さらに、シミング^{[ 21 ]}、モーション補正^{[ 22 ]} 、スペクトル編集[ ²³ ]、分光神経イメージング[24]、^{その他の高度}な取得方法[25]、データ処理と定量化[26]、脳への応用[27]、骨格筋へのプロトン分光法の応用[28]、骨格筋へのリンの応用[29]、方法の説明[30]、結果の報告[31]、その他の考慮^事項などの^{方法論の詳細に関する国際}的な専門家の合意に向けた^{最近の努力}にも^{かかわらず、}現在^公開されて^{いる生体内磁気共鳴分光}法の実装は、さまざまな個別化された取得、処理、定量化、および報告技術を示す文献に集約されています。^{[ 32 ]}この状況は、例えば多発性硬化症などの疾患に対する生体内プロトン磁気共鳴分光法の感度と特異性の低下につながり、診断などの臨床的に有益な閾値を下回り続ける可能性がある。^{[ 32 ]}

³¹リンの磁気共鳴分光法

^1H MRSの臨床的成功は、31P MRSに匹敵するほどである^。これは主に、リンNMRの比較的高い感度（プロトンの7%）と100%の天然存在比によるものである。^{[ 19 ] : 90-93} その結果、高品質のスペクトルを数分以内に取得できる。生体内リン酸の化学シフト分散が比較的大きい（約30 ppm）ため、低磁場強度でも優れたスペクトル分解能が得られる。臨床的には、リンNMRは組織エネルギー代謝において重要な役割を果たすすべての代謝物を検出でき、間接的に細胞内pHを推定できるため優れている。しかし、リンNMRの主な課題は、検出できる代謝物の数が限られていることである。^{[ 19 ] : 90-93}

¹³炭素磁気共鳴分光法

リンNMRとは対照的に、炭素NMRは感度の低い手法です。これは、^13C NMRの存在量が低い（1.1%）ことと、炭素の磁気回転比が低いことに起因します。^{[ 19 ] : 93–96}この存在量の低さは、12Cが磁気モーメントを持たないため^NMR活性を示さず、分光法に^13Cが使用される理由です。しかし、この低い感度は、デカップリング、平均化、偏極移動、およびより大きな体積によって改善できます。^{[ 19 ] : 93–96 13C}の自然存在量と感度が低いにもかかわらず、^13C MRSは、特にグリコーゲンとトリグリセリドなどのいくつかの代謝物を研究するために使用されてきました。^{[ 19 ] : 93–96これは、 13C}標識された前駆体からの代謝フラックスに関する洞察を提供するのに特に役立つことが証明されています。 ^{[ 19 ] : 93–96 1} H MRS と¹³ C MRS で得られるスペクトルには大きな重複があり、 ¹ H MRS の高感度と相まって、^{13 C MRS が1} H MRSほど広く応用されてこなかった大きな理由となっています。ハイパー偏極炭素 13 MRIも参照してください。

²³ナトリウム磁気共鳴分光法

ナトリウムNMRは、その低い感度（プロトン感度に対する相対値9.2%）と、特にプロトン（40～50 mM）と比較した場合のナトリウム濃度の低さ（30～100 mM）による低いSNRで悪名高い。^{[ 19 ]： 96～102}しかし、近年、高磁場におけるSNRの著しい向上、改良されたコイル設計、最適化されたパルスシーケンスによって、ナトリウムNMRへの関心が再び高まっている。生体内での異常な細胞内ナトリウムの検出は、重要な診断的可能性を持ち、組織の電気分解恒常性に関する新たな知見をもたらす可能性があるため、ナトリウムNMRの臨床的可能性には大きな期待が寄せられている。^{[ 19 ]： 96～102}

¹⁹フッ素磁気共鳴分光法

フッ素NMRは高感度（プロトン感度に対する相対感度82%）で、天然存在比は100%です。^{[ 19 ]： 102-104ただし、生体組織には内因性の19F}含有化合物が存在しないため、フッ素シグナルは外部参照化合物から得られることに注意することが重要です。19F^は生体組織には存在しないため、^{19Fは生体内の1H} MRSが水で受けるようなバックグラウンドシグナルの干渉に対処する必要がなく、薬物動態研究に特に有効です。1H MRIは解剖学的ランドマークを提供し、^{19F MRI/MRSは}特定の化合物の特定の相互作用を追跡およびマッピングすることを可能にします。^{[ 19 ] : 102–104} 生体内^19F MRSは、薬物の取り込みと代謝のモニタリング、麻酔薬の代謝の研究、脳血流量の測定、フッ素化合物（「プローブ」）を介したpH、酸素濃度、金属濃度などの様々なパラメータの測定に使用できる。^{[ 19 ] : 102–104}

• 脳の機能的磁気共鳴分光法
• 磁気共鳴画像法
• 磁化移動
• NMR
• NMR分光法

• MRIおよびMRSに関するオンライン物理学チュートリアル

https://aclarion.com/ NOCISCAN (aclarion) – MRスペクトロスコピーを活用して、医師が脊椎の痛みを伴う椎間板と痛みを伴わない椎間板を非侵襲的に区別するのに役立つ、エビデンスに裏付けられた初のSaaSプラットフォーム。