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光を音に変換する光音響効果を利用した Photoacoustic Imaging株式会社同仁化学研究所 下村 隆 生体イメージングの利点は、生体を解剖することなく生体内の状況を把握できることである。そのためにも、見たいものを見えるようにする仕組みが必要となる。近年、生体内部をイメージング(可視化、画像化)する方法として、ポジトロン断層法 (Positron Emission Tomography: PET)や核磁気共鳴イメージング(Magnetic Resonance Imaging: MRI)、超音波イメージング(Ultrasonography: US)、蛍光イメージング(Fluorescence Imaging: FI)、光音響イメージング(Photoacoustic Imaging: PAI)などの手法が開発され、改良が重ねられている。表 1 にそれらの様々な特徴・特性を示す。例えば、US では、体内に照射された超音波は、骨など硬い組織では強く反射され、柔らかい組織では反射が弱いため、反射の違いを利用して画像化できる。FI では、目的部位に蛍光分子を集積させ体外から励起光を当て、発生する蛍光を検出し画像化できる。 光音響効果とは、光エネルギーを吸収した分子が熱を放出し、その熱による体積膨張で音響波が発生する現象である。実際には生体透過性の高い近赤外光を利用し、発生する超音波を音響センサで検出する(Fig. 1 右)。
光を使った生体の画像化には、波長が 700 〜 900 nm の近赤外光がしばしば使用される。その理由として、近赤外光よりも波長の短い可視光(400 〜 700 nm )はヘモグロビンなどによって強く吸収され、近赤外光よりも長い波長の赤外光(0.9 〜 400μm)は水によって強く吸収されるために、これらの領域の光の生体内における透過性は低い。これに対し、近赤外領域の光には、上述のような吸収が少なく、生体を透過しやすいからである。近赤外波長域は「生体の窓」とも呼ばれるのはそのためである。生体成分による光の吸収は Fig. 1 の左図のように表すことができる 1)。
今までは近赤外波長域を用い酸素結合状態と酸素非結合状態のヘモグロビンの吸収スペクトルが互いに異なることを利用して、血管及び、低酸素状態の固形がんのイメージングが行われてきた 2)。しかし、より詳細な検出や測定を目的として、目的の臓器や腫瘍を PAI でイメージングするには金ナノ粒子、SWNT (single-walled carbon nanotube、単層カーボンナノチューブ)、ICG (indocyanine green、インドシアニングリーン)、MB (methylene blue、メチレンブルー)などのコントラスト剤を体内に投与する必要がある。 PAI 用のコントラスト剤は近赤外光を吸収し、熱に変換する作用(光音響効果)が強く、抗体などを利用して目的の部位に集積させることで PAI シグナルが増強され、周りとの区別が容易になる。 ICG (肝機能検査用)や MB (メトヘモグロビン血症治療薬)は FDA (Food and Drug Administration、アメリカ食品医薬品局)に認証されていること、また近赤外光によって励起可能であることから、近年、 PAI に使用されている 3)。 次に、乳がん患者において、がん転移の有無を診断するために、腫瘍からのリンパ液が最初に到達するセンチネルリンパ節生検は必要な検査である。 以上のように、生きた動物の皮下の深いところにある臓器を数百 nm 以下の空間分解能で観察できる PAI は、in vivo の研究への利用が期待される。さらに、 ICG や MB などの近赤外蛍光色素を利用することによって光音響シグナルを増強することが可能であり、人のがん診断への適用なども期待される。 関連試薬
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