人間の脳腫瘍の術中識別のためのウェアラブル蛍光イメージングデバイス

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恶性胶質腫瘍（Malignant Glioma, MG）は、最も一般的な原発性悪性脳腫瘍の一種である。MGの外科的切除は依然として治療の基盤となっており、切除範囲は患者の生存期間と高度に関連している。しかし、手術中に腫瘍組織と正常組織を区別することは非常に難しく、これが手術切除の効果を大きく制限している。蛍光イメージングは、術中にMGとその境界をリアルタイムに可視化する新興技術である。だが、既存の臨床用蛍光イメージング神経外科顕微鏡はコストが高く、携帯性が低く、操作の柔軟性が限られており、熟練した専門技術者の不足もあって、応用率が低い。これらの制限を克服するために、研究者たちは革新的に微小光源、可反転フィルター、記録カメラを手術用ルーペに統合し、術中の蛍光イメージング用に着用可能な蛍光眼鏡装置を生成した。

出典

本論文はMehrana Mohtasebi、Chong Huang、Mingjun Zhao、Siavash Mazdeyasna、Xuhui Liu、Samaneh Rabienia Haratbar、Faraneh Fathi、Jinghong Sun、Thomas PittmanおよびGuoqiang Yuの執筆によるものであり、著者はそれぞれケンタッキー大学生物医学工学部（University of Kentucky, Department of Biomedical Engineering）、Bioptics Technology LLCおよびケンタッキー大学神経外科部に所属している。本研究は、米国国立衛生研究所小企業技術移転プログラムおよびケンタッキー・イノベーション・マッチング基金の資金提供を受けており、関連する研究倫理および実験手順はケンタッキー大学倫理委員会の承認を得ている。本論文は、2023年12月1日にIEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicineに掲載された。

研究フロー

本研究では、2種類の着用可能な蛍光装置（Floupe）の開発およびテストについて記述している。Floupe-1は蛍光素イメージング用であり、Floupe-2は5-アミノレブリン酸（5-ALA）イメージング用である。

Floupe-1の開発とテスト

Floupe-1は市販の眼鏡ルーペ装置（EyeZoom™ 5.0x, Orascoptic）およびヘッドライトブラケット（Halogen III, BFW）に基づいて開発された。研究者は、光ファイバーヘッドライトの前に励起フィルター（MF475-35, Thorlabs）を取り付け、蛍光素の励起に使用する狭帯域光を生成した。その後、蛍光素の可視化のために、眼鏡ルーペに一対の発光フィルター（MF530-43, Thorlabs）を取り付けた。

研究者はまず、模擬腫瘍の蛍光体モデルにおけるFloupe-1の性能をテストした。固体モデルは3Dプリンター（Gigabot® 3.0）で製作されており、異なるサイズの穴が内部に含まれており、イメージングの感度と空間分解能をテストするために使用された。これらの穴には、異なる濃度の蛍光素（1～8 mg/kg）、散乱係数を調整するIntralipid溶液、および吸収係数を調整するインクが充填された。

さらに、Floupe-1はあるMG患者に対してテストされた。患者は麻酔誘導時に体重あたり5 mg/kgの蛍光素を静脈内投与された。MG切除中に、黄色560™フィルターを装備したPentero® 900顕微鏡を使用してMGを術中に識別し、その後Floupe-1装置を用いて識別されたMGをイメージングした。

Floupe-2の開発とテスト

5-ALAイメージングのニーズを満たすため、研究者たちはSurgitelと協力してFloupe-2を開発した。標準的なSurgitel製品には、充電式リチウムバッテリーで駆動する白色LEDヘッドライトおよび最大10倍の拡大鏡を備えた手術用眼鏡ルーペが含まれている。5-ALAイメージングを実現するため、白色LEDは狭帯域高強度ブルーライトLED（405 ± 5 nm, SST-10-UV, Luminus Devices）に交換された。研究者はさらに、180度反転可能なフィルターホルダーを設計・製造し、長波長カットフィルター（>550 nm, #15-213, Edmund Optics）をカメラの前に統合した。

Floupe-2は10人のMG患者の間でテストされ、ブルー400™モジュールを備えたPentero® 900顕微鏡と比較された。患者は麻酔誘導の4時間前に体重あたり20 mg/kgの5-ALA（Gliolan, Medac）を投与された。

主な結果

蛍光体モデルテストにおいて、黄色560™フィルターを備えたPentero® 900顕微鏡を使用した場合とFloupe-1の蛍光イメージング結果は類似しており、最小直径2mmの穴および最低濃度1mg/kgの蛍光素が識別された。患者テストでは、黄色560™フィルターを備えたPentero® 900顕微鏡とFloupe-1は、識別された腫瘍の蛍光信号に類似性が見られた。

MG患者におけるテストでは、ブルー400™モジュールを備えたPentero® 900顕微鏡とFloupe-2のイメージング結果は一致しており、蛍光腫瘍組織の可視化効果は両装置で同様であった。

結論及び意義

蛍光イメージングは、手術中に癌のリアルタイム検出を可能にし、患者の生存率を大幅に向上させる可能性がある。しかし、ほとんどの臨床グレードの蛍光イメージングシステムはコストが高く、携帯性が低く、操作の柔軟性が限られているため、その応用は制限されている。高価で巨大かつ固定的な神経外科顕微鏡に比べて、Wearable Floupe装置は低コスト、高携帯性、操作の柔軟性が高いという利点があり、より多くの外科医が迅速かつ徹底的な手術を行う能力を向上させ、患者の安全性と予後を改善する可能性がある。

Floupe装置の開発には、エンジニアリング設計、実験最適化、体模テスト、臨床応用など複数のステップが含まれており、革新的な着用可能な蛍光イメージング技術を臨床応用に変換する重要なステップである。研究結果は、これらの装置がMGのリアルタイム蛍光イメージングにおいて非常に高い潜在力を持ち、既存の大型固定顕微鏡の有効な代替手段と見なされ、他の手術分野での応用の可能性も示している。研究チームはこれらの装置をさらに最適化し、より多くの患者において検証する計画を立てており、FDAの承認を得ることで臨床実践に広く応用することを目指している。

研究のハイライト

  1. 革新性：Floupe装置は微小光源、可反転フィルター、記録カメラを統合し、術中のリアルタイム蛍光イメージングを実現する。
  2. コスト効果の高さ：高価な固定顕微鏡と比べて、Floupe装置は顕著なコスト優位性を持つ。
  3. 操作の柔軟性の高さ：携帯型装置はより広範な動作範囲を許容し、操作の妨害を減少し、手術プロセスを迅速化する。
  4. 応用の潜在力：装置は脳腫瘍手術においてその有用性を示し、他の手術環境でも応用の可能性がある。
  5. 高い可視化能力：装置は体模および患者における蛍光イメージング性能が標準的な顕微鏡に匹敵する。

結語

Guoqiang Yu、Thomas Pittman、Chong Huang及びNick Megregorは「拡大鏡に基づく術中蛍光イメージング装置、腫瘍切除のガイドのための発明者」であり、Bioptics Technology LLCと協力してこの装置の商業化を進めている。Floupe装置の開発と応用は重要な研究価値と臨床的意義を持ち、将来の最適化と大規模な臨床検証により、装置の応用ポテンシャルがさらに高まるだろう。