フォーカスド超音波を介した大容量薬物送達のためのソニケーションパターンとマイクロバブル投与戦略の比較

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フォーカスド超音波 マイクロバブル 大容量薬物送達 血脳関門 免疫チェックポイント阻害剤

聚焦超音波による血脳関門の大容量薬物運搬における音響モードとマイクロバブル投与戦略の比較応用

背景紹介

小児における最も一般的で致命的な脳幹腫瘍である拡散性固有橋脳膠腫（Diffuse Intrinsic Pontine Glioma、DIPG）は、血脳関門（Blood-Brain Barrier、BBB）が通常維持されているため、薬物が効果的に浸透することができず、治療に大きな挑戦をもたらしている。近年、聚焦超音波を組み合わせたマイクロバブルを介したBBB開放（FUS-BBBO）技術は、この障壁を破る大きな可能性を示している。DIPGの高い拡散性を考慮すると、全ての腫瘍域をカバーできる大容量のFUS-BBBO治療戦略が必要である。本研究の目的は、脳幹で効果的かつ均一な大容量BBBOを実現するための最適な治療戦略を特定し、脳幹での免疫チェックポイント阻害剤（例えば抗PD-L1抗体）の効果的な運搬を実現することである。

研究の出典

この研究は、Yan Gong、Dezhuang Ye、Chih-Yen Chien、Yimei Yue、およびHong Chenによって執筆された。彼らはすべてワシントン大学セントルイス校の生物医学工学部門に所属している。論文は2022年11月に「IEEE Transactions on Biomedical Engineering」に掲載され、当初の研究作業はアメリカ国立衛生研究所と台湾ワシントン大学セントルイスの奨学金によって支えられた。

研究方法

研究の流れ

本研究は、FUS-BBBOの効果を評価するために、音響モード（交互対順次）とマイクロバブル注射方法（一斉注射対持続注射）の2つの重要パラメータの4つの組み合わせを設計した。最初に、Evansブルーの運搬効果を異なる戦略で比較し、次に選択された最適戦略を異なる音圧レベルで抗PD-L1抗体（APD-L1）の運搬テストに使用した。

  1. 動物実験デザイン

    • 実験では、合計39匹の成熟したマウスを使用した。第1回目の実験では、24匹のマウスが4つのグループに分けられ、各グループに6匹ずつ、交互-一斉注射、交互-持続注射、順次-一斉注射、順次-持続注射の4つの戦略がテストされた。音圧は0.45 MPaで維持された。最適な戦略を選択した後、第2次実験では残りのマウスを3つのグループに分け、異なる音圧でのAPD-L1の運搬効果を比較した。
    • マイクロバブル（Definity）は実験前に活性化され、尾静脈注射または輸输による投与が行われた。

  2. 音聚焦超音波処理

    • 画像誘導の焦点超音波システムを使用して超音波処理を行った。音波は3x3のグリッド上で複数点の音響処理を行い、全体の脳幹をカバーした。
    • 2Dダイナミックキャビテーションイメージング（PCI）は、大容量音響処理のキャビテーション状況をリアルタイムで監視するために使用された。

  3. 体外フルオレッセンスイメージングおよび量定

    • FUS処理後、4%のEvansブルーまたはフルオレッセンス標識されたAPD-L1を投与した。マウスは処理後に処分され、脳のサンプルが収集され固定され、その後スライスされフルオレッセンスイメージングが行われた。内蔵ソフトウェアを使用してフルオレッセンス強度を定量化した。

  4. 均一性分析

    • 脳幹内のEvansブルーのピクセル蛍光強度の変動係数を計算することにより、運搬の空間均一性を評価した。変動係数が低いほど均一性が高い。

  5. PCIモニタリング

    • 超音波プローブはパッシブに信号を受信し、収集頻度は40FPSであった。超音波照射期間中、各タイムポイントのキャビテーション強度を全て記録することで、キャビテーションの総量を積算した。

  6. 生理学的監視

    • マウスが麻酔中の時に心拍数と呼吸率を記録し、FUS処理が生理的な変化を引き起こしたかを評価した。

  7. 組織学的分析

    • 異なる音圧処理下での組織損傷を評価するためにHE染色を使用し、ImageJソフトウェアを用いて顕微出血密度を定量化した。

研究結果

  1. Evansブルーの運搬効率と均一性

    • 交互-一斉注射戦略は、運搬効率と均一性で最高の成績を得た。その蛍光強度は他の戦略よりも1.29から2.06倍高かった。変動係数は0.66で、他の戦略は0.68から0.88であった。

  2. APD-L1の運搬効果

    • 0.30 MPaおよび0.45 MPaでAPD-L1の運搬に成功した。定量化された蛍光強度は、0.45 MPaでの運搬効率が0.30 MPaより高かったが、均一性は両者ともに同等だった。0.15 MPaでは顕著な運搬効果は得られなかった。

  3. 大容量FUS-BBBOの安全性

    • 心拍数および呼吸率の監視から顕著な変化は見られず、処理が安全であったことを示した。組織学的分析では0.45 MPaで4匹のマウスに微出血が発生しているが、0.15 MPaと0.30 MPaのいずれにおいても組織損傷は見られなかった。

結論

この研究は、交互音響モードと一斉注射マイクロバブルの組み合わせが、効率的かつ均一な大容量FUS-BBBOを実現するための最適戦略であることを示している。また、この戦略では比較的低音圧（0.30 MPa）で安全に薬物運搬を実現できる。PCIモニタリングは、運搬効率と空間均一性の評価における効率性を示し、最終的な薬物運搬結果と高い相関性を有していた。この研究は、将来の臨床でFUS-BBBOを用いてDIPGを治療する際の重要な指針を提供している。

学術的意義と応用価値

この研究は、効率的かつ均一な大容量薬物運搬を実現する最良の戦略を明らかにするだけでなく、PCIモニタリングを通じてリアルタイムで評価および調節する技術を提供した。さらに、治療の安全性を確保しながら良好な薬物運搬効果を得ることができ、DIPGおよびその他の脳幹腫瘍の治療における新たな可能性を探った。今後、臨床でFUS-BBBO技術を利用することが推進され、この致命的な疾患の治療効果を大きく向上させることが期待されている。