| 研究課題/領域番号 |
20H00654
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
松元 慎吾 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (90741041)
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| 研究分担者 |
武田 憲彦 自治医科大学, 医学部, 教授 (40422307)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | SI-PET / パラ水素誘起偏極 / 分子イメージング / 超偏極13C MRI |
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| 研究実績の概要 |
超偏極タグは、安定同位体である13Cや15Nで標識した分子の核偏極率（= MRI感度に比例）を数万倍に励起することにより、放射性同位体標識に匹敵する高感度検出を実現する新しい分子センシング技術である。本研究では、１）水素ガスを用いた常温・低磁場核偏極により、現行の動的核偏極型の10分の1の低コストで導入可能な安定同位体標識によるPET様の分子イメージング技術（SI-PET）を実現する。このSI-PETを疾患モデルに適用し、２）心筋梗塞における心筋虚血の検出、代謝変容を指標とする認知症の早期検出、炎症性疾患における細胞死イメージング、の３つの診断法を確立することを目的とする。
初年度となる令和２年度はまず、13C励起プロセスの自動制御システムの開発を進め、代謝プローブ前駆体溶液の圧送、パラ水素付加による1H超偏極誘導、1H-13C分極移動プロセスをマイコンで一括管理するシステムを構築した。これにより、励起プロセスのより厳密な最適化が可能となる。心筋梗塞における超偏極13C MRIの高解像度化を目指しDixon-IDEAL型の撮像シーケンスと再構成プログラムの開発を進め、従来の化学シフトイメージング法と比べて半分の撮像時間で空間分解能を2mmから1mmへと向上できる可能性が示唆されたが、再構成の再現性が低く次年度で改善に取り組む。また、常温低磁場核偏極により生成した超偏極13Cフマル酸を用いて、肝障害および肝炎モデルにて細胞死イメージングのin vivo撮像に世界で初めて成功した。今後は上記の励起装置とMRI撮像技術の改善と合わせ、実用的な画質での代謝イメージング取得を目指す。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、常温低磁場核偏極が可能にする安定同位体標識トレーサーを用いたPET様の分子イメージング診断法確立するため、必要な13C励起装置の開発、MRI装置および撮像技術の開発、各種疾患モデル動物を用いた実用性評価、の３つの戦略課題を並行して進めている。13励起装置においては、これまでのLabVIEW/PXIeシステムによる制御に代えて、より汎用性のある組込型マイコンによって13C励起プロセスを自動制御するシステムへの変更を進め、代謝プローブ前駆体溶液の圧送、パラ水素付加による1H超偏極誘導、1H-13C分極移動プロセスまでの一連の制御弁の開閉タイミングや磁場および温度コントロールをマイコンで用意に一括管理できるシステムを構築した。
MRI撮像技術では、マウス心筋梗塞モデルにおける超偏極13C MRI撮像の高解像度化を目指しDixon-IDEAL型の撮像シーケンスとMatlabによる再構成プログラムの開発を進め、従来の化学シフトイメージング（CSI）法と比べて半分の撮像時間で空間分解能を2mmから1mmへと向上できる可能性が示唆された。また、transアルケン選択的な水素化触媒を用いて超偏極13Cフマル酸を常温低磁場核偏極に生成する技術を立ち上げ、アセトアミノフェン誘発肝障害および非アルコール性脂肪肝炎モデルにて壊死や炎症に伴う細胞死イメージングのin vivo撮像に世界で初めて成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
常温・低磁場核偏極型の13C励起装置においては、その性能（13C偏極率）を更に向上できる開発要素が複数あり、それらの実装と性能評価を進めると共に、励起プロセスの後半部分にあたる化学処理や夾雑物資除去プロセスを含む全励起工程を組込マイコンで一括管理できる制御システムの完成を目指す。その一方で、現行のサードアーム法として知られる励起法とは全く異なる化学反応を用いて、より安全かつ高い13C偏極率が得られる超偏極13Cトレーサーの製造法の開発についても新たな知見が得られており、２年度目でこれらの実用化と知財の獲得を目指して研究を進める。
超偏極13C MRIの高速かつ高空間分解能化に繋がるDixon-IDELA型の撮像シーケンスについては、半分の撮像時間で空間分解能を２倍に向上できたが、位相情報の再現性が低く、代謝物の分離精度に課題が残っている。２年度目ではこの問題点の改善に重点的に取り組み、心筋梗塞モデルにおけるピルビン酸代謝イメージングのFDG-PET検査の代替性を検証できるレベルにまで実用化を進める。
実用性評価を行う疾患モデルについては、心筋梗塞モデルと非アルコール性脂肪肝炎モデルの作成と基礎的な疾患パラメータの評価までは完了している。心臓撮像用の1H/13C RFコイルとシネMRI撮像に必要となるECG電極との干渉が無視できないレベルで残っており、RFコイルの筐体の構造を工夫することでECG電極との干渉の抑制を図る。心筋梗塞と脂肪肝炎モデルにおける、超偏極13C MRI撮像の目処を令和３年度の前半までに終え、後半は残る認知症モデルの作成と撮像システムの整備に着手する。
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