高度な画像化手法により、科学者は白質内の微小環境内で神経膠芽腫の腫瘍細胞を観察できるようになる。これは現在欠けている能力であり、腫瘍細胞が脳梁のスーパーハイウェイの密に髄鞘化された（絶縁された）繊維の「レーン」に侵入し、脳全体に適応して広がる仕組みを理解する上で極めて重要である。クレジット：イザベル・ロメロ・カルボ/EMBL
科学者たちは、神経膠芽腫という脳腫瘍に対する理解を深めることを目指し、AI を活用して高度な顕微鏡技術を強化するために協力しています。
脳内で猛スピードで走り回る問題細胞を、その細胞集団が「犯罪」を犯す前に検出できる交通監視カメラを構築することを想像してください。最も重要なのは、このカメラが最大の侵入者、つまりがん細胞を捕らえることができることです。
この「監視カメラ」はもはや空想の産物ではありません。脳の右半球と左半球を結ぶ神経線維の最も大きなスーパーハイウェイである脳梁に沿って、最も致命的な脳腫瘍の 1 つである神経膠芽腫を構成する細胞が移動しています。現在、科学者たちは最先端の顕微鏡に人工知能を導入し、この細胞検出器を現実のものにしました。科学者たちは、このスーパーハイウェイに沿った細胞も含め、脳深部組織内の特定の細胞をこれまでにない鮮明さで視覚化し、追跡できるようになりました。
最近の共同プロジェクトでは、 エンブル そして ハイデルベルク大学科学者たちはこの新しい技術を使って神経膠芽腫の腫瘍細胞を追跡し、この致命的な癌をより深く理解し、早期に発見できるようにしています。これは将来、より優れた診断ツールにつながる可能性があります。
深部組織顕微鏡の誕生
2021年、EMBLの研究者は、ドイツ、オーストリア、アルゼンチン、中国、フランス、米国、インド、ヨルダンの協力者とともに、 新しい顕微鏡技術を開発したEMBL グループリーダーのロバート・プレベデル氏と彼の研究グループは、これらの多様な協力者と協力し、神経科学者が脳深部領域を研究する際に直面するいくつかの課題に取り組みました。これまで、科学者がニューロンやアストロサイトと呼ばれるグリア細胞を観察し、それらが皮質深部でどのように通信するかを研究しようとすると、拡散した脳組織が問題となっていました。また、空間記憶とナビゲーションを担う別の脳深部領域である海馬の神経細胞を視覚化することも困難でした。
科学者たちは、最先端の顕微鏡法に基づいて新しいアプローチを考案した。この方法は、より広く鮮明な視野を提供し、脳深部組織で光波が散乱する際に生じる歪みも調整できる。彼らは、脳研究における将来のさまざまな応用の可能性を思い描いている。
今回、このジャーナルに掲載された研究では ネイチャーコミュニケーションズPrevedel は神経科学者、神経腫瘍学者、AI の専門家と協力し、この顕微鏡を次のレベルに引き上げました。その結果、長期間にわたって脳の奥深くにある生きたニューロンやその他の脳細胞を観察できる顕微鏡が誕生しました。
「マウスの脳の細胞のスナップショットを撮る段階から、特定の細胞にズームインして、何時間、あるいは何日も追跡できるようになりました」とプレベデル氏は言う。「また、カスタム AI アプローチを組み込むことで、細胞の微小環境のさまざまな部分を区別できるようになりました。これは、状況に応じて細胞の行動を理解する上でも非常に重要です。」
テストしてみる
2021 年、ハイデルベルク大学病院神経科のヴァルン・ヴェンカタラマニ氏は、深部組織顕微鏡検査へのこの新しいアプローチに非常に興味を持って目を通しました。同氏の研究は、ヒトの脳腫瘍、特に蔓延し、急速に増殖し、治療困難な腫瘍である神経膠芽腫に焦点を当てています。ヴェンカタラマニ氏は、腫瘍の発生、進行、そして最終的に治療への反応または抵抗を決定する神経メカニズムについて、ますます多くのことを学んでいました。しかし、当時の同氏の顕微鏡検査アプローチでは、画像化の深度が制限されており、主に脳の灰白質に限定されていました。
「ロバートのグループによる2021年の論文では、深部組織顕微鏡技術が紹介されており、これにより、私たちの画像化能力を脳梁の白質まで拡張できると私は考えました」とベンカタラマニ氏は述べた。白質は、脳と体の他の部分のさまざまな灰白質領域間のコミュニケーションに役割を果たしている。「これにより、新しい生物学的プロセスが明らかになり、重要でありながら十分に研究されていないニッチにおけるこれらの腫瘍の挙動に関する洞察が得られる可能性があります」と同氏は付け加えた。
神経膠芽腫は主に白質の病気です。新しい高度な画像技術により、ベンカタラマニのチームは白質の微小環境内でこれらの腫瘍細胞を観察することができました。この機能は、腫瘍細胞が脳梁スーパーハイウェイの密に髄鞘化された（絶縁された）繊維「レーン」に侵入し、その後適応して脳全体に広がる仕組みを理解する上で非常に重要でした。このプロセスは、神経膠芽腫が致命的なレベルで脳の重要な構造に侵入することにも関連しています。
「脳梁への腫瘍細胞の浸潤をリアルタイムで観察するのは興味深い」と、この研究の主執筆者の一人でハイデルベルグ大学の医学生、マーク・シューベルト氏は語った。
「現時点で、この基礎研究の最も重要な点は、これらの腫瘍を最も関連性の高い微小環境ニッチで初めて調査できるようになったことだと私は考えています」とベンカタラマニ氏は述べました。「これらの発見は、臨床画像診断の標準である従来の MRI 技術を使用して腫瘍の浸潤端にある神経膠芽腫細胞を検出する際の現在の課題を説明するのにも役立ちます。神経科学者、神経科医、神経腫瘍学者として、私はこの技術が実験室研究と臨床応用のギャップを埋め、脳腫瘍の診断方法と治療方法を改善する可能性があると考えています。」
人工知能が顕微鏡を新たなレベルに引き上げる
この最新の共同研究の重要な特徴は、研究者が人工知能の要素を取り入れたことです。
「技術開発の観点から言えば、AI ベースの手法は画像の「ノイズ除去」に役立ち、コントラストがはるかに鮮明になりました」とプレベデル氏は言う。「AI は、髄鞘繊維や血管など、白質内のさまざまな構造を区別できます。これはさまざまな理由で重要です。AI は、この顕微鏡のレベルを向上し、これらの差し迫った医学的問題に対処できるようにするために非常に役立ちました。」
この AI の専門知識を提供したのは、EMBL ハイデルベルクの Anna Kreshuk 研究グループです。Kreshuk 研究グループは、血管信号と有髄神経線維信号を区別し、腫瘍細胞の微小環境を明らかにするカスタマイズされたワークフローに貢献しました。
その結果、研究者らは白質微小環境の構造特性に関係する潜在的な顕微鏡画像バイオマーカーを特定することができました。この革新的なワークフローは、神経膠芽腫の画像パターンを特定するための基盤となり、腫瘍を現在よりも早期に検出できるようになります。
「この新しいアプローチを将来、より臨床的に実用的なニーズに合わせてさらにカスタマイズし、その可能性を最大限に引き出すことを楽しみにしています」と、論文の主執筆者の一人でハイデルベルク大学病院神経科の研修医であるステラ・ソイカ氏は述べた。
「有望ではあるが、さらなる開発なしに臨床応用するには時期尚早だ」とベンカタラマニ氏は述べ、次のステップではさらに高度な画像診断法を統合し、標準的な臨床現場向けの実用的なツールの構築に役立つだろうと説明した。
「私たちは楽観的です。特に、前臨床と臨床の分野をまたいだ連携を促進するハイデルベルク・マンハイム生命科学同盟ネットワークからの強力な学際的サポートのおかげです」と彼は述べた。「この相乗効果は、近い将来にこれらの研究室の洞察を臨床実践に取り入れるために不可欠です。」
参考文献:「カスタマイズされた3光子顕微鏡法と分析により可能になった深部生体内脳腫瘍イメージング」、Marc Cicero Schubert、Stella Judith Soyka、Amr Tamimi、Emanuel Maus、Julian Schroers、Niklas Wißmann、Ekin Reyhan、Svenja Kristin Tetzlaff、Yvonne Yang、Robert Denninger、Robin Peretzke、Carlo Beretta、Michael Drumm、Alina Heuer、Verena Buchert、Alicia Steffens、Jordain Walshon、Kathleen McCortney、Sabine Heiland、Martin Bendszus、Peter Neher、Anna Golebiewska、Wolfgang Wick、Frank Winkler、Michael O. Breckwoldt、Anna Kreshuk、Thomas Kuner、Craig Horbinski、Felix Tobias Kurz、Robert Prevedel、Varun Venkataramani、2024年9月10日、Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-024-51432-4
1726965663
#新しい脳監視カメラががんの最も致命的な侵入者をリアルタイムで追跡
2024-09-21 23:47:57