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放射性薬剤から出る放射線を利用した生体内酸素濃度計測 ~がん治療法の最適化にも役立つ新しいPETの実現へ弾み~

 東京大学と国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(QST)は2020年10月1日,東京大学大学院 総合文化研究科の澁谷 憲悟助教と齋藤 晴雄教授が,QST量子医学・医療部門 放射線医学総合研究所の山谷 泰賀グループリーダーらとともに,PET(陽電子放射断層撮影法)検査で受診者の体内に副次的に生成するポジトロニウム原子(Ps)を利用して,生体内の酸素分布を調べる新しい方法を開発した,と発表した.本研究の一部は独立行政法人日本学術振興会(JSPS)からの科研費助成を受けて行われ,成果はCommunications Physics誌の電子版にて公開された(注).

 活発な固形がんは酸素消費が激しいため「低酸素状態」を生じ,このような低酸素状態のがん細胞は抗がん剤や放射線による治療が効きにくくなる.効果的な治療のために,生体内の酸素濃度分布を精度良くかつ非侵襲的に測定する方法が求められているが,これまでの手法は体表面の計測に限られ精度も低かった.一方,がん検診などにも使用されるPET検査は,陽電子を放出する核種を含む薬剤を受診者に投与し,体内で発生するガンマ線を検出することで,薬剤の動きやがん発生部位への集まり具合を測定している.薬剤が体内で放出する陽電子は,数mmも移動せず数ピコ秒以内に電子に出会って直ちにガンマ線(即発(prompt)ガンマ線)に変化するが,一部の陽電子は,一旦,水素原子の陽子が陽電子に置き換わったPsを形成し,その崩壊を経て,即発ガンマ線から20ナノ秒ほど遅れてガンマ線(消滅(annihilation)ガンマ線)に変化する.これまでのPET検査では即発ガンマ線だけが着目され,消滅ガンマ線から得られる情報は利用されていなかった.

 Psは,電子と陽電子のスピンの向きが揃っていると比較的安定であるが,スピンの向きが逆になると,安定性が低下してガンマ線に変化するまでの時間が短くなる.Psを構成する電子と陽電子スピンは,周囲の酸素分子の不対電子からの影響で向きが逆転することがあるため,Psの崩壊,すなわち消滅ガンマ線発生までの時間は周囲の酸素分子の影響を受けて変化する.渋谷助教らは,酸素濃度の異なる水溶液における即発ガンマ線と消滅ガンマ線の時間ずれを精密に測定し,両者に明瞭な直線関係を見出した.実験で得られた酸素濃度の絶対値の誤差は5~10mmHgであるが,たとえば,肝臓の腫瘍細胞内の低酸素状態が6mmHg前後,健常な酸素状態が40mmHg前後であることから,実用感度として十分と言える.この結果は,薬剤の種類にも影響されないため広く適用が可能で,実用化されれば従来のPET検査とは独立して酸素濃度分布情報も得られるようになる.

 今後,研究グループは,がん検診に最適な陽電子放出核種の探索や小動物での実証実験を行い,がん悪性度の高精度鑑別や適切な治療法決定への利用を目指すという.

(注)Kengo Shibuya, Haruo Saito, Fumihiko Nishikido, Miwako Takahashi, and Taiga Yamaya, "Oxygen sensing ability of positronium atom for tumor hypoxia imaging", Communications Physics, Vol. 3, Article number: 173 (2020), DOI: 10.1038/s42005-020-00440-z; Published: 01 October 2020