Analysis of tumor reoxygenation by percutaneous CO2 therapy using FMISO-PET

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K15547
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 丸山 晃司 神戸大学, 医学研究科, 医学研究員 (40815990)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 18F-FMISO / 炭酸ガス療法 / マウス骨肉腫細胞株（LM8） / SUVmax

Outline of Annual Research Achievements

経皮的炭酸ガス療法による腫瘍の低酸素状態改善を画像評価するために、これまでの研究において、経皮的炭酸ガス療法による治療効果が高いことが判明しているマウス骨肉腫細胞株（LM8）を用いて実験を行った。LM8細胞を皮下に移植したヌードマウスを経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）にわけ、FMISO-PETを用いて低酸素状態の評価を行うこととした。
1年目の研究にて最終投与が3日前の状態で計3回炭酸ガスを経皮的に投与した経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）のマウスを用いて、低酸素状態の改善が得られているか確認したところ、腫瘍のサイズは経皮的炭酸ガス療法群で有意に小さかったが、両群でSUVmaxの値に有意差は認められなかった。上記結果より、経皮的に炭酸ガス投与を複数回行うと、腫瘍内の低酸素状態改善により、腫瘍のサイズ増大は抑制することが可能となるが、腫瘍の低酸素状態改善は一時的なものであり、長時間は持続していないことが示唆された。
上記結果をふまえて、炭酸ガス経皮的投与による単回投与での低酸素状態改善の持続時間を検討するため、経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）のマウスを4匹ずつ用意し、事前の経皮的投与は行わず、FMISO投与30分前に1回炭酸ガス、空気をそれぞれ投与したところ、経皮的炭酸ガス療法群でFMISOの集積は低い傾向にあったが、有意差は認められなかった。
そこで次の実験として、経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）のマウスを4匹ずつ用意し、事前の経皮的投与は行わず、FMISO投与直後に1回炭酸ガス、空気をそれぞれ投与したところ、経皮的炭酸ガス療法群でFMISOの集積が有意に低い傾向であった。
これらの実験の結果より、経皮的炭酸ガス療法による低酸素状態改善効果は非常に短時間であることが示唆された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

経皮的炭酸ガス療法による腫瘍の低酸素状態改善を画像評価するために、これまでの研究から経皮的炭酸ガス療法による治療効果が高いことが判明しているマウス骨肉腫細胞株（LM8）を皮下に移植したヌードマウスを経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）にわけ、FMISO-PETを用いて低酸素状態の評価を行う実験を行っている。
1年目の実験結果から、経皮的炭酸ガス療法によって、腫瘍のサイズ増大は抑制することが可能となるが、腫瘍の低酸素状態改善は一時的なものであり、長時間持続しないことが示唆された。そこで経皮的炭酸ガス療法の低酸素状態改善の持続時間を評価する実験を行った。経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）のマウスに、事前の経皮的投与は行わず、FMISO投与30分前に1回炭酸ガス、空気をそれぞれ投与し、低酸素状態を評価した結果、経皮的炭酸ガス療法群でFMISOの集積は低い傾向にあったが、有意差は認められなかった。
次の実験として、経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）のマウスに、事前の経皮的投与は行わず、FMISO投与直後に1回炭酸ガス、空気をそれぞれ投与したところ、経皮的炭酸ガス療法群でFMISOの集積が有意に低い傾向であった。
上記結果より、経皮的炭酸ガス療法による低酸素状態改善効果は非常に短時間であることが示唆された。現在追加の解析方法について検討しながら、論文を作成しているところである。
摘出腫瘍について、低酸素マーカーであるピモニダゾールや、HIF-1α抗体を用いた免疫染色を行い、PET画像と比較検討する実験はまだ行えていない。

Strategy for Future Research Activity

これまでに行った複数の実験結果より、経皮的炭酸ガス療法による低酸素状態改善効果は長時間持続せず、非常に短時間である可能性が示唆されている。数が少ないため、実験を追加し、数を増やす予定であったが、現時点では新型コロナウイルスの影響で新規実験が行えないため、SUVmax以外に均一性などを評価する解析方法について調査し、現状のデータで論文を作成していく方針である。
新規実験が可能になった際には、必要に応じてこれまでの実験の症例数を増やすことを検討する。またFMISO投与3日前、FMISO投与30分前、FMISO投与直後に経皮的炭酸ガス療法を行った場合の低酸素状態改善効果のみしか調査できていないため、FMISO投与の3時間前、6時間前、1日前に経皮的炭酸ガス療法を行った場合の低酸素状態改善効果についても追加実験するか検討する。
低酸素マーカーであるピモニダゾールや、HIF-1α抗体を用いた免疫染色をPET画像と比較検討する実験を行えていないため、今後追加実験を行うかを検討中である。
また経皮的炭酸ガス療法の低酸素状態改善がどの程度短時間なのかをより詳細に評価するために、ラットを使用して経静脈的ルートからのFMISOを用いたdynamic scanを行う実験を追加するかどうかについても検討が必要である。
経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）のマウスに、事前の経皮的投与は行わず、FMISO投与直後に1回炭酸ガス、空気をそれぞれ投与するという実験を、異なる腫瘍株（MFH、乳がん、扁平上皮癌、メラノーマ等）を移植したヌードマウスで行い、治療前後での低酸素状態の変化と治療効果との相関を検討する追加実験についても計画を予定している。

Causes of Carryover

当初は経皮的炭酸ガス療法群において炭酸ガス療法直後、3時間後、6時間後、1日後、3日後と異なる時間軸でFMISO-PETを撮像し、低酸素状態改善の持続期間について検討を行う予定であったが、18F-FMISOの半減期を考慮すると、同一個体において炭酸ガス療法後の低酸素状態を経時的に評価することは現実的ではないと判断した。1年目の実験にて経皮的に炭酸ガス投与を複数回行うと、腫瘍内の低酸素状態改善により、腫瘍のサイズ増大は抑制することが可能となるが、腫瘍の低酸素状態改善は一時的なものであり、長時間は持続していないことが示唆された。
上記結果をふまえて、炭酸ガス経皮的投与による単回投与での低酸素状態改善の持続時間を検討するため、経皮的炭酸ガス療法群と対照群（空気投与）のマウスに、事前の経皮的投与は行わず、FMISO投与30分前、FMISO投与直後に1回炭酸ガス、空気をそれぞれ投与し、低酸素状態を評価する実験を行った。その結果、経皮的炭酸ガス療法による低酸素状態改善効果は非常に短時間であることが示唆された。
実験結果の考察、今後の方針決定に時間を要し、前年度実験が一時中断したこと、数が少ないため追加実験を行う予定であるが、新型コロナウイルスの影響で新規実験ができない状態であること、および実験結果の評価のための解析方法を検討するのに時間を要していることから次年度使用額が発生した。