腫瘍辺縁の可視化を利用した二チャンネル近赤外蛍光による、精密で安全な肺区域切除術の実現

肺がんは、世界的にがん関連死の主な原因となっています。コンピューターCTスクリーニングの導入により、肺がんの早期発見率が大幅に向上し、死亡率が顕著に低下したと報告されています。近年、早期の非小細胞肺がん(NSCLC)の発症率が顕著に上昇しており、3年生存率は21%から31%に上昇したと研究で示されています。早期NSCLCまたは肺機能障害のある患者に対しては、精密な縮小手術である肺区域切除術が、生存率の向上と肺機能の保持につながります。肺区域切除術の成功の鍵は、手術中に癌組織と肺区域面を同時に正確に識別することです。しかし、高い背景信号と標的プローブの低い血清安定性などの問題から、手術の切除縁を正確に同定することは困難でした。

本研究では、腎クリアランスと良好な理化学的安定性を有する標的蛍光色素を用いた、新しい二チャンネル近赤外蛍光イメージングアプローチを開発しました。これにより、手術中に異なる色で腫瘍と肺区域面を明瞭に識別し、精密な肺区域切除術を実現しようとしました。この研究は、International Journal of Surgeryに掲載され、韓国大学グロ病院胸部外科、ボストン マサチューセッツ総合病院 画像センター、瀋陽薬科大学などの研究機関が共同で行いました。主著者にはOk Hwa Jeon、Kai Bao、Kyungsu Kimなどがおり、通信著者にはハーバード医学大学のHak Soo ChoiとKorea Universityの Hyun Koo Kimがいます。

研究背景と目的

肺区域切除術は、正常組織の切除を最小限に抑えられるため、非常に初期の肺がんまたは肺機能障害のある患者に推奨される縮小手術です。しかし、手術中に腫瘍を正確に検出し、同時に肺区域面を識別することは非常に困難です。著者らは、新しい二チャンネル近赤外蛍光イメージング技術を開発することで、手術中に異なる色で明瞭な可視化を実現し、この問題を解決し、手術の成功率を高め、再発率を低下させることを目指しました。

研究方法

研究デザイン

本研究では、マウス、ウサギ、イヌのがん動物モデルを用い、700nmと800nmの二つの近赤外蛍光色素を開発しました。これらの色素の生物分布、腫瘍への標的能力、光学および生物学的特性を試験管内および生体内で評価しました。研究は以下の手順で行われました。

1. 蛍光色素の開発と特性評価:

   • 通常のN-ヒドロキシスクシンイミド化学を用いてcrgdykとzw800-PEGの結合体(crgd-zw800-PEG)を合成し、理化学的性質、血漿タンパク質結合親和性、細胞毒性を評価しました。
   • 700 nm発光のzw700-1cを開発し、800 nm蛍光色素と組み合わせて使用しました。

2. 細胞実験:

   • NSCLCの細胞株で、蛍光色素の細胞への標的能力と細胞内取り込みを評価しました。がん組織と対照組織におけるインテグリンαvβ3の発現レベルを検出しました。

3. 動物実験:

   • がん動物モデルにcrgd-zw800-PEGを静脈内投与し、生物分布、薬物動態学、クリアランス特性を評価しました。
   • 腫瘍の位置と投与量を最適化し、最終的にイヌモデルで区域面の識別能力を評価しました。

研究対象

• 細胞サンプル: 培養NSCLC細胞株を使用し、細胞実験を行いました。患者のがん組織と正常対照組織でインテグリンαvβ3の発現を分析し、標的特異性を検証しました。
• 動物サンプル: マウス、ウサギ、イヌを生体内実験のモデルとして使用し、蛍光色素の標的能と生物分布を評価しました。

結果

理化学的性質と光学特性

• 化学合成されたcrgd-zw800-PEGは、水溶性と血清安定性に優れ、手術室用近赤外蛍光イメージングシステムに適した長波長シフトした発光波長を示しました。
• crgd-zw800-PEGの標的特異性は優れた腫瘍対背景比(TBR)を示しました。FDA承認済みの近赤外蛍光プローブICGに比べ、より高い標的能と溶媒溶解性を示しました。

細胞実験結果

• 培養細胞実験では、crgd-zw800-PEGはインテグリンαvβ3高発現のNSCL細胞に対し優れた標的結合能を示し、非腫瘍細胞に対する毒性は低かったです。
  
• 61例のNSCLC患者サンプルにおいて、インテグリンαvβ3は癌組織で正常組織に比べ有意に高発現しており、肺腺がんと肺扁平上皮がんの両方で高発現していました。これはcrgd-zw800-PEGの有効な標的能と臨床適用性を示唆しています。

動物実験結果

• マウスがんモデルにcrgd-zw800-PEGを投与すると、優れた腫瘍標的能とクリアランス特性を示し、ICGやzw800-PEGに比べ有意に高いTBRと長い血中半減期を示しました。
• ウサギVX2がんモデルでは、0.1 mg/kgのcrgd-zw800-PEGが最適な腫瘍標的能と高いTBRを示しました。
  
• イヌモデルでは、0.3 mg/kgのzw700-1cとzw800-PEGの静脈投与により、良好な肺区域面の識別と長時間の信号持続が得られ、手術ガイダンスに適していました。

研究の結論

本研究では、血液プールのzw700-1cと腫瘍標的のcrgd-zw800-PEGを組み合わせた新規の二チャンネル近赤外蛍光イメージングアプローチを開発しました。これにより、手術中に腫瘍と肺区域面を異なる色で同時に明瞭に識別でき、精密で安全な肺区域切除術を実現できます。この手法は、手術時間と再発率を低減し、がん患者の生存率を向上させる可能性があります。将来的には、特に肺がん手術における画像ガイド下の正確な切除において、臨床応用価値が高いでしょう。

重要性と応用価値

本研究は、肺区域切除術における腫瘍と肺区域面の同時識別の課題を解決するだけでなく、二チャンネル近赤外蛍光イメージングによる高い腫瘍標的能と長時間の信号持続を初めて実証しました。これは、将来の臨床手術中の画像ナビゲーションに新たな道筋と技術を提供します。

本技術により、手術中の腫瘍と肺区域の可視化が可能になれば、手術の正確性と安全性が大幅に向上し、患者の術後再発率が低下し、生存率が向上すると期待されます。さらに、二チャンネル近赤外蛍光イメージングには広範な応用が見込まれており、肺がん手術だけでなく、他の種類の手術にも応用可能です。