ラベルフリー・機能的・分子的・構造的イメージングシステムの開発：光コヒーレンストモグラフィーとラマン分光法を組み合わせたラットの網膜の体内測定

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光コヒーレンストモグラフィー ラマン分光法 網膜 体内測定 マルチモーダルイメージング ラベルフリーテクノロジー 神経変性疾患

光学相関断層撮影とラマン分光技術を組み合わせた新しいラベルフリー機能性分子および構造イメージングシステム

光学革命の新たな扉：光学相関断層撮影とラマン分光技術を融合した多モダリティ網膜イメージングシステムの開発

研究の背景と意義

網膜組織の分子情報へのアクセスは、眼科および神経変性疾患の早期診断を可能にする重要な鍵の一つとなっています。しかし、現在の網膜イメージングのゴールドスタンダードである光学相関断層撮影（Optical Coherence Tomography, OCT）およびその機能拡張技術である光学相関断層血管撮影（OCTA）では、網膜の構造および血流灌流情報しか提供できません。これらの技術は糖尿病性網膜症やアルツハイマー病、多発性硬化症といった中枢神経系疾患に関連する網膜や血管の変化の診断に顕著な価値を持ちますが、疾患の起源に対する特異性が不足しています。これは、それらの構造および血管のバイオマーカー間に大きな重なりが存在し、異なる疾患を区別することが難しいためです。

この課題を補うために、ラマン分光（Raman Spectroscopy, RS）が分子センシング技術として提案されました。ラマン分光は、光の非弾性散乱を検出することによってサンプル中の化学結合の振動モードを取得し、独自の分子指紋情報を提供するものです。この技術はすでに、腫瘍組織と健康組織の区別に成功しています。しかし、視網膜での実際の応用においては光学出力レベルと視網膜の高い自己蛍光（background autofluorescence）に制限されており、ラマン分光の応用は依然課題を抱えています。

過去の研究では、一部の研究者が組織分析や病理学研究のためにOCTとRSの2モダリティイメージングを組み合わせる試みを行っていますが、小動物や人間の網膜における in vivo 応用の可能性を包括的に証明するにはいたりませんでした。本研究の主な目標は、OCTとラマン分光技術を組み合わせた眼に安全な多モダリティイメージングシステムを開発し、生体環境下でラット網膜の分子、機能、構造の測定におけるその応用可能性を初期検証することです。

論文の出典と著者

この論文は2025年2月1日の《Biomedical Optics Express》（第16巻第2号）に掲載され、Ryan Sentosaらの研究チームによって執筆されました。この研究は国際的な複数のチームの共同作業による成果であり、主な協力機関として、オーストリアの医科大学ウィーン臨床医学物理および生物医学工学センター（Medical University of Vienna）、ドイツのCarl Zeiss AG、オランダのTNO光学部門、フランスのHoriba France SASなどが挙げられます。また、著者の一部はCarl Zeiss Meditec IncやInnolume GmbHに所属し、技術的支援を提供しています。この研究はOpticaオープン出版プログラムの助成を受けています。

研究方法とワークフロー

1. システム設計と手法の開発

本研究では、赤外眼底イメージング（IR Fundus Imaging）、高速スイープ光源光学相関断層撮影（Swept-Source OCT）、および非共鳴ラマン分光（Non-Resonant Raman Spectroscopy）を統合した多モダリティビジョンイメージングシステムが提案されました。このシステムは、レーザー安全規格を遵守しつつ、小動物モデルへの活用が可能です。

システムアーキテクチャ：

  • 赤外眼底イメージングシステム： サンプルの位置合わせ/初期フォーカシング用で、730nmの広帯域LEDアレイに基づいています。光出力は約1mWで、リフレッシュレートは5Hzです。
  • 光学相関断層撮影（OCT）： 中心波長1060nmの高速スイープ光源を採用し、網膜の3次元構造情報および血流情報を提供します。システムは59°の広視野視野をサポートするよう調整されています。
  • ラマン分光モジュール： 785nm連続波CW半導体レーザーを励起光源として使用し、光出力は1mWです。また、多モードファイバーと革新的な光学設計を統合し、信号収集を効率化しています。

実験の対象サンプル：

  • 人工眼モデルの検証： 精密設計された多モダリティ眼モデルを利用しており、3つの網膜層と血管構造を含むシミュレートされた組織体を含みます。
  • 実験用ラット： 8週齢のSprague Dawley系アルビノラットを麻酔下で撮影しました。網膜色素がラマン信号に干渉するのを避けるため、低自己蛍光を持つ白化ラットモデルが選択されました。

2. データ収集と解析フロー

実験操作：

  1. 最初に赤外眼底イメージングでサンプルを位置合わせします。
  2. 次に、OCTを用いて網膜のボリュームデータと血流灌流情報を取得します。
  3. OCTデータを基に特定の位置を選定し、ラマン分光測定を実施します。
  4. 各ラマン分光測定は30秒間行われ、in vivo 実験では15回の結果を平均化して取得します。

データ処理：

  • 画像処理： 眼底およびOCTデータにフーリエフィルタリング、分散補正、相位変動に基づいた血流抽出アルゴリズムを適用しました。
  • スペクトル解析： ラマン分光結果はSavitzky–Golayフィルター平滑化、基線補正、正規化処理を施して分析し、波数400〜2400 cm⁻¹範囲内の生物組織特有のラマン特徴を詳細解析しました。

研究結果

1. 多モダリティ眼モデル検証

人工眼モデルのイメージング性能試験では以下が明らかになりました： - 赤外眼底イメージング： 網膜内の血管の吸収特性が明瞭に識別されました。 - OCTデータ： 網膜の三層構造と血管構造が詳細に復元され、屈折率の違いが最小な領域は低コントラストとして表現されました。 - ラマン分光： 背景部位と血管部位での光スペクトルが明確に分離し、特性波数（例：679, 747, 953, 1450 cm⁻¹）はシミュレートされた模倣素材中の青色顔料成分（Phthalo Blue）に対応しました。

2. アルビノラット体内撮影

  • OCT結果： 網膜の3次元構造や血流灌流データを取得しました。
  • ラマン結果： 自己蛍光の干渉がない条件下で、タンパク質や脂質に関連する様々な分子振動モードが明確に検出されました：
    • 胆固醇特徴波数（702 cm⁻¹）
    • シスチンのC-S伸縮モード（661 cm⁻¹）
    • リシンとチロシンの環振動モード（852 cm⁻¹）

研究の意義と革新性

1. 学術的意義

本研究は非共鳴ラマン分光技術による小動物網膜の体内分子イメージングを初めて実現しました。これにより、網膜の分子構成を明らかにすると同時に、神経変性疾患の分子メカニズムの研究に重要なツールを提供しました。

2. 臨床および応用価値

このシステムは非侵襲的かつラベルフリーの新ツールを提供し、糖尿病性網膜症や中枢神経疾患などの診断に将来活用が期待されます。その多モダリティ特性により、初期診断や病状モニタリングにおいて非常に大きな可能性を秘めています。

3. 革新性とハイライト

  • システムはOCTとラマン分光の利点を統合し、機能情報と分子情報を相補的に取得可能。
  • レーザー安全規格を遵守しながら信頼性の高いデータを取得し、長期的な縦断研究に対応可能。
  • アルビノラットモデルを利用することで網膜色素への干渉を大幅に削減し、今後の小動物モデル研究の新基準を確立。

展望

将来的には、ラマン信号強度のさらなる最適化、高波数領域の分子検出の拡張、人眼への応用などが期待されます。また、自適応光学技術を組み合わせ、ラマン分光の空間分解能を向上させることも今後の重要課題となるでしょう。総じて、この研究は生物医療分野における多モダリティ光学イメージング技術の新たな可能性を切り開いたと言えます。