では、がん腫瘍の

生理機能をパスルオキシメーターで計測したら、がん細胞のバイオリズムを知ることができるのではないか？そこにはおそらく呼吸不全に陥ったがんもいれば、比較的恵まれた酸素化環境にいるがんもいるかもしれません。

　近赤外光スペクトロスコピーによる乳がんイメージングは、こうした腫瘍血管によるがん組織の酸素化を低侵襲でモニターリングできる分光システムです。

この度、我々のグループから最新の知見を報告いたします。

[Cancer Science 2014 Apr 26. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24766271]

　我々は118例の手術前の乳がん患者さんに同意を頂いて、腫瘍組織の総ヘモグロビン量（腫瘍血液量）と酸素飽和度（低酸素）を調べてみました。ご覧のように、乳がんのある乳房をイメージングしますと、病変部とほぼ一致してヘモグロビン濃度のホットスポットが見られます。我々の検討ではホットスポットが見られる腫瘍は、腫瘍のT-stage（大きさ）に依存し、サイズの小さい乳がんや非浸潤性乳がんではホットスポットとして視覚的に検出できないことが分かりました（表１）。ステージ１（2cm未満）腫瘍では実に44％しか検出されていません。

　近赤外光イメージングは、周囲の正常組織のヘモグロビン濃度と比較して、腫瘍の豊富な血液量を反映した高いヘモグロビン濃度のコントラストを利用して画像化していますので、検出されない腫瘍はほぼ正常組織と同じ程度の血液量しか蓄えていないのです。近赤外光イメージングは早期の乳がんの発見にはあまり役立たないという解釈もできますが、こうした生体機能イメージングはがんの「機能」を見るためのものですので、見えないことも大切な情報となるのです。

　少し話は逸れますが、PETなどが良い例です。糖代謝をイメージ化するFDG-PET/CTでは、抗がん剤投与後の腫瘍は見えなくなってしまうことがあります。最近の研究では、抗がん剤投与直後の腫瘍のFDG集積がなくなるケースでは、そうでないケースよりも治療効果が高く、予後が良好であることが知られています。また近年、続々と開発されているトレーサー、例えば核酸代謝・増殖能をイメージ化するFLT-PETや細胞内低酸素をイメージ化するFMISO-PETなども、腫瘍の早期検出にはほとんど役に立たないものの、「見えない」ことがその後の治療を選択するうえで重要な情報になるのです。

　我々の検討では、腫瘍対正常組織のヘモグロビン濃度のレベルは、腫瘍径だけではなく、組織学的悪性度や血管侵襲の程度と強く相関することが分かりました。また、FDG-PET/CTで計測した腫瘍のFDG集積の程度（SUVmax）と非常に高い相関がありました。これらはがんの糖代謝－がん悪性度―腫瘍の新生血管の間の深い関わりを示唆しているのです（表2）。

　さて、腫瘍の酸素飽和度はどうでしょうか。酸素飽和度は患者さんの年齢や腫瘍径と弱い相関があるものの、がんの悪性度を示す病理学的因子との相関はほとんどありませんでした。腫瘍の低酸素を見ているはずなのにどうしてがんの悪性度と相関しないのでしょうか。

　下の図を見てください。これは正常組織とがん腫瘍の総ヘモグロビン濃度と酸素飽和度をプロットした表です。

がん腫瘍は正常組織と比較して明らかに総ヘモグロビン濃度が高いことが分かります。さらに酸素飽和度も正常組織と比べて有意に高いことが分かります。おそらくこれこそが腫瘍は組織内の酸素化を維持するために新生血管を増生している証なのです。実際に一つ一つの症例を見比べてみますと、総ヘモグロビン濃度は正常組織よりもほぼすべての症例で高い値を示しますが、酸素飽和度は正常組織よりも極端に低いがんもあれば、正常組織と同様に高いがんもあります。おそらく、悪性度の高いがんの中にも、酸素化を維持して増殖が盛んな腫瘍もあれば、低酸素から抜け出せず、微小環境の不安定性を引き越している腫瘍もいるのでしょう。がんの酸素飽和度はもしかしたら薬物透過性や抗がん剤や血管新生阻害薬の治療効果との相関があるのかもしれません。

このように、近赤外光イメージングで見る乳がんの生体機能とは、従来の病理組織検査では分からなかった血管新生の増生のレベルと組織低酸素を計り、治療に役立てることなのです。がんの血管新生とは数時間単位で破たんと増生を繰り返し（リモデリング）、また、がんの低酸素とは、時間的にも空間的にもヘテロな状態（Cyclic hypoxia）と知られています。もしかしたら将来はがんの時間的空間的な生理機能のバイオリズムを光で見る時代が来るかもしれません。

　この腫瘍血管の特性、つまり豊富であっても機能性の乏しい血管構造が結果的にさらなる低酸素や低栄養を導き、がんの微小環境の不安定性をもたらす危険性があります。

　これらの知識は、これまでマウスなどの小動物を利用した実験で明らかになったことであり、人間では腫瘍の低酸素や血管構築を定量化する手段がありませんでした。動物実験と人のがんで明らかに異なることは、腫瘍の多様性であります。例えば乳がんでは、抗がん剤がよく効く腫瘍と抵抗性を示す腫瘍がありますが、これらを明確に2分することはできません。さらに抗がん剤の感受性が高い腫瘍だからといって、抗がん剤を使えば患者さんの予後が良くなるという訳ではなく、すぐに再発をしてしまうたちの悪いがんがいる一方、抗がん剤に抵抗性を示す腫瘍でも、進展が遅く、すぐに転移せずに、乳房にとどまっている性格のものもいます。

　ここで考えたいことは、がん細胞のもつ内在的な特性、代謝回転の速い・遅い、薬物感受性の高い・低い、転移浸潤能の高い・低いといった特性の他に、間質・血管のもつ特性、腫瘍血管の脆弱性の有無、酸素化、pH、間質圧の高い・低いなどが、予後や治療効果に影響を及ぼしている可能性です。

　例えば、代謝回転が高く、薬物感受性の高いがん細胞であっても、腫瘍血管が脆弱で、薬剤の浸透が十分でなければ抗がん剤が効くことは少なくなります。一方、代謝回転が低く、抗がん剤の感受性が低いがん細胞であっても、組織の酸素化が十分であれば、もしかしたらがん細胞の転移・浸潤能は比較的低く抑えられ、原発巣にとどまりながらゆっくりと増殖をし続けるのかもしれません。

　最近、血管新生阻害薬が数多く開発され、臨床現場ですでに使用されているものもあります。代表的な血管新生阻害薬がアバスチン(bevacizumab)で、多くのがん腫で有効性が確かめられています。アバスチンはVEGFと呼ばれる血管新生因子の一つを中和する抗体ですので、多種多様な血管新生因子（例えばPDGFあなど）は抑制しないため、その作用は限定的と考えられます。実際に乳がんの臨床試験では腫瘍の進展を抑える効果は期待されるものの、患者さんの生存率の向上まではよい影響を及ぼすことはできませんでした。

　しかしながら、アバスチンの研究をすることで、腫瘍血管とがん細胞の関係を理解することができます。最近の研究では、アバスチンの主要な作用はVEGFを中和させ、腫瘍血管の新生を抑制するだけではないことが分かってきました。VEGFの抑制により、腫瘍血管の再構築（リモデリング）を誘導し、組織の酸素化を改善することで、低酸素を解除し、結果的に抗がん剤の浸透をよくすることが主な目的であることが分かってきたのです。さらに腫瘍血管リモデリングは治療開始後、3時間 ～3日という比較的早いタイミングで起こる可能性があるというのです。つまり腫瘍血管の正常な血管のように機能的にすることが治療効果を高めるために非常に重要であるわけです。しかし逆に考えると、血管リモデリングが上手くいかない場合、既存の血管は破たんしてしまし、さらなる低酸素を招いてしまう可能性も指摘されています。血管新生阻害薬とは諸刃の剣なのです（右図）。

　これは血管新生阻害薬に限った話ではありません。抗がん剤には、アバスチン同様に、腫瘍血管リモデリングを持つことが知られています。古くはサイクロフォスファミドや５FUにその作用があることが知られていますし、近年は、ハーセプチンやタキサン系薬剤やエリブリンなどの新薬でも腫瘍血管リモデリングをほのめかす前臨床研究の結果が報告されています。

　このような腫瘍血管リモデリングをリアルタイムに画像化することができたら、いち早く治療効果を予測することができるわけですが、現状では血管構造や低酸素をイメージできるDCE-MRIやfunctional PETなど最新の検査があるものの、超早期の撮影には制限があり、臨床応用には至りません。近赤外光イメージングはベッドサイドで造影剤を使用せずに測定でき、簡便に組織ヘモグロビン濃度を定量化・画像化することで、間接的に腫瘍血管量や組織酸素飽和度を求めることできるため、臨床応用に向けて現実的な手法であると考えています（下図）。 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24176197 )

　実際にハーセプチンを初回に単剤投与した症例を提示します。投与前後の腫瘍と腫瘍周辺の総ヘモグロビン量を画像化すると、興味深い変化が見られます。投与後1日で総ヘモグロビン濃度の上昇とともに組織酸素飽和度の上昇（フレア現象）が見られますが、その後、総ヘモグロビン濃度は徐々に減少します。これは超早期の腫瘍血管の反応性を示しているとともに、その後の腫瘍血管の退縮を観察しているのかもしれません。（下図）。

　ヘモグロビンのフレア現象が抗がん剤感受性の高い腫瘍で起こりやすく、治療効果の指標として期待されることが、我々から報告していますので、お時間があるときにぜひ読んでください。(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21852577 )

　さて、アバスチンではどうでしょうか。アバスチンはハーセプチンや抗がん剤とは全く異なる反応を示すことが分かりました。この結果は来年には報告させていただきます。

Hemodynamic biomarkerとしてのヘモグロビン濃度

組織血液量：total Hb (uM) = HbO2 + HHb

組織酸素化：stO2 (%) = HbO2 / tHb × 100

　実際に乳房内に発生する乳がんの組織酸素化のレベルを測定してみると、酸素飽和濃度の値の低い乳がんから、高い乳がんまでさまざまであることが分かります。我々は以前、この酸素飽和濃度のよい乳がんは抗がん剤感受性が高いことを報告してきましたが（H25日本乳癌学会「がん機能イメージングの最新動向と将来への展望」（続き2）http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22777823）、実際に酸素飽和濃度が高くても抗がん剤抵抗性を示す乳がんもあり、酸素飽和濃度のレベルはベースラインにおける腫瘍の微小環境の一部を表現しているに過ぎないと感じています。また同じ患者さんでも、時間を追って計測すると、酸素飽和濃度の値は大きく変化することに気づきます。こうした腫瘍低酸素の日内、月内変動をCyclic hypoxiaと呼ばれることがありますが、おそらく乳がんには腫瘍内の血管新生の早いターンオーバーを反映して、時間的にも空間的にもヘテロな微小環境があるものと思われます。

（図）








　
　そもそも腫瘍低酸素の臨床的な重要性は、Drug delivery、薬剤・放射線感受性とともに、低酸素により引き起こされる微小環境やがん細胞の遺伝子の不安定性により、がんの悪性度や転移浸潤能が増強してしまうのではないか、という所です。しかし、いくら組織酸素化がよくても、それ以上にがん細胞の代謝回転が速ければ、細胞内低酸素は改善されませんし、逆に慢性的な組織低酸素に適応してがん細胞が休眠状態に陥っていれば、こうした問題は発生しません。さらにこうした現象が一つの腫瘍の中でまだら模様に存在している可能性もあります。こうして考えると、組織低酸素と細胞内低酸素は別物であり、両者は相対的な現象であることに気づきます。実際に正常側の乳房の酸素飽和濃度を測定してみると、かなり酸素飽和濃度の低い人もいることが分かり、正常組織においても組織酸素化とは個人差があるものと考えられます。　

上図は実際に、右乳房に乳がんを持つ患者さんの酸素飽和濃度を測定し画像化したものです。Day0とDay20はいずれも治療前ですが、20日間で時間的にも空間的にも大きく酸素飽和濃度が変動していることが分かります。

　低酸素イメージングの実用化が期待される理由の一つに、血管新生阻害薬の治療効果をみるツールとして利用したいというニーズがあります。アバスチンやスーテントなど、血管新生阻害薬は日常診療ですでに使われていますが、標的が明らかであるにも関わらず、いまだ治療効果を予測する有効なバイオマーカーがありません。もう一つはそもそも抗がん剤や放射線療法の適応があるのか、という疑問です。これらの治療はがんを直接ターゲットにして殺細胞効果を表わすとともに血管のリモデリングを起こすことが知られていますが、治療の間に血管リモデリングが上手くいかず、さらに強い低酸素を引き起こしてしまうと、逆にがん細胞の悪性度や転移浸潤能が増強してしまう可能性もあります。

こうした現象はこれまで細胞や動物レベルで議論されていた内容ですが、低酸素イメージングが臨床応用されるようになると、さらにがんの低酸素と治療効果との関連が注目されるようになるかもしれません。

例えば、脳組織の酸素化・血液量の変化を早期の診断に用いることができます。

心疾患などの血液動態に大きな影響を受ける手術の際に、脳虚血の早期診断にこうしたモニターリング装置を使用し、また救急医療の現場において患者さんの心肺蘇生の早期の評価にERや救急車の車内で利用することが可能になります。

例：NIRO-200NX(浜松ホトニクス): http://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/alpha/N/C10448/index.html

その他、うつ病や小児の発達障害などの補助的診断、治療効果判定に利用できるという研究報告もあり、まだまだ応用範囲が広がるように思います。

例：NIRS(日立メディコ)：http://www.hitachi-medical.co.jp/products/nirs/index.html

SMARTNIRS(島津製作所): http://www.med.shimadzu.co.jp/products/om/

その他、大腿筋や上腕筋に装置を取り付けて、筋組織の酸素化・血液量の変化を捉えることで、筋組織の呼吸代謝の効果の指標に応用可能でしょう。皮膚ではどうでしょうか。例えば、熱傷の早期診断に使用できるかもしれません。熱傷はその深達度によって治療方針が大きく異なるため、虚血の強い重度の熱傷であると早期診断できれば、壊死組織除去や皮膚移植への補助的診断が可能になります。

 
例：PocketNIRS（DynaSense）http://www.dynasense.co.jp/

これらの既に利用可能な計測器はいずれもポイントセンシングが中心です。

ではがんの分野ではどうでしょうか。近赤外光は体表面に近い組織の特性しか計測できないため、現状では皮膚がんや乳がん、前立腺がんなど体表面に近いがんに限られます。将来は内視鏡を通して光ファイバーを挿入できれば、消化管がんなどにも応用可能になるかもしれません。

光装置の研究開発に携わると、悩みの一つは計測をポイントセンシングで良いのか、イメージングにすべきか、ということです。現在の多くの計測器はプローブを体表面の一点に装着し、その局所部位のヘモグロビン濃度などを経時的に測定します。しかしこの方法では、組織全体の一部のヘモグロビンの変化を観察しているに過ぎず、脳組織やがんなど空間的にも時間的にも複雑な代謝活性を示す組織においては、正確に血液動態を捉えることはできません。さらに高度な階層構造をもつ脳組織などでは深さ方向の情報を区別することもできません。そこで多チャネルの光プローブを使用したイメージング装置の開発が進んでいます。近赤外光はX線のように直線的な動きをせず、光の伝播は組織内をランダムに動くため、多チャネルで光の特性を捉えようとすると、それぞれの照射源から伝播した光が、どの検出器で捉えているのか、分からなくなってしまいます。今はさまざまな工夫をして3D再構成を行い、組織の深さ方向の識別を行う努力をされています。

我々は2Dイメージセンシングの計測方法を考えています。組織の計測を多チャネル化して、それぞれのプローブは局所部位をポイントセンシングで継時的に計測しますが、多数のプローブの計測値を面として再構成します。我々の研究においても、構造的に多様性をもつ悪性腫瘍を簡便に継時的に計測するためにはどのようにしたら良のか、試行錯誤が続いています。

2013.11.7

 さてヒトがん領域のイメージングの分野では、光CT（光断層撮影）が開発されていますが、主に数mmの組織の測定を対象とした光コヒーレンストモグラフィー(OCT)と数cmの組織透過性を持つ拡散光トモグラフィー(DOT)に分けることができます。研究の歴史は古く、すでに1970年代より、MRIなどの既に臨床応用されている画像装置とともに進んできましたが、特にDOTは空間解像度にCTやMRIに比べて劣ることから、当初は医療分野での応用は限られたものでした。

DOTによる光生体計測は、組織透過性の良い赤色光・近赤外光(600-1000nm)領域の波長を利用し、生体組織の吸収特性（ヘモグロビンや水）のコントラストの違いを利用して画像化します。乳がんにおいては、ヘモグロビンと水濃度の上昇が見られますが、これは腫瘍の血管新生の発達や炎症・浮腫を反映していると考えられています。

 今回発表のあったDOTは、時間分解計測法による拡散光スペクトロスコピーは760nm、800nm、830nmのレーザーを使用して、光ファイバーを用いて生体の吸収・散乱を定量化する手法で、脳や乳がんの機能評価に応用するという報告でした。乳がん領域では光ファイバーを多チャネル化し、乳がんの吸収を3D構築して、早期発見に応用するという内容でした。最近では腫瘍のヘモグロビン値はがん細胞の増殖能や代謝活性と相関することが分かり、代謝・機能イメージングとしての役割が強調されます。特に抗がん剤の反応性を観察するために、早期の治療効果を見ることに優れている可能性があり、さらにヘモグロビン値から算出される酸素飽和濃度はがんの低酸素状態と関連し、予後や治療効果に深く関連していることが予想されます。
 乳がんにおけるDOTの研究は、実用化・臨床応用に向けた新しいステージに入ったように思われる内容でした。