磁性粒子イメージング

磁性粒子イメージング（MPI ）は、超常磁性ナノ粒子トレーサーを直接検出する新しい非侵襲性断層撮影技術です。この技術は、診断用画像診断や材料科学への応用が期待されています。現在、医療研究では、ナノ粒子の3D位置と濃度を測定するために使用されています。イメージングでは電離放射線を使用せず、体内のどの深さでも信号を生成できます。MPIは、2001年にハンブルクのロイヤルフィリップス研究所の科学者によって初めて考案されました。最初のシステムが確立され、2005年に報告されました。それ以来、この技術は世界中のいくつかの大学の学術研究者によって進歩してきました。最初の商用MPIスキャナーは、最近、Magnetic Insight社とBruker Biospin社から発売されました。

MPI に使用されるハードウェアは、 MRIとは大きく異なります。MPI システムは、変化する磁場を使用して、超常磁性酸化鉄(SPIO) ナノ粒子から信号を生成します。これらの磁場は、単一の磁場のない領域を生成するように特別に設計されています。信号はこの領域でのみ生成されます。画像は、サンプル上でこの領域を移動させることによって生成されます。組織には天然の SPIO が存在しないため、投与されたトレーサーからのみ信号が検出されます。これにより、背景のない画像が得られます。MPI は、トレーサーの位置に関する情報を提供する解剖学的画像化技術 ( CTやMRIなど) と組み合わせて使用​​されることがよくあります。

磁性粒子イメージングは​​、高いトレーサー感度とサブミリメートルの解像度を組み合わせたものです。イメージングは​​、数ミリ秒から数秒の範囲で実行されます。MPIで使用される酸化鉄トレーサーは、単核食作用細胞系を通じて体内で自然に除去されます。酸化鉄ナノ粒子は肝臓で分解され、鉄はそこに貯蔵され、ヘモグロビンの生成に使用されます。SPIO は、これまで鉄補給や肝臓イメージングのために人間に使用されてきました。

最初の生体内MPIの結果は、2009年にマウスの鼓動する心臓の画像を提供しました。さらなる研究により、これは最終的にリアルタイムの心臓画像化に使用される可能性があります。^[1]

MPI は腫瘍学研究の分野で多くの用途があります。透過性と保持効果の向上により、固形腫瘍内でトレーサーが蓄積する可能性があります。これはラットの腫瘍部位の検出に効果的に使用されています。^{[2]この技術の高感度は、癌細胞を標的としたナノ粒子の開発を通じて}微小転移を 画像化することも可能になることを意味します。MPI は、リスクのある集団の放射線被ばくを減らすために、核医学に代わる臨床スクリーニング技術として研究されています。

MPIは治療細胞に酸化鉄ナノ粒子をタグ付けすることで、体全体で細胞を追跡することを可能にします。これは再生医療や癌免疫療法に応用されています。イメージングは​​体内のこれらの細胞の動きを追跡することで幹細胞治療の成功率を向上させるために使用できます。 ^[3]トレーサーは細胞にタグ付けされている間は安定しており、87日間を超えて検出可能です。^[4]

MPI は、十分な時間分解能を得るために高感度イメージングと短いスキャン時間を必要とする機能的脳イメージングの有望なプラットフォームとして提案されています。このため、MPI は神経活性化から生じる脳血液量 (CBV)の増加を検出するために使用されます。MPI を使用した機能的神経イメージングは​​げっ歯類で実証されており^[5]、他のイメージング モダリティと比較して感度面で有利です。長期的には、これにより単一患者レベルで機能的神経活性化を研究し、機能的神経イメージングを臨床診断に導入できる可能性があります。

磁性粒子イメージング（MPI）で使用されるトレーサーは、超常磁性酸化鉄ナノ粒子（SPION）です。これらは、マグネタイト（Fe ₃ O ₄）またはマグヘマイト（Fe ₂ O ₃）コアと、その周囲を表面コーティング（通常はデキストラン、カルボキシデキストラン、またはポリエチレングリコール）で覆った構造です。^{[6] [7] [8] [9]}

SPIONトレーサーは、血液などの生体液内で検出可能です。この体液は弱い磁場に対しても非常に敏感で、すべての磁気モーメントは誘導磁場の方向に一列に並びます。人体には画像化において磁気干渉を起こすものが何も含まれていないため、これらの粒子を使用することができます。唯一のトレーサーとして、SPION の特性は MPI の信号強度と解像度にとって非常に重要です。酸化鉄ナノ粒子は、その磁気双極子により、印加磁場によって制御できる自発磁化を示します。したがって、MPI における SPION のパフォーマンスは、飽和磁化、磁気直径、緩和メカニズムなどの磁気特性に大きく依存します。外部磁場を印加すると、SPION の緩和は、ネール緩和とブラウン緩和という 2 つのメカニズムによって制御されます。粒子全体が環境に対して回転する場合、物理的直径の影響を受けるブラウン緩和に従います。磁気双極子のみが粒子内で回転する場合、そのメカニズムはネール緩和と呼ばれ、磁気直径の影響を受けます。超常磁性のランジュバンモデルによれば、MPIの空間分解能は磁気直径の3乗で向上するはずであり、これは磁化対磁場曲線をランジュバンモデルに当てはめることによって得られます。^[10]しかし、最近の計算では、MPIに最適なSPIONs磁気サイズ範囲（約26 nm）が存在することが示唆されています。^[6]これは、大きな磁気サイズの SPION のブラウン運動緩和によって生じるぼやけのためです。磁気サイズは MPI のパフォーマンスに重大な影響を及ぼしますが、SPION を使用した MPI のアプリケーションを報告する出版物では、磁気サイズが十分に分析されていないことがよくあります。多くの場合、市販のトレーサーまたは自家製のトレーサーが、徹底した磁気特性評価なしで使用されます。重要なことは、表面でのスピン傾斜と無秩序、または混合相ナノ粒子の形成により、等価磁気直径が物理直径よりも小さくなる可能性があることです。また、磁気直径は、印加磁場に対する粒子の応答が物理直径ではなく磁気直径に依存するため重要です。最大の等価磁気直径は、物理直径と同じになる場合があります。Chandrasekharan らによる最近のレビュー論文では、さまざまな酸化鉄造影剤の特性と、ここに示す社内の磁性粒子分光計を使用して測定されたそれらの MPI パフォーマンスをまとめています。表に記載されているコア直径は、必ずしも磁気直径ではないことに注意してください。表は、MPI 造影剤について現在公開されているすべての SPION の比較を示しています。表に示すように、SPIONコアサイズが28.7 nmで、合成後の酸化を伴う加熱熱分解によって合成されたLS017は、より小さなコアサイズの他のものと比較して最高の分解能を持っています。共沈によって作られた酸化鉄からなるResovist（Ferucarbotran）は、最も一般的に使用され、市販されているトレーサーです。しかし、Gleichらが示唆しているように、その多分散性のために、Resovistからの全鉄質量の3％のみがMPI信号に寄与し、比較的低いMPI感度につながります。MPIの信号強度は、磁気コア径とSPIONのサイズ分布の両方の影響を受けます。上の表に記載されているMPI感度を比較すると、粒子が単分散で、他の粒子と比較して大きな磁気直径を持っているため、LS017は最高の信号強度（54.57 V/g of Fe）を持っています。

表面コーティングも SPION の挙動を決定する上で重要な役割を果たします。表面コーティングは、鉄酸化物コア間の望ましくない相互作用を最小限に抑え (たとえば、粒子間の引力を打ち消して凝集を防ぐ)、安定性と生物学的環境との適合性を高め、特定のイメージング アプリケーションに合わせて SPION のパフォーマンスを調整するためにも使用できます。^{[9] [11]}コーティングの種類によって、細胞への取り込み、血液循環、免疫系との相互作用が変化し、時間の経過とともにトレーサーが体全体に分布する方法に影響します。^[11]たとえば、カルボキシデキストランでコーティングされた SPION は、注入後すぐに肝臓に排出されることが示されていますが、ポリエチレングリコール(PEG) コーティングされた SPION は、血液から排出されるまで数時間循環内に留まります。これらの挙動により、カルボキシデキストランでコーティングされた SPION トレーサーは肝臓イメージングに最適化され、PEG でコーティングされた SPION トレーサーは血管イメージングに適しています。^{[6] [7]}

• 高解像度（約0.4 mm）
• 高速な画像結果（約 20 ミリ秒）
• 放射線なし
• ヨウ素なし
• 背景ノイズなし（高コントラスト）

周波数選択性信号増強を提供する装置が最近アーヘン工科大学で開発されました。パッシブデュアルコイル共振器（pDCR）は、前臨床MPIシステム用の純粋にパッシブな受信コイルインサートです。pDCRは、高い空間分解能を達成するために重要な、高混合次数に関連する周波数成分を増強することを目的としています。^[12]

• WMIS MPI 関心グループ会議
• MPIに関する年次国際ワークショップのホームページ

• ラットの肺灌流における初の生体内磁気粒子イメージング。Zhou XY、Jeffris K、Yu E、Zheng B、Goodwill P、Nahid P、Conolly S。Phys Med Biol。2017 年 2 月 20 日。
• 磁気粒子イメージングによる SPIO トレーサーの短期生体内分布と長期クリアランスの追跡。Keselman P、Yu E、Zhou X、Goodwill P、Chandrasekharan P、Ferguson RM、Khandhar A、Kemp S、Krishnan K、Zheng B、Conolly S。Phys Med Biol. 2017 年 2 月 8 日
• 前臨床磁性粒子イメージングのための血液プールトレーサーとしてのPEGコーティング酸化鉄ナノ粒子の評価。Khandhar AP、Keselman P、Kemp SJ、Ferguson RM、Goodwill PW、Conolly SM、Krishnan KM。Nanoscale。2017年1月19日;9(3):1299-1306。
• 磁気粒子イメージングと磁性流体温熱療法をセラノスティックプラットフォームに組み合わせる。Hensley DW、Tay ZW、Dhavalikar R、Zheng B、Goodwill P、Rinaldi C、Conolly S。Phys Med Biol。2016 年 12 月 29 日。
• x 空間磁性粒子イメージングにおける有限磁気緩和: 測定値と強磁性流体モデルの比較。Dhavalikar R、Hensley D、Maldonado-Camargo L、Croft LR、Ceron S、Goodwill PW、Conolly SM、Rinaldi C. J Phys D Appl Phys. 2016 年 8 月 3 日;49(30)
• 包括的な磁性粒子の最適化と特性評価のための高スループット、任意波形、MPI 分光計および緩和計。Tay ZW、Goodwill PW、Hensley DW、Taylor LA、Zheng B、Conolly SM。Sci Rep. 2016 年 9 月 30 日;6:34180。
• 渦電流シールド型x空間緩和計による高感度磁性ナノ粒子特性評価。Bauer LM、Hensley DW、Zheng B、Tay ZW、Goodwill PW、Griswold MA、Conolly SM。Rev Sci Instrum。2016年5月;87(5):055109。
• 磁気粒子イメージングにおける画像解像度を向上させる低駆動磁場振幅。Croft LR、Goodwill PW、Konkle JJ、Arami H、Price DA、Li AX、Saritas EU、Conolly SM。Med Phys。2016年1月;43(1):424。doi: 10.1118/1.4938097。
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• パルス持続時間が磁気刺激閾値に与える影響。Saritas EU、Goodwill PW、Conolly SM。Med Phys。2015年6月;42(6):3005-12。doi: 10.1118/1.4921209。
• カスタマイズされた磁気/光学造影剤を使用した生体内マルチモーダル磁気粒子イメージング (MPI)。Arami H、Khandhar AP、Tomitaka A、Yu E、Goodwill PW、Conolly SM、Krishnan KM。Biomaterials。2015 年 6 月;52:251-61。doi: 10.1016/j.biomaterials.2015.02.040。
• カスタマイズされた酸化鉄ナノ粒子トレーサーによる磁気粒子イメージング。Ferguson RM、Khandhar AP、Kemp SJ、Arami H、Saritas EU、Croft LR、Konkle J、Goodwill PW、Halkola A、Rahmer J、Borgert J、Conolly SM、Krishnan KM。IEEE Trans Med Imaging。2015 年 5 月;34(5):1077-84。doi: 10.1109/TMI.2014.2375065。
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• NMR および MRI 研究者のための磁性粒子イメージング (MPI)。Saritas EU、Goodwill PW、Croft LR、Konkle JJ、Lu K、Zheng B、Conolly SM。J Magn Reson。2013 年 4 月;229:116-26。doi: 10.1016/j.jmr.2012.11.029。レビュー。
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• Magnetic Insight, Inc. - カリフォルニア大学バークレー校で開発された MPI 技術を商品化 2014 年 11 月
• 磁性粒子イメージングの理解
• MOMENTUM磁気粒子イメージングシステム
• J.-P. Gehrcke. 理論、シミュレーション、実験に基づく磁性粒子イメージング信号の特性評価。修士論文、ヴュルツブルク大学、2010 年。
• 磁性粒子イメージング：前進、medicalphysicsweb.org 2011 年 4 月 12 日
• 「ヴュルツブルク大学のTraveling Wave MPI」
• 「アーヘン工科大学の磁気粒子イメージング（MPI）」
• 「カリフォルニア大学バークレー校での MPI の取り組み」
• 「リューベック大学におけるMPI研究」
• 「フィリップス、医療用画像技術の画期的な進歩を発表」
• 見たものが全てだ
• 分子イメージングの新境地
• 優れた画像をひっくり返す。Radiology Today 2017 年 5 月
• MP-You: Web ベースの MPI シミュレーション ツール