体外膜型酸素化装置における血栓形成の可視化と定量化の方法の開発

2025-04-20 Sun
体外膜肺酸素化（Extracorporeal Membrane Oxygenation, ECMO）は、心臓および呼吸不全患者の生命維持技術です。ECMOは臨床的に重要な役割を果たしていますが、その使用には医療機器関連の血栓形成リスクが伴います。血栓形成は酸素化器の血流を妨げ、ガス交換効率を低下させるだけでなく、肺塞栓や虚血性脳卒中などの重篤な合併症を引き起こす可能性があります。現在、臨床現場では主に全身性抗凝固剤（例：ヘパリン）を使用して血栓リスクを低減していますが、抗凝固療法自体にも出血やヘパリン誘発性血小板減少症などのリスクが伴います。そのため、ECMO酸素化器内の血栓形成を減少させ、より効果的な抗血栓戦略を開発する研究は、臨床的に非常に重要です。
この背景のもと、Jenny S. H. Wangらは、ECMO酸素化器内の血栓形成を可視化し定量化する方法を開発する研究を行いました。この方法により、研究者は血栓の分布パターンをより深く理解し、新しいバイオマテリアルや薬物抗血栓戦略の評価に科学的根拠を提供することが可能になります。
論文の出典この研究は、Oregon Health & Science UniversityやJohns Hopkins Universityなど複数の機関の研究者によって共同で行われ、研究チームにはJenny S. H. Wang、Amelia A. Rodolf、Caleb H. Moonらが含まれています。論文は2025年にCellular and Molecular Bioengineering誌に掲載され、タイトルは『Development of a Method for Visualizing and Quantifying Thrombus Formation in Extracorporeal Membrane Oxygenators』です。
研究の流れ1. 患者の募集と酸素化器の収集研究ではまず、18歳以上でECMO治療を受けている患者を募集し、使用済みの酸素化器を収集しました。研究では、ECMO使用時間が24時間未満と予想される患者や、血友病または先天性凝固因子XII欠乏症の患者を除外しました。最終的に、17名の患者から18個の酸素化器（13個の四角形酸素化器と5個の円形酸素化器）が収集されました。酸素化器は患者から取り出した後、直ちに生理食塩水で洗浄され、酸素化器内での血栓形成を防ぎました。
2. 酸素化器の処理と固定収集された酸素化器は、4%パラホルムアルデヒド溶液で固定され、構造の完全性が保たれました。その後、研究者はステンレススチールの帯鋸を使用して酸素化器の外殻を切断し、内部の金属スプリングなどの部品を取り除き、後続の画像化プロセスでのアーティファクトを防ぎました。円形酸素化器については、垂直軸に沿って切断し、マイクロCT（microCT）システムのイメージング要件に適合させました。
3. マイクロCTイメージングと画像再構築酸素化器はイメージング前にルゴール溶液（Lugol solution）に浸漬され、血栓のコントラストが強化されました。研究者はSiemens Inveon microCTシステムを使用して酸素化器をイメージングし、1024枚の画像からなる三次元スタックを取得しました。画像の解像度は98.731マイクロメートルで、イメージングパラメータは80 kVの電圧と114 µAの電流でした。
4. 血栓の定量分析Dragonflyソフトウェアを使用してmicroCT画像を再構築およびセグメンテーションしました。研究者は密度マッピング（density mapping）を使用して、酸素化器内の異なる領域の血栓体積を定量化しました。四角形酸素化器については、5つの構造的に異なる層に分け、各層からランダムに3つのスライスを選択して血栓面積を計算しました。円形酸素化器については、その均一な構造のため、三次元定量分析のみを行いました。
5. 走査型電子顕微鏡（SEM）と組織学的染色血栓の組成をさらに分析するため、研究者は酸素化器から血栓サンプルを抽出し、SEMおよびH&E染色を使用して観察しました。SEM画像は血栓中の赤血球、血小板、フィブリンの分布を示し、H&E染色は血栓の組成を定性的に分析するために使用されました。
主な結果1. 血栓の空間分布研究結果によると、四角形酸素化器の第二層（血流方向の第二層）で血栓面積が最も大きく、この領域が血栓形成のリスクが高いことが示されました。円形酸素化器では、血栓は主に血液流入領域に集中し、遠心力によって外部に拡散していました。
2. 血栓の三次元定量三次元密度マッピングにより、研究者は酸素化器内の血栓体積の割合を計算しました。結果は、ECMO使用時間の延長に伴い、酸素化器内の血栓体積が著しく増加することを示しました。未使用の酸素化器では血栓は検出されませんでした。
3. 血栓の組成分析SEMおよびH&E染色の結果、四角形酸素化器の第一層の血栓は主に赤血球で構成され、第二層はフィブリンが豊富でした。円形酸素化器の血栓は、赤血球とフィブリンの密な混合を示しました。
研究の結論この研究は、ECMO酸素化器内の血栓形成を可視化し定量化する方法を開発することに成功しました。この方法により、研究者は血栓の分布と体積を正確に定量化し、新しい抗血栓戦略の評価に重要なツールを提供しました。さらに、研究は酸素化器の構造が血栓形成に及ぼす影響を明らかにし、将来の酸素化器設計の改善に科学的根拠を提供しました。
研究のハイライト方法の革新：この研究は初めてmicroCT技術をECMO酸素化器の血栓分析に適用し、高解像度の三次元血栓可視化方法を提供しました。
臨床的意義：血栓形成を定量化することで、この方法は臨床医がECMO治療中の血栓リスクをよりよく評価し、抗凝固療法の最適化に役立てることができます。
科学的価値：研究は酸素化器の構造が血栓形成に及ぼす影響を明らかにし、将来のより安全なECMO機器の開発に重要な参考資料を提供しました。
その他の有益な情報この研究では、ECMO治療初期の血栓形成速度が速く、血栓の組成が異なる領域で顕著に異なることも明らかにしました。これらの発見は、血栓形成のメカニズムをさらに研究するための新しい方向性を提供します。
まとめJenny S. H. Wangらの研究は、ECMO酸素化器内の血栓形成を可視化し定量化する重要なツールを提供しました。この方法は臨床的に重要な価値を持つだけでなく、将来のECMO機器設計の改善に科学的根拠を提供します。さらなる研究を通じて、この方法はECMO関連の血栓合併症を減少させる上で重要な役割を果たすことが期待されます。