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==計測原理と装置== | ==計測原理と装置== | ||
[[image:陽電子断層撮像法2.png|thumb|350px|'''図1．PETを用いた分子イメージング'''<br>1. 生体内の特定の分子を調べたい場合は、そのターゲット分子とだけ結合する分子に放射性同位体を付けた「分子プローブ」を作り、投与する。<br>2. 放射性同位体の原子核が崩壊する時、陽電子を放射する。<br>3. その陽電子が周囲の電子と衝突して発生するγ線を計測して画像化することで、ターゲット分子がどこに、どれだけ存在しているかが分かる。]] | [[image:陽電子断層撮像法2.png|thumb|350px|'''図1．PETを用いた分子イメージング'''<br>1. 生体内の特定の分子を調べたい場合は、そのターゲット分子とだけ結合する分子に放射性同位体を付けた「分子プローブ」を作り、投与する。<br>2. 放射性同位体の原子核が崩壊する時、陽電子を放射する。<br>3. その陽電子が周囲の電子と衝突して発生するγ線を計測して画像化することで、ターゲット分子がどこに、どれだけ存在しているかが分かる。]] | ||
[[image:陽電子断層撮像法3.png|thumb|350px|'''図2．PET/CTとPET/MR''']] | |||
陽電子断層撮像法では、多く存在する[[ | 陽電子断層撮像法では、多く存在する[[wj:放射性核種|放射性核種]]の中でも[[wj:β+壊変|β<sup>+</sup>壊変]]により[[wj:陽電子|陽電子]]（電子の反粒子、プラスに荷電）を放出する核種（[[wj:陽電子放出核種|陽電子放出核種]]）を用いる。一般的に使用される陽電子放出核種は、<sup>11</sup>C、<sup>13</sup>N、<sup>15</sup>Oおよび<sup>18</sup>Fなどで、生体を構成する元素が多いことから分子の化学的性質を変えることなく標識することが特長である。 | ||
それぞれ物理学的半減期は<sup>11</sup>C（20分）、<sup>13</sup>N（10分）、<sup>15</sup>O（2分）、<sup>18</sup>F（110分）と、<sup>3</sup>H（12.3年）や<sup>14</sup>C（5730年）に比べ非常に短く生体への長期間被曝を避けることができる。 | それぞれ物理学的半減期は<sup>11</sup>C（20分）、<sup>13</sup>N（10分）、<sup>15</sup>O（2分）、<sup>18</sup>F（110分）と、<sup>3</sup>H（12.3年）や<sup>14</sup>C（5730年）に比べ非常に短く生体への長期間被曝を避けることができる。 | ||
これら短寿命の陽電子放出核種は、[[ | これら短寿命の陽電子放出核種は、[[wj:加速器|加速器]]の[[wj:サイクロトロン|サイクロトロン]]でターゲットとなる[[wj:原子核|原子核]]に[[wj:プロトン|プロトン]]などの荷電粒子を入射することで生成される。 | ||
生体イメージングでは、陽電子放出核種で標識された化合物を投与（主に溶液は[[ | 生体イメージングでは、陽電子放出核種で標識された化合物を投与（主に溶液は[[wj:静脈|静脈]]内、ガスは吸引）し、生体内でβ<sup>+</sup>壊変して放出された陽電子と自由電子の衝突によって対消滅した際に一対の511keVの[[wj:消滅γ線|消滅γ線]]（annihilation γray）を生じる。この消滅γ線はリング状に配置されたシンチレータと[[wj:光電子増倍管|光電子増倍管]]（PMT, photomultiplier） を組み込んだγ線検出器に入射し、同時計数検出器により検出された場合のみに検出器間の直線上でのイベントとして記録され、累積した空間情報から定量的な断層画像として再構成される（'''図1'''）。 | ||
[[wj:放射性トレーサー|放射性トレーサー]]を用いることで生体における分子発現や機能を観察することができるが、[[CT]]や[[MRI]]装置のような体の構造や組織の形態などの解剖学的な情報を得ることはできない。現在では、両者を補完するために、陽電子断層撮像法とCTを一体化した装置、PET/ | [[wj:放射性トレーサー|放射性トレーサー]]を用いることで生体における分子発現や機能を観察することができるが、[[CT]]や[[MRI]]装置のような体の構造や組織の形態などの解剖学的な情報を得ることはできない。現在では、両者を補完するために、陽電子断層撮像法とCTを一体化した装置、PET/CT（'''図2左'''）が主流であり、さらに最近では、MRIの中に陽電子断層撮像法を組み込んだPET/MR（'''図2右'''）も開発されている。 | ||
それぞれのモダリティーの画像を重ね合わせた融合画像を作成することで、からだの正確な位置情報が得られるだけでなく、PET/MRでは、陽電子断層撮像法による[[局所糖代謝率]]と[[機能的MRI]]による[[BOLD効果]]といった脳機能に関する二つの異なる情報を同時に収集することもできる<ref name=ref1><pubmed>24833493</pubmed></ref>。 | それぞれのモダリティーの画像を重ね合わせた融合画像を作成することで、からだの正確な位置情報が得られるだけでなく、PET/MRでは、陽電子断層撮像法による[[局所糖代謝率]]と[[機能的MRI]]による[[BOLD効果]]といった脳機能に関する二つの異なる情報を同時に収集することもできる<ref name=ref1><pubmed>24833493</pubmed></ref>。 | ||
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また、基礎研究用に様々な小[[動物]]用の陽電子断層撮像法が開発されている。[[マウス]]から[[サル]]など様々な[[実験動物]]を用いた陽電子断層撮像法実験は、新規のPETプローブの開発や創薬研究に用いられていて、ファースト・イン・ヒューマン試験を実施するためのトランスレーショナルリサーチとしての役割を担う実験に利用されている。 | また、基礎研究用に様々な小[[動物]]用の陽電子断層撮像法が開発されている。[[マウス]]から[[サル]]など様々な[[実験動物]]を用いた陽電子断層撮像法実験は、新規のPETプローブの開発や創薬研究に用いられていて、ファースト・イン・ヒューマン試験を実施するためのトランスレーショナルリサーチとしての役割を担う実験に利用されている。 | ||
==脳機能計測== | |||
機能的MRI と同様に、陽電子断層撮像法でも、<sup>15</sup>Oでラベルされた水（H<sub>2</sub><sup>15</sup>O）を用いて脳賦活試験を行うことができる。これは神経活動の増加によって引き起こされた局所脳血流の増大を計測することで間接的に皮質下の神経活動を測定する。H<sub>2</sub><sup>15</sup>Oを用いた局所血流の測定には約1分程度の時間を要し、神経活動の測定法としては、時間分解能は低いが、数種類のタスクを各々数回程度陽電子断層撮像法スキャンし、個別に賦活部位を同定することも可能である。[[脳賦活試験]]は、現在では、より高い時間分解能と空間分解能を持つ機能的MRIが主流であるが、[[wj:ペースメーカー|ペースメーカー]]を持つ患者等、[[wj:磁性体|磁性体]]の問題などがある場合に用いられる。 | |||
[[グルコース]]の類縁体である[[2-デオキシグルコース]]（2DG）を<sup>18</sup>Fで標識した[[フルオロデオキシグルコース]]（<sup>18</sup>F-FDG）を用いることにより、脳の局所糖代謝率（rCMRglc）を測定することができる。<sup>18</sup>Fの物理的半減期が110分で、<sup>18</sup>F-FDGを用いたグルコース代謝の測定には最低でも60分程度の時間が必要であることから、この方法でも、神経活動の早い変化を捉えることはできないが、脳におけるグルコース代謝率の変化は[[シナプス]]活動を強く反映していることから<ref name=ref2><pubmed>8670638</pubmed></ref>、神経細胞よりもむしろシナプスの機能に障害が起こる[[アルツハイマー病]]などの神経変性疾患等の患者の脳機能検査に用いられている。ただし、定量的なグルコース利用能（CGU）を算出するためには、動脈血中における<sup>18</sup>F-FDGの動態情報が必要であり、撮像と同時並行して連続的な[[動脈血]]採血を行う必要がある。動脈血採血の負担は大きいことから、近年、これを回避するために特殊な小型のγ線検出器を用いて[[wj:頸動脈|頸動脈]]などから情報得る方法も試みられている。 | |||
近年、小動物用を用いるための様々な陽電子断層撮像法装置が開発されており<ref name=ref3>[http://www2.hama-med.ac.jp/w3a/photon/photon4/index-j.html 浜松医科大学 光尖端医学教育研究センター]</ref>、[[ヒト]]同様に、動物の脳に機能についても陽電子断層撮像法を用いた研究が様々なされている。動物の場合、頭部を不動化するために麻酔を施さなければならないが、麻酔下では脳活動は抑制され生理的な脳機能を測定することができないことや、使用する麻酔薬の種類によってPETプローブの動態が変わってしまうなどの問題が報告されている<ref name=ref4><pubmed>7874501</pubmed></ref> <ref name=ref5><pubmed>8962684</pubmed></ref>。このため動頭蓋骨に装着した特殊な器具で頭部を固定することにより無麻酔下での測定する方法が様々な動物で報告されている<ref name=ref4 /> <ref name=ref6><pubmed>20554730</pubmed></ref> <ref name=ref7><pubmed>20340166</pubmed></ref>。 | |||
==様々なPETプローブとその応用== | |||
[[image:陽電子断層撮像法4.png|thumb|350px|'''図3．初期アルツハイマー病患者におけるタウイメージング（<sup>18</sup>F-THK5117）（左）とアミロイドイメージング（<sup>11</sup>C-PiB）（右）'''<ref>[http://www2.idac.tohoku.ac.jp/dep/geriat/news/detail.php?no=1403154734 東北大学加齢医学研究所]</ref>]] | |||
様々な標的分子を特異的に認識するためには生体内物質の他に、標的分子に親和性、選択性の高い薬剤や[[wj:ペプチド|ペプチド]]、[[wj:抗体|抗体]]などの高分子化合物などに陽電子放出核種を標識し、標的分子の体内分布や機能変化を定量的に測定することができる（'''表'''）。例えば、[[パーキンソン病]]では、[[中脳]]の[[黒質ドーパミン]]細胞の変性、脱落により、投射先である[[線条体]]などで神経伝達物質であるドーパミン産生が減少し運動障害が徐々に進行するが、陽電子断層撮像法では、線条体における前シナプスに存在する[[ドーパミントランスポーター]]やドーパミン合成酵素を、[[2-carbomethoxy-3-(4-fluorophenyl)tropane|<sup>11</sup>C-2-carbomethoxy-3-(4-fluorophenyl)tropane]]（[[CFT|<sup>11</sup>C-CFT]]）や[[fluoro-l-dopa|<sup>18</sup>F-fluoro-l-dopa]]（[[F-DOPA|<sup>18</sup>F-DOPA]]）といったそれぞれに特異的なPETプローブを用いて、ドーパミン神経の変性を特異的かつ定量的に描出することが可能である。 | |||
また、[[アルツハイマー病]]の患者の脳では、病態の進行に伴う神経変性や脳機能の低下を<sup>18</sup>F-FDGを使って捉えることができるが、発症原因の一つ考えられている[[βアミロイドタンパク質]]や[[タウ]]タンパク質を特異的に認識するPETプローブ（例えば、[[PiB|<sup>11</sup>C-PiB]]や[[1THK5117|<sup>18</sup>F-THK5117]]）を用いて<ref name=ref8><pubmed>14991808</pubmed></ref> <ref name=ref9><pubmed>25792456</pubmed></ref>、それぞれのタンパク質の脳における蓄積を測定することも可能である（'''図3'''）。これらのPETプローブによるイメージングは、アルツハイマー病の早期診断だけでなく薬の開発にも応用されている。 | |||
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|+表. 脳研究に使われる様々なPETプローブ | |+表. 脳研究に使われる様々なPETプローブ | ||
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==参考文献== | ==参考文献== | ||
<references /> | <references /> | ||