Development of in vivo imaging for the central lymphatic drainage system using a high-resolution SPECT scanner

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 19H05196
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 水間 広 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (00382200)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2020: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2019: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: 生体イメージング / 中枢リンパ系 / SPECT / 脳神経疾患 / 脳腫瘍

Outline of Research at the Start

本研究では、テルル化カドミウム半導体検出器を持つ高性能SPECT装置を用いて、近年発見され機能が未知の中枢性リンパ系の「真」の循環動態を明らかにする。脳組織－リンパ管体系での体内物質および細胞の動的変化を捉える動態イメージング法を開発し、病態モデルマウス（神経炎症、脳腫瘍など）における中枢リンパ管内での免疫細胞の遊走性や老廃物の除去について可視化・定量化する。本研究結果から、脳神経疾患や腫瘍に対する新たな診断技術の創出および治療戦略モデルの構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、近年発見された中枢神経系リンパ管の機能について、脳組織全体を可視化する方法を開発した。宇宙硬エックス線・ガンマ線観測研究から創成されたテルル化カドミウム（CdTe）半導体検出器を持つ小動物用の高性能SPECT装置を用い、マウスの脳組織－リンパ管体系での体内物質および細胞の空間的および時間的な動的変化を捉え、中枢神経系リンパ管内へと流入する細胞活動により蓄積した老廃物や髄腔内を循環する免疫細胞の遊走能について可視化・定量化を目指した。最初に標識トレーサーとして高分子化合物の標識法を検討し、SPECT核種であるインジウム111を高分子化合物であるデンドリマーへの標識およびマウス髄腔内投与用の高濃度化に成功した（濃度：1 MBq/mL以上）。次に標識トレーサー投与法を最適化するため、マウス脳髄腔内投与用に直径0.4 mmと極小の非金属性プラスチック留置針を開発した。この留置針は高機能3Dプリンターにより作製され、全長3mm、針の内径0.15mm（外径0.20mm）と高精細構造を保持しており、マウス大槽内への投与に成功した。撮影法は、中枢神経系リンパ管の動態は睡眠および覚醒時で異なると考えられており、これは脳活動に起因すると推測されている。本研究でも脳活動の変化に伴うリンパ管の循環動態への影響を調べるため、SPECT撮影用の覚醒時撮影用の頭部固定具を開発した。最後に、投与された標識トレーサーがマウス脳組織周囲に派生する髄腔を走行する画像の取得に成功した。画像データを投与直後、1日後、2日後と時系列に撮像することで、空間的および時間的変化が観察され、画像から移動速度を算出することが可能となった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] PET imaging of neural activity, β-amyloid, and tau in normal brain aging (2021)
  • Author(s): Zhang Kai、Mizuma Hiroshi、Zhang Xiaohui、Takahashi Kayo、Jin Chentao、Song Fahuan、Gao Yuanxue、Kanayama Yousuke、Wu Yuping、Li Yuting、Ma Lijuan、Tian Mei、Zhang Hong、Watanabe Yasuyoshi
  • Journal Title: European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging Volume: - Issue: 12 Pages: 3859-3871
  • DOI: 10.1007/s00259-021-05230-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 高性能SPECT を用いた中枢神経系リンパ管の 循環動態イメージングの開発 (2020)
  • Author(s): 水間広, 武田伸一郎, 柳下淳, 桂川美穂, 大貫和信
  • Journal Title: Medical Science Digest Volume: 46 Pages: 490-493
• [Journal Article] 高分解能SPECT装置を用いた中枢神経系リンパ管の機能イメージング (2020)
  • Author(s): 水間広，武田伸一郎，柳下淳，桂川美穂，大貫和信
  • Journal Title: Precision Medicine Volume: 3 Pages: 1075-1079
• [Presentation] 超高分解能の生体内マルチプローブイメージングを実現するCdTe SPECT 装置の開発． (2019)
  • Author(s): 武田伸一郎，織田忠，柳下淳，桂川美穂，都丸亮太，薮悟郎，高橋忠幸，渡辺伸，水間広，金山洋介，菅原寛孝，森山文基，大貫和信，梅田泉，藤井博史
  • Organizer: 日本分子イメージング学会・第14回学術集会
• [Presentation] 超高分解能CdTe-SPECT 試作機によるマルチプローブ生体イメージングへの展開． (2019)
  • Author(s): 柳下淳，武田伸一郎，織田忠，桂川美穂，薮悟郎，河村天陽，高橋忠幸，渡辺伸，水間広，金山洋介，大貫和信，梅田泉，藤井博史
  • Organizer: 日本分子イメージング学会・第14回学術集会
• [Remarks] 公募研究 (C01-3)
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/publicly-offered-research/2019-c01-3/index.html
• [Remarks] Publicly Offered Research (C01-3)
  • URL: https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/publicly-offered-research/2019-c01-3/index_e.html