多発性硬化症に対するPET分析の現状、展望、応用

//背景//---
新型コロナウィルスの後遺症で
苦しんでおられる方は世界で多くいます。
そのような症状というのは、
心の状態によっても影響を受けると思います。
社会として支えていくという事が重要ですが、
わからないながらも一歩、一歩進める事によって、
患者さんの希望や安心につながればと考えています。
この情報で病因を取り除くことはできませんが、
心の状態を変える事ができれば、
それは治療に貢献する部分もあると思っています。
そういったことは新型コロナウィルスに限らず、
他の疾患に対してもそうです。
生活というのは続いていくものですから、
日進月歩進んでいるという事を公開する事も
患者さんの勇気に繋がる事もあると考えています。
それが私の駆動力の一つになっています。
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新型コロナウィルスの後遺症の症状から
多発性硬化症と類似する部分があるとされています。
多発性硬化症は免疫細胞が脳やせき髄などの中枢神経や視神経に
炎症を起こして、神経組織に損傷を与える自己免疫疾患です。
新型コロナウィルスの後遺症では
おそらく免疫機能が深く関係していると考えられるので
病気の分類としては異なっても、
その引き金となるものは類似している可能性があります。
そういった理由から引き起こされる臨床症状にも
一定の類似性を見出せるということかもしれません。
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新型コロナウィルスの後遺症の
治療のガイドラインを制定するにあたって
「適切なエビデンス、検査」に基づいた治療方法の確立が必要です。
ブレインフォグと呼ばれ、脳に影響があるのであれば、
後遺症の患者さんの脳の異常をまずは検査で見つける必要があります。
上の類似性を勘案すると、
多発性硬化症の検査方法の情報は
新型コロナウィルスの後遺症の診断にも役立つ可能性があります。
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Benedetta Bodini, Matteo Tonietto, Laura Airas & Bruno Stankoff 
(敬称略)ら医療研究グループは
陽電子放出型断層撮影法(PET)と多発性硬化症について
最新の研究成果を総括しています(1)。
その内容の一部を独自の調査、視点、考察を加えながら
読者の方と情報共有したいと思います。

//PETとは//---
PET検査では、まず陽電子(ポジトロン)を放出する検査薬(おもに
ブドウ糖を結合させた18F-FDG)を静脈から注射します。
身体にある細胞はブドウ糖を代謝の為に取り込みます。
そのブドウ糖を取り込む量は細胞種によって異なり
癌細胞では多く糖を細胞内に取り込むことが知られています。
検査薬ではブドウ糖に陽電子を放出する物質を結合させていますから
細胞が糖を含む検査薬を取り込んだときに、
その位置から陽電子が放出され、陽電子が寿命を迎えて
消滅する際にガンマ線が体外に放出されます。
そのガンマ線を検出する事によって
検査薬を取り込んだ場所の細胞が明らかになります。
脳は糖を多く接種するので黒く見えます。
癌細胞も同様に黒く見えます。
ガンマ線のコントラストによって糖の取り込み量依存的に
異常な細胞種の位置を明らかにします。
糖以外にタンパク質などを使う事も出来ます。
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//PETの利点(MRI診断と比較)//---
多発性硬化症の検査、診断にはMRIが使われます。
MRIは病変部位の磁力の変化に基づいて検査するものです。
この磁力の変化は細胞内の多数の生理的なプロセスの
間接的な結果として示されるものです(1)。
しかしながら、PETの場合は
特定の代謝プロセス(糖の取り込み)に特異的に感度を持っているため
この代謝プロセスが多発性硬化症による神経系の損傷において
特異的で、バイオマーカーとして優れていれば、
それを診断するための検査方法として適しているという事になります。
ただ、PETとMRIの利点を生かして、
それらを併用する事も検討されています(1)。
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//PETの課題//---
PETによって異なる生物プロセスを計測するためには
異なる放射線トレーサー(検査薬)が必要ですが、
多発性硬化症に対して適した放射線トレーサーは
一部に限られるとされています(1)。
また神経細胞ネットワークの結合、間に存在する
乏突起膠細胞、免疫細胞(リンパ球)を標的にできる
PETトレーサーは現在では存在しないと言われています。
その理由はこれらの細胞を特異的に識別する
受容体やタンパク質が現在見つかっていないからです(5)。
またトレーサー(検査薬)を開発するための
時間的、人的、経済的リソースは
神経系の細胞を治療する薬と同等の量(負担)が必要であるとされています。
人の脳の変化を捉えるためには多くの評価基準を
クリアする必要があるからです(6)。
このような事を加味すると、
検査薬と薬の機能を両方兼ね備えることはできないか？
という視点が生まれますが、簡単ではないかもしれません。
---
PETはガンマ線の強さの絶対値が何らかの意味を持つのではなく
他の部位との相対値で評価する必要があります。
従って、「参照量、基準」が必要です。
しかし、その基準をどこで設定するかという事に課題があります。
血液も含めて人の身体の中は常に流動しています。
その中でガンマ線の揺らぎ、偏差があります。
そのような値の変化が基準の設定を難しくしています(1)。
そういった中で参照点に準じた領域の設定をすることが挙げられています。
例えば、アルツハイマー病では
小脳が準・参照点として設定されます(7)。
PETトレーサーや対象とする疾患に合わせて、
どこに参照点を設けるかというのを最適化する事が挙げられています(1)。
多発性硬化症では免疫機能の関与が大きく
変化の拡散、流動性が大きいため、
それに罹患していない人の同じ場所の
動きを含めてコンピューターアルゴリズムを使って分析して
参照点設定する事があります(8,9)。
この手法は多発性硬化症における
〇神経炎症(10-12)
〇ミエリン鞘(13-15)
〇アデノシン A2A受容体濃度(16)
これらの異常計測に対して実績がありますが、
エラーに対して脆弱であることが指摘されています。
---
イオンの放射に対する繰り返される暴露は
放射線トレーサーに影響を与えますが、
PET-MRIを組み合わせることで
CTに関連する放射の信号を50-80%程度取り除くことが
できるとされています(17)。
またPETスキャンの為のハードは
ここ10年で顕著に改善したと言われています。
光電子増倍管やfield-of-viewスキャナーの改善により
信号に対する感度が顕著に向上したと言われています(18,19)。
また画像診断は人工知能が得意とする分野です。
機械学習技術によって、
100倍少ない検査薬でも臨床的に有意なイメージ再形成に
成功したと言われています(20)。
---
PETは今まで単一の施設などで小さなサンプル数で
調べられてきました(1)。
従って、PETを使った分析を発展させていくためには
国際的な施設間のデータシェア、協力、治験
それによる科学論文発表などが大切になると考えられます。

//脳の炎症による代謝変化//---
神経変性の疾患になるとグルコースの代謝低下や
ミトコンドリアの機能不全が生じるとされています(3)。
従って、糖と連結させた陽電子放出物質の検査薬を
体内に入れた場合において、
脳の炎症が起こっている場合には
脳は糖の消費が大きいため黒く見えますが、
炎症が生じている部分は信号が小さくなるため、
グレー、白色化すると考えられます。

//多発性硬化症のPETイメージング//---
多発性硬化症に特異的なPETイメージングをするためには
この疾患の病理、生理を理解して、
それに合わせた放射線トレーサーを設計する必要があります。
多発性硬化症は上述したように
脳の免疫機能の異常に関わる疾患ですから
マクロファージやマイクログリアが異常に活性化されます。
そうした場合TSPO(18-kDa translocator protein)が
多く発現されることがわかっています(21,22)。
従って、これと結合性を有する放射線トレーサーが
これまで設計されてきました。
第一世代として
11C-PK11195
第二世代として
11C-PBR28,  18F-PBR111,  18F-PBR06,  11C-DPA713, 
18F-DPA714, 18F-GE180 and 18F-FEDAA1106,
これらがあります(23-25)。
臨床でもいくつかの実績があります(26,27)。
実際の画像はRef.(1), Fig.2に紹介されています。
解像度にはまだ課題があると考えられます。
---
一方で課題もあります。
TSPOタンパク質は多型であるために
そのタイプによって放射線トレーサーの感度が変わることです
従って、ガンマ線の信号強度と
マイクログリアやマクロファージで活性化されている
TSPOの程度の相関関係には誤差があるということです。
こういったことは個人や地域(民族)によっても差があります。
従って、治験を行う際には
感度の低い、高いTSPOがどれくらい発現されているか
という情報が大切になります。
またTSPO自体にも本当に脳の免疫機能の活性化
多発性硬化症との関連について議論の余地があります。
ゆえに信頼性の高い標的受容体の探索は
改善された放射線トレーサーの設計、PET分析のために
必要なものです。
例えば、
〇cannabinoid receptor 2, 
〇purinergic receptors P2X7 and P2Y12, 
〇macrophage colony-stimulating factor 1 receptor (CSF1R), 
〇Mer tyrosine kinase, cyclooxygenase 1 and 2, 
〇the kynurenine metabolic pathway, 
〇reactive oxygen species
これらが報告されています(28-30)。
---
一方、冒頭で述べた糖と同様の代謝機能などにも着目して
複数の放射線トレーサーによるPET分析を行い
「画像を重ね合わせること」で多発性硬化症の診断の為の
信頼性を上げる事もできるかもしれません。
---
また他の細胞として
同じ神経系の間質にあるアストロサイトと
多発性硬化症の関係
それに対する放射線トレーサーの設計が検討されています。
11C-BU99008放射線トレーサにおいて
すでにパーキンソン病では調べられていますが、
多発性硬化症の患者さんには未実施となっています(31)。
---
その他、ミエリン鞘の形成異常なども着目されています。
他の脳神経系の疾患でも同じですが、
病理、生理を理解して、
最適な標的を見つけることが大事です。
前述したように異なる放射線トレーサーを2回に分けて
投与して、それらから得られた画像を重ね合わせるという
方法も考えられます。
また、画像分析においては機械学習、人工知能も使えます。
それらターゲットを見つけるためには
患者さんからの細胞から異常のある脳組織、神経系を
iPS細胞など細胞再生技術で生み出して、
代謝機能やタンパク質発現などを分子レベルで
生体外で調べる事ができれば、
PET分析は著しく飛躍すると考えられます。
こういった分析はPET分析だけではなく、
薬剤の設計や病理の理解にも役立つので、
資源を投資する価値はあると考えられます。
例えば、原子間力顕微鏡などを使った
表面受容体などを含めた細胞レベルの分析方法も
検討されています(4)。
後述する細胞特異的輸送系統
(The cell-type-specific delivery system)でも
細胞種ごとの表面受容体などの分析(種類、統計)は
欠かせないものとなっています。

//新型コロナウィルス後遺症とPET//---
新型コロナウィルスの後遺症が肥満細胞、
あるいはそれに追随したヒスタミン、TNF、IL-6
などと関連があるなら、
その細胞やタンパク質に結合性をもつ
放射線トレーサーを設計することで
これらの細胞が脳のどこに存在するか
あるいはしないのか画像によって確認できる可能性があります。
また、上述した多発性硬化症の
放射線トレーサーをそのまま使える可能性があります。
それで異常が見られた場合には
マイクログリアやマクロファージなど
免疫的な異常が脳内で生じている事の証明にもなります。

//放射線トレーサーの付加的機能//---
放射線トレーサーは適切な結合因子を選べば
PET分析によって場所特定を行う事ができます。
放射線トレーサーに薬剤を複合体として構成できれば、
位置がわかるだけではなく
薬剤の輸送の確認、輸送効率の評価
さらに治療まで同時に行うことができる可能性があります。
また信号強度の変化を見ることで
治療効果を位置特異的に評価する事も出来るかもしれません。
放射線トレーサーの設計は
薬剤の開発と同程度の資源、労力、コストが必要である
とされていますから、同時に薬剤開発を兼ねることで
これらの資源を有効活用できる可能性もあります。

//PETの適用性について(考察)//---
陽電子放出物質18F-FDGに結合させるのは
糖に限らず、薬剤、細胞、他の代謝生成物など適用可能かどうか？
炎症性マイクログリアに多く発現されてるTSPOに結合させる事が
可能なので、原理的には可能であると考えています。
例えば、薬剤であれば、
薬剤がどの場所に輸送されたか陽電子の信号から
分析する事が可能かどうか？
他には細胞への適用も考えられます。
例えば、CAR免疫細胞に陽電子放出物質を付けて
全身のどの部分に生着しているか確認できるかどうか？
糖以外の脂質、微量金属、タンパク質などに
結合させることでその代謝生成物依存的な信号が
糖と同様に得られるかどうか？
このような事が考えられます。

//細胞特異的輸送系統の観点//---
抗体薬物複合体では抗体の発現量が必ずしも抗がん剤の
効き目に影響を与えていなかったという結果があります(2)。
このような細胞特異的に輸送するシステムでは
薬剤が実際に狙い通りの機序によって効率的に輸送されているか？
というのを確認する必要があります。
抗体薬物複合体や細胞特異的輸送系統であるナノ粒子に
陽電子を放出させる物質をいれておいて、
それが放出されたときに陽電子消滅によってガンマ線を
場所特異的に分析するような検査薬を作ることができるか？
という視点があります。
こういった特定の物質を入れて、
そこから出る何らかの信号によって
体外から分析する方法はPETに限らず、
細胞特異的輸送系統(The cell-type-specific delivery system)
を実現するにあたって不可欠であると考えられます。
Benedetta Bodini氏, Matteo Tonietto氏らが指摘されているように
有効な検査薬を作ることは、薬剤を作る事と同等の資源、労力が
必要であるとされています。
従って、上述した薬剤を試薬を兼ねる構想や
薬剤や試薬を作るための手順の技術発展、低コスト化なども
同様に必要になります。

(Reference)
(1)
Benedetta Bodini, Matteo Tonietto, Laura Airas & Bruno Stankoff 
Positron emission tomography in multiple sclerosis — straight to the target
Nature Reviews Neurology (2021)
---
Author information
Affiliations
Sorbonne Université, Paris Brain Institute, ICM, CNRS, Inserm, Paris, France
Benedetta Bodini, Matteo Tonietto & Bruno Stankoff
Neurology Department, St. Antoine Hospital, APHP, Paris, France
Benedetta Bodini & Bruno Stankoff
Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, Inserm, BioMaps, Service Hospitalier Frédéric Joliot, Orsay, France
Matteo Tonietto
Turku PET Centre, Division of Clinical Neurosciences, Turku University Hospital and University of Turku, Turku, Finland
Laura Airas
(2)
Bob T. Li, M.D., Ph.D., M.P.H., Egbert F. Smit, M.D., Ph.D., Yasushi Goto, M.D., Ph.D., Kazuhiko Nakagawa, M.D., Hibiki Udagawa, M.D., Julien Mazières, M.D., Misako Nagasaka, M.D., Ph.D., Lyudmila Bazhenova, M.D., Andreas N. Saltos, M.D., Enriqueta Felip, M.D., Ph.D., Jose M. Pacheco, M.D., Maurice Pérol, M.D., Luis Paz-Ares, M.D., Kapil Saxena, M.D., Ryota Shiga, B.Sc., Yingkai Cheng, M.D., Ph.D., Suddhasatta Acharyya, Ph.D., Patrik Vitazka, M.D., Ph.D., Javad Shahidi, M.D., David Planchard, M.D., Ph.D., and Pasi A. Jänne, M.D., Ph.D. for the DESTINY-Lung01 Trial Investigators*
Trastuzumab Deruxtecan in HER2-Mutant Non–Small-Cell Lung Cancer
The New England Journal of Medicine September 18, 2021
---
Author Affiliations
From Memorial Sloan Kettering Cancer Center and Weill Cornell Medicine, New York (B.T.L.); the Netherlands Cancer Institute, Amsterdam (E.F.S); the National Cancer Center Hospital, Tokyo (Y.G.), Kindai University Hospital, Osaka (K.N.), and the National Cancer Center East, Kashiwa (H.U.) — all in Japan; Centre Hospitalier Universitaire, Toulouse (J.M.), Centre Léon Bérard, Lyon (M.P.), and the Department of Medical Oncology, Thoracic Group, Gustave Roussy, Villejuif (D.P.) — all in France; Karmanos Cancer Institute, Detroit (M.N.); the University of California, San Diego, Moores Cancer Center, San Diego (L.B.); Moffitt Cancer Center, Tampa, FL (A.N.S.); Vall d’Hebron University Hospital and Vall d’Hebron Institute of Oncology, Barcelona (E.F.); University of Colorado, Aurora (J.M.P.); Hospital Universitario 12 de Octubre, H12O–Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) Lung Cancer Clinical Research Unit, and Complutense University, Madrid (L.P.-A.); Daiichi Sankyo, Basking Ridge, NJ (K.S., R.S., Y.C., S.A., P.V., J.S.); and Dana–Farber Cancer Institute and the Belfer Center for Applied Cancer Science, Boston (P.A.J.).
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Force spectroscopy of single cells using atomic force microscopy
Nature Reviews Methods Primers volume 1, Article number: 63 (2021)
---
Author information
Affiliations
Louvain Institute of Biomolecular Science and Technology, Université Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgium
Albertus Viljoen, Marion Mathelié-Guinlet, Ankita Ray, David Alsteens & Yves F. Dufrêne
Departement of Biosystems Science and Engineering, ETH Zurich, Basel, Switzerland
Nico Strohmeyer & Daniel J. Müller
Institute of Biophysics, Johannes Kepler University, Linz, Austria
Yoo Jin Oh & Peter Hinterdorfer
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