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分子イメージングは、生きた患者の体内で医学的に重要な分子を画像化することに焦点を当てた医療用イメージングの分野です。これは、組織学などの保存された組織サンプルから分子情報を取得する従来の方法とは対照的です。関心のある分子は、体内で自然に生成されるものでも、研究室で生成され医師が患者に注入する合成分子でもかまいません。今日臨床で使用されている分子イメージングの最も一般的な例は、造影剤（例：マイクロバブル、金属イオン、または放射性同位体）を患者の血流に注入し、イメージングモダリティ（例：超音波、MRI、CT、PET）を使用して体内での造影剤の動きを追跡することです。分子イメージングは、非侵襲的な方法で生物内の基本的な分子プロセスをよりよく理解する必要性から、 放射線学の分野から生まれました。
分子イメージングの究極の目標は、生物体内で起こるすべての生化学プロセスを非侵襲的にリアルタイムで監視できるようにすることです。分子イメージングの現在の研究には、細胞/分子生物学、化学、および医学物理学が含まれており、1) これまで検出できなかった種類の分子を検出するためのイメージング方法の開発、2) 使用可能な造影剤の数と種類の拡大、および 3) 健康時と病気時の両方で細胞と組織が実行するさまざまな活動に関する情報を提供する機能的造影剤の開発に焦点が当てられています。
概要
分子イメージングは、分子生物学と生体内イメージングの交差点にある分野として、20 世紀半ばに登場しました。これにより、細胞機能を視覚化し、生体に影響を及ぼすことなく分子プロセスを追跡することができます。この分野の多種多様な可能性は、がん、神経疾患、心血管疾患などの疾患の診断に応用できます。この技術は、新薬の前臨床および臨床試験を最適化することで、これらの疾患の治療の改善にも貢献します。また、より早期かつ正確な診断により、大きな経済的影響も期待されています。分子および機能イメージングは、ヒトゲノムの記述以来、新しい方向に向かっています。基礎研究、応用研究、産業研究における新しい道筋により、科学者の作業はより複雑になり、科学者への要求も高まっています。したがって、テーラーメイドの教育プログラムが必要です。
分子イメージングは、バイオマーカーと呼ばれるプローブを使用して特定のターゲットまたは経路を画像化する点で、従来のイメージングとは異なります。バイオマーカーは周囲と化学的に相互作用し、対象領域内で発生する分子の変化に応じて画像を変更します。このプロセスは、主に密度や水分含有量などの品質の違いを画像化する従来のイメージング方法とは大きく異なります。微細な分子変化を画像化するこの能力は、病気の早期発見と治療、基礎的な医薬品開発など、医療用途に非常に多くの刺激的な可能性をもたらします。さらに、分子イメージングでは定量的なテストが可能になり、これらの分野の研究に高い客観性がもたらされます。新興技術の 1 つに、質量分析法に基づくMALDI分子イメージングがあります。[要出典]
分子イメージングの分野では、多くの研究が行われています。現在、多くの研究は、病気の典型的な症状が検出される前に起こる、いわゆる前病状または分子状態の検出に集中しています。その他の重要な研究分野は、遺伝子発現のイメージングと新しいバイオマーカーの開発です。SNMMI 分子イメージング イノベーションおよびトランスレーション センター (CMIIT) などの組織は、この分野の研究を支援するために設立されました。ヨーロッパでは、DiMI (分子イメージング診断) や EMIL (欧州分子イメージング研究所) などの他の「卓越したネットワーク」がこの新しい科学に取り組んでおり、この分野の活動と研究を統合しています。このようにして、分子イメージングの次世代の専門家を育成するための欧州マスター プログラム「EMMI」が設立されています。
最近、分子イメージングという用語は、生細胞顕微鏡、全内部反射蛍光(TIRF) 顕微鏡、誘導放出抑制(STED) ナノスコピー、原子間力顕微鏡(AFM) など、さまざまな顕微鏡およびナノスコピー技術に適用されています。ここでは、分子の画像が読み取られます。
画像診断法
非侵襲的分子イメージングに使用できるさまざまな手法があります。それぞれに長所と短所があり、複数のターゲットをイメージングするのにより適した手法もあります。
磁気共鳴画像
MRI は空間分解能が非常に高いという利点があり、形態学的画像や機能的画像に非常に適しています。ただし、MRI にはいくつかの欠点もあります。まず、MRI の感度は 10 −3 mol/L～ 10 −5 mol/L 程度で、他の種類の画像と比較すると非常に制限される可能性があります。この問題は、高エネルギー状態と低エネルギー状態の原子の差が非常に小さいことに起因します。たとえば、臨床 MRI の一般的な磁場強度である 1.5テスラでは、高エネルギー状態と低エネルギー状態の差は 200 万個あたり約 9 分子です。[要出典] MR 感度を高めるための改善には、磁場強度の増加、光ポンピング、動的核分極、またはパラ水素誘起分極による過分極化などがあります。感度を高める化学交換に基づくさまざまな信号増幅方式もあります。[1]
MRI を用いた疾患バイオマーカーの分子イメージングを実現するためには、高い特異性と高い緩和能（感度）を持つ標的 MRI 造影剤が必要である。これまで、MRI による分子イメージングを実現するために、標的 MRI 造影剤の開発に多くの研究が行われてきた。一般的に、標的化にはペプチド、抗体、または小さなリガンド、および HER-2 アフィボディなどの小さなタンパク質ドメインが使用されている。造影剤の感度を高めるために、これらの標的化部分は通常、高ペイロード MRI 造影剤または高緩和能を持つ MRI 造影剤にリンクされている。[2]特に、最近開発されたミクロンサイズの酸化鉄粒子（MPIO）により、動脈や静脈で発現するタンパク質を検出する感度がこれまでにないレベルに到達した。[3]
光学イメージング
光学イメージングにはさまざまなアプローチが用いられている。さまざまな方法は、コントラストの源として蛍光、生物発光、吸収、反射率に依存している。 [4]
光学イメージングの最も価値のある特性は、光学イメージングと超音波には、他の医療用イメージング手法のような大きな安全性の懸念がないことです。 [引用が必要]
光学イメージングの欠点は、特に可視波長で作業する場合、浸透深度が不足することです。浸透深度は光の吸収と散乱に関係しており、主に励起源の波長の関数です。光は生体組織に含まれる内因性色素（ヘモグロビン、メラニン、脂質など）によって吸収されます。一般に、光の吸収と散乱は波長が長くなるにつれて減少します。約 700 nm 未満（可視波長など）では、これらの影響により浸透深度はわずか数ミリメートルと浅くなります。したがって、スペクトルの可視領域では、組織の特徴の表面的な評価しかできません。900 nm を超えると、水分の吸収により信号対背景比が妨げられる可能性があります。近赤外線（NIR）領域（700～900 nm）では組織の吸収係数がかなり低いため、光は数センチメートルの深さまでより深く浸透します。[5]
近赤外線イメージング
蛍光プローブとラベルは光学イメージングの重要なツールです。一部の研究者は、アポトーシス細胞と壊死細胞に結合できるペプチドプローブを使用して、ラットの急性心筋梗塞（AMI）モデルにNIRイメージングを適用しました。[6] Kodak X-SIGHT染料とコンジュゲート、 Pz 247、DyLight 750および800蛍光体、Cy 5.5および7蛍光体、Alexa Fluor 680および750染料、IRDye 680および800CW蛍光体など、多くの近赤外（NIR）蛍光体が生体内イメージングに使用されています。量子ドットは光安定性と明るい発光により大きな関心を集めていますが、そのサイズのために循環系と腎臓系から効率的に除去できず、長期毒性を示します。[要出典]。
いくつかの研究では、光学イメージングにおける赤外線染料標識プローブの使用が実証されています。
- ガンマシンチグラフィーとNIRイメージングの比較では、シクロペンタペプチド二重標識111
では、NIR蛍光体を用いてαvβ3インテグリン陽性黒色腫異種移植片を画像化した。[7] - αvβ3インテグリンを標的とする近赤外線標識RGDは、さまざまな癌を標的とする数多くの研究で使用されてきました。[8]
- NIR蛍光体は上皮成長因子（EGF）と結合して腫瘍の進行を画像化するために使用されています。[9]
- NIR蛍光体をCy5.5と比較したところ、より長波長の染料の方が光学イメージングに効果的な標的剤を生成できる可能性があることが示唆された。[10]
- パミドロン酸はNIR蛍光体で標識され、生きた動物の骨芽細胞の活動を検出するための骨イメージング剤として使用されている。[11]
- NIR蛍光標識GPIはPSMA（前立腺特異膜抗原）の強力な阻害剤である。[12]
- NIR蛍光体で標識したヒト血清アルブミンをセンチネルリンパ節のマッピングのための追跡剤として使用する。[13]
- NIR蛍光体で標識された2-デオキシ-D-グルコース。 [14]
ベクターに NIR プローブを追加すると、ベクターの生体適合性や生体内分布が変化する可能性があることに注意することが重要です。したがって、結合されたベクターがネイティブ形式と同様に動作すると明確に想定することはできません。
単一光子放出コンピュータ断層撮影
1970 年代のコンピューター断層撮影法の開発により、臓器や組織内の放射性同位元素の分布をマッピングできるようになり、現在では単一光子放出コンピューター断層撮影法 (SPECT) と呼ばれる技術が生まれました。
SPECTで使用される造影剤は、陽電子放出体（例えば、18
PETではF）が使用される。放射性トレーサーにはさまざまな種類がある（例えば99分
Tc、111
で、123
私、201
Tl ) は、特定のアプリケーションに応じて使用できます。
キセノン（133
キセノンガスはそのような放射性トレーサーの 1 つです。これは、肺機能の評価、肺の画像化、および rCBF の評価のための診断吸入研究に有用であることが証明されています。このガスの検出は、ガンマカメラ(コリメータ、NaI 結晶、および光電子増倍管のセットで構成されるシンチレーション検出器) によって行われます。
ガンマカメラを患者の周囲に回転させると、フィルタ補正逆投影法やその他の断層撮影法を用いて放射性トレーサーの分布の 3 次元画像が得られます。SPECT で使用される放射性同位元素は半減期が比較的長い (数時間から数日) ため、製造が容易で比較的安価です。これは、SPECT が PET や fMRI よりも大幅に安価であるため、分子イメージング技術としての大きな利点です。ただし、SPECT には空間解像度 (粒子が正確にどこにあるか) や時間解像度 (造影剤の信号がこのミリ秒で発生したか、それともあのミリ秒で発生したか) が欠けています。さらに、造影剤の放射能のため、特に連続研究の場合、被験者への放射性同位元素の投与に関して安全面の問題があります。
陽電子放出断層撮影
陽電子放出断層撮影 (PET) は、体内の機能プロセスの 3 次元画像または写真を作成する核医学画像技術です。PET の理論は非常に単純です。まず、分子に陽電子放出同位元素をタグ付けします。これらの陽電子は近くの電子と消滅し、180 度離れた反対方向に 2 つの 511 keV 光子を放出します。これらの光子はスキャナによって検出され、特定の領域における陽電子消滅の密度を推定できます。十分な相互作用と消滅が発生すると、その領域における元の分子の密度を測定できます。一般的な同位元素には次のものがあります。11
C、13
N、15
おお、18
F、64
銅、62
銅、124
私、76
Br、82
Rb、89
Zrと68
ガ、と18
F は臨床的に最も利用されています。PET の大きな欠点の 1 つは、ほとんどのプローブをサイクロトロンで作成する必要があることです。これらのプローブのほとんどは半減期が数時間であるため、サイクロトロンを現場に設置する必要があります。これらの要因により、PET は法外な費用がかかります。ただし、PET イメージングには多くの利点があります。まず第一に、その感度です。一般的な PET スキャナーは、10 −11 mol/L から 10 −12 mol/L の濃度を検出できます。
参照
参考文献
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