成果報告書詳細
管理番号20110000000140
タイトル平成21年度成果報告書 分子イメージング機器研究開発プロジェクト/新規悪性腫瘍分子プローブの基盤技術開発/分子プローブ評価システムの開発
公開日2011/6/7
報告書年度2009 - 2009
委託先名国立大学法人北海道大学 国立大学法人電気通信大学
プロジェクト番号P08029
部署名バイオテクノロジー・医療技術開発部
和文要約時間分解計測法を用いた「分子プローブ評価システム」を試作し、生きたラット組織の中に埋め込まれた蛍光物質による吸収の断層画像を取得した。ピコ秒レーザーを光源とし、小動物を透過する励起光および蛍光の時間応答関数を計測できるシステムを試作した。入射と検出に光ファイバーを用い、検出側ファイバはファイバスイッチにより順次切り替えることができるようにした。平均飛行時間から、吸収の画像を得るためのアルゴリズムを開発した。仮想的な光としてトータルライトを考えることにより、蛍光イメージングの問題を拡散光トモグラフィの問題に簡単化出来きることを用い、蛍光物質由来の吸収をイメージングする。今回は、励起光と蛍光の平均飛行時間と、それぞれの相対強度比を用いる。測定された平均飛行時間と拡散方程式から計算されるそれとの差が最小になるように、試料内の吸収を合わせていく操作をすることのより吸収画像を得る。実際の実験では、まず polyoxymethylene(POM)樹脂で出来た円筒形試料の中に液体状の蛍光ターゲットを入れたものの画像再構成を行い、定量性を評価した。蛍光ターゲットとしては、ICGとイントラリピッドの混合液を用いた。この混合液は、ICG水溶液より安定で、蛍光強度が強く蛍光寿命も長いことがわかった。濃度を変えながら画像再構成を行い、1μMよりも低い濃度で、吸収係数と良い比例関係を得た。比例関係からのずれは、標準偏差として 13%であり、目標値10%に近い値を実現した。一方、位置は 1mm前後の精度で決めることができた。これらの実験に対しファントムと同様の条件でシミュレーションを行い、数値計算的にアルゴリズムの妥当性を検討した。濃度の濃い所では、再構成された画像の吸収ピークが直線からはずれることなど実験結果を再現した。一方、次のステップを踏まえ、3次元のアルゴリズムに関しても検討した。シミュレーションにより、3次元でも同様な精度で決定できると結論付けた。さらに生きたラットについての蛍光ターゲットの画像化を試みた。ラット腹部に蛍光物質の入ったキャピラリを埋め込みその断面を場所を変え計測した。実際の計測では、ラット組織の強い吸収と自家蛍光のバックグラウンドが強いことから、やや濃い2μMのICGイントラリピッド混合液を用いた。キャピラリ中心部を通る断面では、キャピラリ位置周辺にターゲット由来の吸収像を得ることができた。一方、キャピラリ端面に近く蛍光物質が少ない断面では吸収像がはっきりしなくなった。像がキャピラリに含まれる蛍光物質由来であると言えた。ラットの断層画像取得に成功した。最後に、分子プローブの評価の例として、新しく開発された、IC7-1に関しての評価を試みた。基礎物性を評価するとともに、実際にラット腹部に埋め込み、測定に耐え得るのかを評価した。ICGと比べると発光効率は落ちるものの、計測可能なレベルであった。また蛍光寿命が短いという利点もあった。今回は、ICGに特化したシステムであるために評価が厳しくなったことを考えると、このプローブは有望であると結論した。以上の結果により、本研究で開発した分子プローブ評価システムは、将来実用化が可能であると結論した。
英文要約Title:Development of Core Technology on Novel Molecular Imaging Probes for Malignant Tumor Detection, Development of imaging technology to assess molecular probes (FY2008-FY2010) Final Report.A multi-channel time-resolved fluorescence measurement system has been developed. Finally, cross section images of the absorption of the fluorescent target implanted in a living rat have been obtained. The system consists of a pico-second laser and fiber detector, which can select one of specific fiber from the multiple fibers. It can measure the temporal profiles of the excitation and fluorescence light at different detection points, which are located around the sample surface. An algorithm of the reconstruction using the mean-transit time (MTT) of light has been developed. Our algorithm is based on the fact that fluorescence diffuse optical tomography problem can be reduced in two simpler diffuse optical tomography (DOT) problems using an idea of a virtual light, so-called total-light. MTTs of the excitation and total-light profiles are fitted to make the absorption image of background and fluorescent target. The cylindrical phantom, made by POM resin, with a liquid fluorescent target was analyzed. The target consists of a mixture of ICG and Intralipid solutions. The reconstructed images with the different concentration of ICG confirm a linear relationship between the concentration and the absorption upto 1 micromolar. Further, the peak position of the absorption image agrees well with the target position. The reconstruction algorithm has also been tested using simulated time-resolved data and the reconstructed images confirm the results by the experiment. For the future extension of image reconstruction, a 3-D image reconstruction program is also developed. The image reconstruction with living rats is also conducted. The rat was received a surgical operation to insert a capillary, which contained a 2 micromolar ICG-intralipid solution, and the cross section of the rat, slicing at the capillary target, was measured. The reconstructed image well agrees with the capillary target position when the middle of the target was sliced by the cross section. On the other hand, the image becomes not clear when the cross section comes at the edge of the capillary. This results confirm that the images actually come from the target and the reconstruction of the fluorescence target in rat is succeeded. Finally, a new fluorescent molecular probe, IC7-1, both in a solution and in a living rat, is accessed by the system. The results indicate that the faster fluorescence lifetime of IC7-1 might be an advantage in future image reconstruction and IC7-1 will be a good candidate of the fluorescence targeting after the optimization of the system for the fluorescence in a longer wavelength region of IC7-1. In conclusion, our system developed can extend for a human tissue imaging application.
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