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研究記事

神経膠腫および髄膜腫の鑑別および腫瘍浸潤の評価のためのアミド陽子移植イメージング

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DOI:

10.3791/71626

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2026年8月11日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Medical Imaging, Shenzhen Bao'an District Songgang People's Hospital (Shenzhen Baoan Medical College of Guangdong Pharmaceutical University), 2Department of Radiology, Shenzhen Second People's Hospital

この記事について

サマリー

本研究では、アミド陽子移植(APT)画像診断と従来の磁気共鳴画像法(MRI)を組み合わせて、髄膜腫と低グレードおよび高グレードの膠腫を区別し、腫瘍浸潤に関連する画像的特徴を評価し、術前分類の向上や手術計画に役立つ画像情報の提供の可能性を示します。

要約

神経膠腫と髄膜腫の区別や、膠質腫浸潤に関連する画像的特徴の評価は、従来の磁気共鳴画像法(MRI)では依然として困難です。アミド陽子移植(APT)イメージングは化学交換飽和移送技術であり、組織のタンパク質含有量やpHの変化を検出し、脳腫瘍に関する機能的な洞察を提供します。この回顧的研究では、病理学的に確認された脳腫瘍を持つ105名の患者(髄膜腫55例、低グレード神経膠腫[LGGs]20例、高悪性度神経膠腫[HGGs]30例)を対象に、APT画像診断と従来のMRIを組み合わせて評価しました。APT由来の平均信号強度(APT平均)およびAPT異常領域とT2高高信号領域(RAPT/T2)、造影強化領域(RAPT/E)の比率を測定し、グループ間で比較した。APTmeanはHGGs(中央値4.60%)でLGG(2.95%)および髄膜腫(2.70%、P<.001)よりも有意に高かった。HGGsではRAPT/T2およびRAPT/Eも著しく上昇していました。HGGと髄膜腫の区別において、APTmeanはRAPT/E(0.836)およびRAPT/T2(0.800)と比較して優れた診断性能(曲線下面積[AUC] = 0.969)を達成しました。LGGと髄膜腫の区別において、RAPT/E(AUC = 0.781)およびRAPT/T2(AUC = 0.734)は良好な性能を示し、APT平均 は有意な差はありませんでした。グリオーマのグレーディング(HGG対LGG)では、APTmeanのAUCは0.916で、造影度(0.823)を上回りました。これらの発見は、APT画像診断が髄膜腫と異なるグレードの膠腫を効果的に区別し、腫瘍浸潤の範囲を推定するための貴重な画像情報を提供していることを示しています。APT平均と空間範囲比の組み合わせは、特に困難な非典型症例において、術前診断の改善や手術計画支援のための実用的な画像診断ツールを提供します。

概要

頭蓋内腫瘍は神経系で最も一般的な疾患の一つです。世界的に発生率が増加しており、人間の健康に深刻な脅威をもたらしています。組織病理学的起源に基づき、頭蓋内腫瘍は主に原発型と二次型(転移性)の2つのカテゴリーに分類されます。原発頭蓋内腫瘍の中で、髄膜腫と膠質腫は起源と生物学的挙動が明確に異なる最も多く見られる2つのタイプです。膠質細胞由来の神経膠腫は最も一般的な悪性頭蓋内腫瘍であり、浸潤性増殖、境界が曖昧で、再発傾向が高く、予後が悪いことを特徴とします。世界保健機関(WHO)は、神経膠腫を悪性性に基づいてI級からIV級に分類しています。これらの中でも、高等級グリオーマ(HGG、WHOグレードIII-IV)は非常に侵襲的で、患者生存期間が5,6と短く見られます。これに対し、髄膜腫はくも膜キャップ細胞から起因します。大多数は良性(WHOグレードI)で、成長が遅く、周囲の脳組織と明確な境界線があります。完全な外科的切除後、患者は通常良好な予後を示します7,8。したがって、これら2つの腫瘍タイプの術前画像診断の正確な鑑別と、膠質腫浸潤の程度に関連する画像的特徴の評価は、臨床的に非常に重要な意味を持ちます。個別の手術計画を立て、安全な切除マージンを決定し、最終的に患者の治療後を改善するために不可欠です。

現在、磁気共鳴画像法(MRI)は、優れた軟部組織分解能、多パラメータ画像能力、そして非イオン化(9,10)という利点により、頭蓋内腫瘍の術前診断および評価に広く使われている手法となっています。従来のMRIシーケンス、例えばT1加重画像(T1WI)、T2加重画像(T2WI)、液体減衰反回回復法(FLAIR)、造影強化T1加重画像法(CE-T1WI)は、腫瘍の位置、大きさ、形態、内部構造、そして隣接組織との関係を明確に明らかにできます(11,12)。典型的な髄膜腫はMRIで明確に定義された軸外腫瘤として現れ、T1WIでは等高強度またはやや低強度の信号、T2WIでは等高強度またはやや高強度の信号を示し、造影後は有意かつ均質な増強が見られ、しばしば「硬膜尾部サイン」が伴います13。対照的に、高等級の膠腫(HGG)は、通常、不規則な形で定義が曖昧な腫瘤として現れます。これらはしばしばT2WI/FLAIR配列に見られる広範な腫瘍周囲浮腫に囲まれ、造影後には異質なリング状または花輪状の増強を示します14,15。

しかし、従来のMRIは臨床実践において依然として多くの課題に直面しています。鑑別診断に関しては、一部の症例は非定型的特徴を示します。例えば、特定のHGGは比較的明確で均一に増強される「擬被膜」を示すことがあり、髄膜腫と区別が難しい場合があります。逆に、高悪性度の細胞異型または無形成髄膜腫(WHOグレードII-III)は、侵襲的な成長パターンから放射線学的に膠腫を模倣することもあります。さらに、従来のMRIでは、膠質腫浸潤の推定範囲を正確に評価する能力が限られています。T2WI/FLAIR配列で観察される高信号領域は、腫瘍細胞浸潤、血管性浮腫、反応性膠質症の混合であることが病理学的に確認されています。従来のMRIではこれらの成分を効果的に区別できません17。同様に、CE-T1WIに示された増強領域は主に血液脳関門が破れた腫瘍コアを表しています。増殖性腫瘍細胞のかなりの数はすでにこの強化領域を超え、正常に見える脳実質内の腫瘍周囲T2高信号領域に、時にはその先まで浸潤しています18,19。この放射線学的境界と病理学的境界の不一致は、神経膠質腫の術後再発率が高い主な要因です。したがって、腫瘍細胞の特性や代謝活動をより直接的かつ感度豊かに反映できる新しい分子イメージングツールの臨床的必要性が緊急に求められています。

アミド陽子移動(APT)イメージングは、新興の分子磁気共鳴画像技術です。化学交換飽和転送(CEST)メカニズム20,21に基づいて動作します。組織内の移動性タンパク質やペプチドの骨格にアミドプロトン(-NH)を選択的に飽和させ、その磁化を周囲の水分子に移すことで、組織タンパク質含有量および細胞内外のpHの変化を間接的に検出します。腫瘍微小環境では、悪性細胞は通常強い増殖活動を示し、タンパク質の同化が有意に増加します。同時に、腫瘍組織における解糖作用の強化(ウォーバーグ効果)はしばしば細胞外微小環境の酸性化をもたらします25。これらの病態生理学的変化により、高悪性度の悪性腫瘍ではAPT信号が特徴的に高強度に現れることが多いです。さらに、APTは膠質腫の再発と放射線壊死を区別する潜在的価値を示しており、従来のMRIやその他の機能的画像診断技術を補完する情報を提供しています26。これは、高細胞密度と活発な代謝を特徴とする再発腫瘍組織が高いAPTシグナルを示すためです。一方、主に細胞ご片と炎症反応からなる放射線壊死は、APT信号が低い状態で現れます。これらの結果は、APTが従来のMRIよりも腫瘍再発と治療関連の変化を区別する上で優れていることを示す臨床研究によって裏付けられています(27)。

しかし、現在の研究は主に神経膠腫のグレード付けや転移やリンパ腫など他の頭蓋内病理からの鑑別に焦点を当てています。特に低悪性度および高等度の神経膠腫を含むAPT画像の有用性を専門的に調査する体系的な研究は比較的限られています。さらに、APTシグナル異常領域が、特に高悪性度神経膠質腫(HGG)における細胞浸潤の程度とより適切に相関する画像診断の代理として機能するかどうかは、さらなる詳細な調査が必要である。

臨床的には、APT画像診断は髄膜腫とHGGsの術前鑑別や、特に従来のMRIが不明確な場合に膠質腫浸潤に関連する画像的特徴の評価に有用である可能性があります。しかし、日常的な実装には実務的な課題があります。長引く取得時間は動作リスクを高め、信号定量化は場の不均一性や後処理アルゴリズムに敏感であり、標準化されたプロトコルが必要です。また、一部のLGGや良性髄膜腫に重複する可能性があるため、APTの指標は従来のMRIを補完するものではなく補完すべきである。養子縁組については、まず難しい症例から始め、地域の専門知識と品質保証が確立され次第、徐々に日常診療に取り入れていくことをお勧めします。最終的に、APTイメージングは独自の生物学的情報を提供しますが、マルチパラメトリックMRIの枠組みの中で慎重に使用するのが最適です。

Zhangらの先行研究では、APT画像診断が髄膜腫と膠質腫を区別する有用性を予備的に探求し、RAPT/T2およびRAPT/E比率を腫瘍浸潤の潜在的なマーカーとして提案しています。しかし、その研究は比較的少ないサンプル数(50人)に制限されており、包括的な受講者運用特性(ROC)曲線解析を用いて、臨床的に関連性の高いすべてのペアワイズ区別において、APTパラメータの診断性能を体系的に評価していませんでした。さらに、APTで定義された空間範囲異常が手術および放射線治療計画に与える臨床的影響についても十分に議論されていませんでした。この理論に基づき、本研究は病理学的に確認された髄膜腫および神経膠腫の異なるグレードの患者のAPTおよび従来のMRIデータを後ろ向きに解析することを目的としています。これら2つの腫瘍タイプのAPTパラメータを体系的に比較し、髄膜腫と膠質腫の術前分化におけるAPT画像診断の有効性を評価します。同時に、APT異常領域の空間的範囲とT2WIの高強度領域およびCE-T1WI増強領域の空間的範囲を比較することで、本研究はAPT画像診断が腫瘍の浸潤成長境界を推定するための放射線学的ツールとしての応用価値を予備的に探求します。目的は、臨床医に画像解析に基づく情報を提供し、手術計画の基盤を強化することですが、そのような推論は病理学的検証に待たれています。

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プロトコル

この研究プロトコルはヘルシンキ宣言に示された倫理原則に準拠し、深圳保安区松岡人民病院倫理審査委員会(承認番号:IRB-YJ-2025-045)によって承認されました。回顧的な設計のため、この研究はアーカイブされた臨床および画像データの分析のみを含みました。患者を特定できるすべての情報は厳重に匿名化されました。

研究デザインとテーマ

本研究は後ろ向きの診断分析です。2024年1月から2025年6月まで、深圳宝安区松港人民病院および深圳第二人民病院の脳腫瘍患者に入院した脳腫瘍患者の臨床および画像データを遡及的に収集しました。すべての患者は手術後に病理学的に確定診断を受けていました。最終的に合計105名の患者が対象となり、全員が術前に従来のMRIおよびAPT画像検査を受けました。2021年のWHO中枢神経系腫瘍分類32によると、患者は3つのグループに分けられました。髄膜腫群:55例で、WHOのグレードI-IIで病理的に確認されています。低グレード神経膠腫(LGG)群:20例、WHOがI-IIグレードで病理学的に確認。HGGグループ:30件、WHOのグレードIII-IVと病理的に確認。すべての患者は術前に従来のMRIおよびAPT画像検査を受けました。詳細な研究フローチャートは図1に示されています。

参加基準および除外基準

対象基準は、(1)髄膜腫(WHOグレードI-II)、LGG(WHOグレードI-II)、またはHGG(WHOグレードIII-IV)の確定的な組織病理診断を受けた初期外科的切除を受けた患者、(2) 手術の1週間前に造影なし頭部MRI、T1加重造影検査、APT画像検査を完了すること;(3) 重要なアーティファクトがなく、診断評価や測定に適した良好な画像品質の完全な画像データの利用可能性;(4) 完全な臨床データおよび追跡記録の入手可能性。

除外基準は、(1)手術前に抗腫瘍療法(例:放射線療法、化学療法、標的療法、免疫療法)を受けた患者、(2) 再発性脳腫瘍または他の頭蓋内空間占有病変の患者;(3) MRI検査の禁忌がある患者;(4) 後続のデータ解析に影響を与える深刻な動きアーティファクトまたは感受性アーティファクトを含む画像;(5) 上記以外の中枢神経系腫瘍の病理診断。

サンプルサイズの計算

本研究は後ろ向き診断分析であり、サンプル数は主に研究期間中に納入基準を満たすすべての症例によって決定されました。現在のサンプル数がグループ間で統計的に有意なAPTパラメータの違いを検出するのに十分かどうかを評価するため、以前の文献33で報告された異なるグレードの膠質腫と髄膜腫間のAPT信号値の違いを参照しました。α = 0.05、統計的検出力0.80と設定し、推定に2標本平均比較式を用いることで、各グループあたり最低15サンプルが必要と判断しました。最終的に105名(髄膜腫55名、LGG20名、HGG30名)を対象とした結果、事後検密力分析の結果、3群間のAPT平均値の差検出力は現在のサンプルサイズで0.95を超えていることが示されました。これは、研究のサンプル数が統計的推論を支持するのに十分なものであったことを示しています。

画像取得と後処理

MRIスキャンプロトコル:

すべての患者は標準的な8チャンネルヘッドコイル 34を用いた磁気共鳴(MR)スキャナーでスキャンされました。スキャンシーケンスとパラメータは以下の通りです。

従来型シーケンス:軸方向T1加重イメージング(T1WI)は、3次元のスポーイド勾配エコーシーケンス(3D T1-SPGR、繰り返し時間/エコー時間[TR/TE] = 8.5/3.4 ms、反転角=12°、スライス厚さ=1.2 mm、スライス間ギャップ=0 mm、視野角[FOV]=24 cm、24 cm、マトリックス=256 ×× 256)を用いて実施されました。軸方向T2加重イメージング(T2WI)は高速スピンエコーシーケンス(TR/TE = 4,500/102 ms、スライス厚さ=5 mm、間切り間隙=1.5 mm、FOV = 24 cm × 24 cm、マトリックス=384 × 224)で取得されました。液体減衰反転回復(FLAIR)画像は、反復時間/エコー時間/反転時間(TR/TE/TI)=9,000/120/2,250 msで取得されました。

造影強化スキャン:標準用量0.1 mmol/kg体重、流量2 mL/sのガドペンテートジメグルミンを静脈内ボーラス注射し、その後20 mLの生理食塩水フラッシュを行った後、前造影剤3D T1-SPGR配列と同じパラメータを用いて軸方向、矢状面、冠状造影強化T1WI画像を取得しました。

APTイメージングシーケンス:APTイメージングは、次のパラメータを持つ2次元の勾配エコーパルスシーケンスを用いて実施されました:TR/TE = 3,000/3.5 ms、スライス厚さ = 5 mm、FOV = 24 cm × 24 cm、マトリックス = 128 × 128、励起数 = 2、総取得時間4分32秒。持続時間2秒、出力(B₁)2μTの連続波飽和パルスが、−6から+6百万分の1(ppm)(0.5ppmのステップ)の周波数オフセットで適用され、水共鳴周波数は0ppmで行われました。主磁場(B₀)の下で、飽和パルスは水の陽子共鳴に対して+3.5 ppmのダウンフィールド共鳴周波数(0 ppm)で特異的に加えられ、これはアミド陽子の化学交換速度に対応します。APT取得前は、水の飽和シフト参照(WASSR)アプローチを用いて補正され、飽和パラメータはメインAPTと同一ですが、B₁振幅は0.5μTに低減されました。スキャン後、磁化転送比の非対称性を計算し、スキャナー内蔵ソフトウェアによって3.5 ppmのAPT加重画像および磁化移転比非対称性(MTRasym)マップが自動的に生成されました:MTRasym(3.5 ppm)=[S(−3.5 ppm) − S(+3.5 ppm)] / S(0 ppm)。ここでS(Δω)は、水共鳴に対して指示された周波数オフセットΔωで加えられた飽和パルスによる信号強度を表します。3.5 ppmでの正のMTRasym値は主にアミド陽子移動効果を反映しており、磁化移動(MT)効果と核のオーバーハウザー効果は水共鳴に関してほぼ対称であるため、非対称性の計算によって打ち消されます。

画像解析:

すべての画像データは、5年以上の経験を持つ2名の神経放射線科医が画像閲覧ソフトウェアのワークステーションを用いて独立して解析しました。関心地域(ROI)の区分は以下の標準化された手順に従って実施されました。

腫瘍固形領域:造影強化T1WI画像では、腫瘍の増強縁に沿ってROIを手動で描き、壊死、嚢胞性、腫瘍周囲浮腫領域を慎重に避けました。ROIは、最大腫瘍直径のスライス上の固形増強成分全体を含むように算出されました。

T2高高信号領域:T2WI画像では、腫瘍および周囲の腫瘍周囲浮腫を含む高高信号領域全体を手作業で描画しました。境界は、高強度が正常に見える脳実質と接する可視境界として定義されました。

APT異常信号領域:APT加重MTRasymマップ上で、対側正常に見える白質を基準に、信号強度が基準正常組織の平均信号と2標準偏差以上のすべての領域を含むROIを手動で作成しました。この閾値ベースのアプローチは、最大腫瘍直径と同じスライスに適用されました。反対側の基準ROIは、腫瘍の鏡像位置にある半卵形中心に設置され、面積は約100 mm2でした。

一貫性を保つため、各ROIは最大腫瘍直径を中心とした連続スライスを3回測定し、平均値を記録して分析しました。すべてのROIの区分は2人のレビュアーによって独立して実施され、不一致は合意により解決されました。インターオブザーバーの一致はクラス内相関係数(ICC)を用いて評価され、ICC>0.80は優れた一致を示しました。

以下のパラメータが測定・計算されました。

平均APT信号強度(APT平均):腫瘍固形領域のROI内で3.5 ppmの平均MTRasym値。

地域比率の計算:

RAPT/T2:APT異常信号領域の面積とT2WI高信号領域の面積(RAPT / RT2)の比率。

RAPT/E:APT異常信号領域の面積とT1WI造影増強領域の面積(RAPT/RE)の比率。

臨床アウトカム指標

本研究の主な評価指標は、治療的臨床アウトカムではなく画像パラメータとその診断効果でした。主要画像診断アウトカム:各グループ(髄膜腫、LGG、HGG)のAPT平均 値、およびLGGおよびHGGグループのRAPT/T2およびRAPT/E比。

統計解析

連続変数はシャピロ・ウィルク検定を用いて正規性を検証しました。正規分布データは平均±標準偏差(SD)として提示され、分散の一方正解析(ANOVA)(Bonferroni post-hoc)と比較されます。非正規データおよび順序数データはM(Q₁, Q₃)として提示され、Kruskal-Wallis H検定(ダン検定とボンフェローニ補正)を用いて比較されます。カテゴリデータはn(%)として提示され、カイ二乗検定またはフィッシャーの正確検定を用いて比較されます。診断性能を評価するためにROC曲線をプロットしました。すべてのテストは双方向で行われました。P < 0.05は有意とされました。

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結果

ベースラインおよび臨床的特徴

3つの患者群間で、年齢、カルノフスキーパフォーマンスステータス(KPS)スコア、初期症状、WHOグレード(P < 0.001)において有意な差が観察されました。HGG群の患者は年齢が高く、KPSスコアが低く、初期症状として局所神経学的欠損を多く呈しました。対照的に、LGG群の患者は主に発作を初期症状として受け入れました。性別、体格指数(BMI)、腫瘍の位置(前頭葉、側頭葉、頭頂葉、後頭葉)に関して3群間で有意な差は認められませんでした(P > 0.05)(表1)。

MRI腫瘍の範囲およびAPT関連パラメータ

表2は 、3つの患者群における従来のMRI腫瘍の範囲とAPT関連パラメータの比較結果を示しています。造影増強の度合いはグループ間で有意な...

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ディスカッション

神経膠腫と髄膜腫を術前で正確に区別し、画像上で推定される腫瘍浸潤境界を正確に示すことは、神経腫瘍学における中核的な課題であり、治療戦略や患者の最終的な予後に直接影響を与えます。この研究は、新興の分子磁気共鳴技術であるAPTに基づき、さまざまなグレードの神経膠腫と髄膜腫の区別における応用価値を体系的に評価しました。さらに、空間的範囲比パラメータを導入することで、腫瘍浸潤性に関連する画像的特徴を徹底的に調査・評価しました。結果は、APT画像診断が独自の生化学的造影機構を活用し、従来のMRIを補完する可能性を有し、特にHGGの識別に有用であることを確認しています。信号強度パラメータAPT平均 が優れた有効性を示していることが示されています。さらに重要なのは、この研究が、APT異常信号の空間的範囲と従来のMRIで観察される病変範囲、すなわちRAPT/T2およびRAPT/Eの比率を定量化することで、LGGと髄膜腫の臨床的区別の困難を効果的に解決できることが明らかになったことです。このアプローチは、膠質腫浸潤の推定範囲を非侵襲的に評価するための非常に有望な新し...

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開示事項

著者には利益相反を主張するものはありません。

謝辞

この研究は2023年宝安地区医療・保健研究プロジェクト(助成金番号2023JD224)によって資金提供されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
3.0T MR ScannerGE HealthcareDiscovery 750WUsed for all conventional and APT imaging sequences.
Contrast Agent (Gadopentetate Dimeglumine)Bayer HealthcareMagnevistStandard dose of 0.1 mmol/kg body weight, administered intravenously at 2 mL/s.
Head CoilGE HealthcareStandard 8-channelReceive-only head coil for signal acquisition.
Image Analysis SoftwareMicroDicom Ltd.MicroDicom Viewer (version 3.0)Used for ROI delineation and parameter measurement by neuroradiologists.
Post-processing SoftwareGE HealthcareFuncTool (built-in)Automatically generates APT-weighted images and MTRasym maps on the scanner.
Statistical Analysis SoftwareIBM Corp.SPSS (version 25.0)Used for all statistical analyses, including ROC curves and group comparisons.

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