2019 Fiscal Year Research-status Report
O-17標識水を用いたMRIと同位体顕微鏡による中枢神経系の水動態の解明
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19K17256
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
亀田 浩之 北海道大学, 歯学研究院, 助教 (70829887)
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2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | glymphatic system / 水動態解析 / 核磁気共鳴画像（MRI） / 同位体顕微鏡 / 安定同位体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
17O-MRIによる脳脊髄液動態の画像解析法を確立する上で、まずは17O標識水を髄注しながらMRIの連続スキャン可能な系の検討を行った。具体的には、ガラス針と細径のPEチューブで構成された非金属系の投与経路を構築し、確実な脳槽穿刺と安定した頚部固定ができることをマウスの死亡個体を用いて確認した。また、投与経路からGd造影剤を注入後に3T-MRI装置(PRISMA, Siemens)で撮像し、造影剤が脳脊髄液のある脳表に良好に分布することを確認した。
MRI撮像法においては、ヒト関節用の表面コイルを用いたが、ヒト臨床用MRI装置であるために十分な画像解像度の確保が難しいことが判明した。また、撮像シークエンスはFSE系T2強調像をベースとして検討したが、信号雑音比も十分ではなく、17O標識水投与後の経時的な信号変化から17O濃度を求める現行の手法では安定した17O濃度マップが得られないことが懸念された。そこで、安定した17O濃度マップを得られるよう既存のT2 mappingを改良し、17O濃度との相関性をファントム実験で確認しつつある。このようないくつかの重要な検討課題があり、また、17O標識水が高価であることも併せて、疾患モデル動物への17O標識水投与は次年度となった。
同位体顕微鏡における組織レベルでの脳内17O分布をみるための初期検討として、まずは重水（D2O）を直接注入した死亡マウス脳組織の凍結切片を作成し、現行の同位体顕微鏡セミクライオシステムでの同位体分布を検討した。その結果、コントラスト良好なD（重水素）分布を確認することができ、17O標識水と同位体顕微鏡を用いた脳脊髄液動態の把握の実現性が高まった。一方で、観察したD存在比が理論値よりも低く、また、空間分解能も十分とは言えないことが判明したため、実際に17O標識水を投与した生体試料での解析は次年度となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
北海道大学医歯学総合研究棟に設置された3T-MRI装置（Siemens Prisma 3T）はヒト臨床用装置であるため、本研究の主な撮像対象である小動物の脳に対しては画像解像度や信号雑音比が必ずしも十分ではないことが判明した。これまでの我々の知見から、17O標識水を投与しても安定した17O濃度分布が捉えられない可能性が懸念された。この問題と17O標識水が高価であることも併せて、正常ラットや疾患モデルラットへの17O標識水の髄液投与は次年度となった。これらの問題に対しては、小動物用コイルの導入や、実験動物中央研究所の小動物用7T-MRIでの同時並行での検討、MRI撮像シークエンスの改良により解決できると考えている。
同位体顕微鏡は主に鉱物を対象としたイメージング手法であり、同位体顕微鏡クライオシステムにおける水存在下での生体試料の観察はこれまでに報告のない取り組みである。そのため、初期検討としてまずは重水（D2O）を直接注入したマウス脳組織凍結切片を現行の同位体顕微鏡のセミクライオシステムで検討し、コントラスト良好なD（重水素）分布を確認することができたが、その同位体存在比の精度や解像度は十分とは言えないことが判明した。同位体顕微鏡での画像の品質を担保するため、急速凍結処理や切片作成の工夫、凍結試料切片への品質の高い金塗布、同位体顕微鏡のクライオステージに設置するまでの各種手順や条件を改良する必要があり、時間を要している。このため、実際の17O標識水投与した生体試料の解析は次年度となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
17O-MRIによる脳脊髄液動態の画像解析法においては、まずはMRIの画質の問題に関して、特注の小動物用8chコイル(高島製作所)で本研究に必要な画質の高精細化を図る。その上でMRIの撮影プロトコル（FSE系T2強調像、T2 mapping）を確定し、当該年度に確立した脳槽穿刺の手術手技を用いて、正常ラット、疾患モデルラット（アルツハイマー病、くも膜下出血）での17O標識水髄液投与下のMRI撮像を完了する。その解析結果を正常個体と疾患モデル個体で比較し、両者を弁別する脳脊髄液動態異常を示す画像的指標を見いだす。ただし、特注コイルの設置に時間を要する可能性があるため、実験動物中央研究所の小動物用7T-MRI装置でも同様の検討を同時並行で進めていく。
同位体顕微鏡クライオシステムでの良好な感度と解像度を担保するために、凍結切片作成時の手順の改良を行う。また、場合によっては凍結試料への安定した金塗布が可能な機材の導入の検討も行う。その後、正常ラットおよび疾患モデルラットでの17-O標識水髄注後の脳内分布を同位体顕微鏡で解析し、光顕像や電顕組織像と対比することで、17Oの組織学的分布の確認を行う。その組織学的な17O分布の違いを正常ラット個体と疾患モデルラットで比較することで、脳内リンパ系（glymphatic system）の基本的なメカニズムを解明するとともに、両者を弁別する脳脊髄液動態異常の機序を明らかにする。また、同位体顕微鏡での解析結果を用いて、17O-MRI解析で得られた画像的指標の妥当性を確認する。
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| Causes of Carryover |
臨床用3T-MRI装置での検討において、小動物を利用した本検討に対しては画質が不十分であることが判明したため、実験動物中央研究所の小動物用7T-MRIでの検討を並行して進めるべく、当該年度末に実験を計画していた。しかし、同時期に生じた世界的な新型コロナウイルス感染症の影響でその実験計画が実現せず、それに係る旅費やその他費用を使用することができなかった。また、情報収集目的に参加予定としていた国際学会や研究会も同様の理由で開催延期や中止となったため、参加に要する旅費を使用できなかった。このような理由により次年度使用が生じたため、次年度に実験動物中央研究所でのMRI撮像の検討、および学会参加に要する費用として使用する。
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