前臨床拡散MRIのためのISMRM拡散研究グループからの考察と推奨事項：パート1 - 生体小動物イメージング

核心概念

本稿では、生体小動物における前臨床拡散MRIのベストプラクティスに関する推奨事項とガイドラインを、ハードウェア、動物の準備、画像シーケンス、データ処理、オープンサイエンスの観点から包括的に提示し、実験デザイン、データ取得、解析、解釈における複雑な意思決定のプロセスを支援することを目指しています。

要約

前臨床拡散MRIに関する推奨事項とガイドライン：生体小動物イメージング

本稿は、生体小動物における前臨床拡散MRI（dMRI）のベストプラクティスに関する包括的なガイドラインを提供することを目的としたレビュー論文である。

dMRIは、生体組織における水分子の拡散現象を利用して、組織の微細構造を非侵襲的に可視化する技術である。脳におけるdMRIは、「非侵襲的な仮想組織学」や「仮想解剖」とも呼ばれ、神経解剖学、発達神経科学、認知神経科学、システム神経科学、神経学、神経進化など、幅広い分野で応用されている。
前臨床dMRIは、ヒトのdMRI研究に対して、以下の4つの点で大きな付加価値を提供する。

組織学的分析との相関: dMRI信号、パラメータ、バイオマーカーの生物物理学的基盤を明らかにするために、組織学的分析やその他の侵襲的なイメージング測定との相関を調べることを可能にする。
高度なデータセットの取得: より強力な勾配と長いスキャン時間を利用できるため、臨床イメージングでは達成できない空間分解能や拡散強調範囲で、「極端な」データセットを取得することができる。
疾患と治療による組織変化の制御された研究: 動物モデルを使用することで、ヒトでは必ずしも可能ではない方法で、疾患、障害、治療における組織変化に対するdMRIの感度を制御された方法で研究することができる。
種間比較解剖学: ヒトと他の哺乳類の脳の違いを調査することを可能にする。

翻訳と検証に関する考慮事項
動物実験の結果をヒトin vivoに適切に解釈するためには、組織モデル、疾患、障害、ハードウェア、実験設定など、いくつかの側面を考慮する必要がある。
脳や他の臓器の基本的な構成要素は、哺乳類の間でほぼ保存されており、翻訳的なin vivo MRI研究の基礎となっている。しかし、げっ歯類と霊長類では、白質と灰白質の比率、皮質の折り畳み方、軸索の直径やミエリンの厚さなどが大きく異なり、dMRI信号の解釈に影響を与える可能性がある。
脳損傷モデル（外傷性脳損傷、てんかん、脳卒中、くも膜下出血、脳内出血、脊髄損傷、浮腫、脱髄/再ミエリン化など）は、細胞の外部刺激に対する反応が種間で類似しているため、高い翻訳可能性を有する。腫瘍モデルも、ある程度の翻訳可能性を示す場合がある。
種差
マウスモデル（マウスとラット）
ラットとマウスは、dMRIを含む生物医学研究で長年使用されてきた。利点としては、入手が容易であること、遺伝的背景が均一であること、ヒトの病態を模倣したトランスジェニックモデルが数多く存在すること、寿命が非常に短いことなどが挙げられる。
しかし、げっ歯類とヒトでは、脳の解剖学的構造が大きく異なるため、dMRIの結果を直接ヒトに外挿することには限界がある。
霊長類モデル
マーモセット、リスザル、マカクなどの非ヒト霊長類（NHP）は、ヒトと相同な白質および灰白質領域を多数有するため、神経科学研究に広く用いられている。NHPは、皮質の発達、脳回の形成、複雑な白質の調査に適している。
NHPの欠点は、飼育コストが高いこと、スキャナーへの搬送やスキャン前の準備に訓練が必要なこと、大型のNHPは小型のMRI装置ではスキャンできないことなどが挙げられる。
その他のモデル
ブタの脳は、ミエリン形成や発達がヒトの脳に似ており、発達、脳病変、トラクトグラフィーの検証に用いられている。フェレットなどの脳回を持つ他の動物は、精神疾患、認知、脳機能の研究や、トラクトグラフィーの検証に用いられている。

抽出されたキーインサイト

Considerations and Recommendations from the ISMRM Diffusion Study Group for preclinical diffusion MRI: Part 1 -- In vivo small-animal imaging

by Ileana O Jel... 場所 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2209.12994.pdf

深掘り質問

前臨床拡散MRIにおける最適な撮像パラメータを選択することの難しさは何ですか？

前臨床拡散MRIにおける最適な撮像パラメータの選択は、多くの要因が絡み合うため、非常に困難です。

目的とする微細構造: 拡散強調画像法（DTI）のような比較的単純な解析では、単一b値でも十分な場合がありますが、拡散尖度画像法（DKI）や微細構造を反映するバイオフィジカルモデルを用いた解析では、複数b値や拡散時間の取得が必須となります。つまり、解析手法によって最適なパラメータが異なるため、事前に解析手法を決定しておく必要があります。
ハードウェアの性能: 臨床用MRIと比較して、前臨床用MRIは高磁場、高勾配強度を有するものが多く、より短い拡散時間や高いb値での撮像が可能です。しかし、ハードウェアの性能は機種によって異なり、実現可能なパラメータ範囲も異なるため、注意が必要です。
動物種や臓器による違い: 脳と肝臓では、細胞の大きさや拡散の異方性などが大きく異なります。そのため、臓器に適した拡散時間やb値、撮像方向などを考慮する必要があります。
撮像時間との兼ね合い: 高解像度、多方向、多b値の撮像は、微細構造の評価に有利ですが、撮像時間が長くなり、動物への負担も大きくなります。そのため、撮像時間とデータの質のバランスを考慮する必要があります。
以上の点を踏まえ、最適な撮像パラメータを選択するためには、研究の目的、解析手法、ハードウェアの性能、動物種や臓器の特徴などを総合的に判断する必要があります。

なぜ前臨床拡散MRIでは、臨床用MRIよりも詳細なデータセットを取得できるのですか？

前臨床拡散MRIでは、臨床用MRIと比較して、より詳細なデータセットを取得できる理由はいくつかあります。

高磁場・高勾配強度: 前臨床用MRIは、一般的に臨床用MRIよりも高磁場・高勾配強度を備えています。これにより、より高いSNR（信号雑音比）と空間分解能を実現し、微細構造をより詳細に描出することができます。
動物のサイズ: 前臨床用MRIで撮像する動物は、人間よりもはるかに小さいため、コイルを対象に近づけることができ、SNRが向上します。また、撮像視野が狭いため、高解像度な画像を比較的短時間で取得できます。
撮像時間: 倫理的な観点から、臨床用MRIでは撮像時間が制限されますが、前臨床用MRIでは、より長い撮像時間を設定することができます。これにより、多方向、多b値、高解像度といった、より多くの情報を取得することができます。
特殊な撮像法: 前臨床用MRIでは、臨床用MRIでは適用が難しい特殊な撮像法を用いることができます。例えば、拡散時間を非常に短くできる oscillating gradient spin echo (OGSE)法を用いることで、微細構造の評価に有利なデータを取得することができます。
これらの要素により、前臨床拡散MRIは、臨床用MRIでは得られない詳細なデータセットを取得することができ、組織の微細構造や機能に関するより深い理解を得るための強力なツールとなっています。

オープンサイエンスの取り組みは、前臨床拡散MRIの研究分野にどのような影響を与えますか？

オープンサイエンスの取り組みは、前臨床拡散MRIの研究分野に以下の様な影響を与えると考えられます。

再現性の向上: データやコードを公開することで、他の研究者が同じ条件で実験を再現することが容易になり、研究結果の信頼性が高まります。
共同研究の促進: データやコードを共有することで、異なる研究機関の研究者が協力して研究を進めることが容易になり、新たな発見や技術革新につながります。
データの有効活用: 公開されたデータは、当初の研究目的以外でも活用される可能性があり、新たな知見や技術開発を促進します。
研究の透明性向上: データやコードを公開することで、研究の透明性が高まり、研究不正の抑止効果も期待できます。
前臨床拡散MRIの分野では、標準化されたプロトコルや解析手法が確立されていないため、研究結果の再現性や比較可能性が課題となっています。オープンサイエンスの取り組みは、これらの課題を解決し、研究分野全体の発展に大きく貢献すると期待されています。