Correlation of OCT-Based Radiomic Signatures With Dose-Associated Radiation Response in Tumor Spheroids

技術要約：腫瘍スフェロイドにおける線量関連放射線応答とOCTベースのラジオミクス・シグネチャーとの相関

問題提起
三次元腫瘍スフェロイドは、放射線生物学研究において、2D細胞培養と生体内（in vivo）組織との間の重要な架け橋として機能する。これは、放射線治療への反応に影響を与える細胞間相互作用や拡散駆動型の勾配（例：酸素、栄養素）を正確に再現するものである。しかし、線量依存的な放射線応答を定量化するための、スケーラブルで再現性のある読み出し手法には大きなギャップが存在する。従来の明視野（BF）顕微鏡は2D投影を提供するのみであり、内部の3D構造や深さ依存的な変化を解明できない。蛍光顕微鏡は特異性は高いものの、外来性のプローブを必要とすることが多く、これらは生体試料を撹乱する可能性があるほか、エンドポイント測定に限定されることが多い。共焦点顕微鏡は光学セクショニングを可能にするが、時間がかかり、厚みのある試料では信号損失が生じる。したがって、放射線照射によって誘発される複雑な三次元的かつ動的な変化を捉えることができる、ラベルフリーで非破壊的、かつハイスループットな手法が必要とされている。

手法
本研究は、SASヒト舌扁平上皮癌スフェロイドを用い、2つの密度（5,000個および10,000個）で播種し、0から12 Gyの範囲の線量を照射した、in vitroの横断的研究である。撮像は照射後1、4、6、8、および11日目に行われた。

• 撮像モダリティ：
  • 明視野（Brightfield）： ベースラインとして、ImageJを用いた手動による2D形態学的指標（直径および投影面積）の測定に使用した。
  • 光干渉断層計（OCT）： スペクトルドメインOCTシステム（中心波長880 nm）を用い、深さ分解能を持つボリュームデータを取得した。各取得では、構造的強度ボリュームとスペックル分散（SV）ボリュームの2つのコレジスター済みボリュームが得られた。SVボリュームは、細胞のダイナミクスや微小環境の活動に関連する時間的な強度変動を捉えるため、20回の繰り返しBスキャンフレームから算出された。
• ラジオミクス・パイプライン：
  • セグメンテーション： OCTボリュームは、Otsu閾値処理と形態学的操作を用いてクロップおよびマスクされ、スフェロイド組織を孤立させた。
  • 特徴量抽出： Radiomics.jlを用い、強度およびSVボリュームから、形状（強度のみ）、一次統計量、およびテクスチャ記述子（GLCM、GLRLM、GLSZM、GLDM）を含む特徴量を抽出した。
  • 堅牢性フィルタリング： 単一のスフェロイドに対する6回の繰り返し実験を用い、四分位範囲と中央値の比（IQR/median）が35%を超える特徴量をフィルタリングし、初期の198個の特徴量のうち24個を除去した。
  • 特徴量選択： 特徴量は相関による枝刈り（Spearman $|\rho| \ge 0.95$）および、置換重要度と単変量スコアに基づくアンサンブル・ランキングを経て選択された。公平な比較を行うため、特徴量選択は「OCTのみ」と「結合OCT+BF」のセットに対して独立して行われた。
• モデリング： 5つの回帰モデル（Random Forest、Extra Trees、SVR、LightGBM、XGBoost）を訓練し、照射線量の予測を行った。性能は、BFのみ、OCTのみ、および結合特徴量セットを比較しながら、反復5分割交差検証によって評価された。

主な貢献

1. OCTラジオミクスの検証： 本研究は、OCT由来のラジオミクス特徴量（構造的強度およびスペックル分散）が、従来の明視野形態よりも高精度に腫瘍スフェロイドの放射線量を定量的に予測できることを示している。
2. ラベルフリー・ハイスループットな読み出し： 外来性のプローブや破壊的なサンプリングを必要としないパイプラインを確立し、スフェロイドの縦断的な評価を可能にした。
3. スペックル分散の有用性： 本研究はスペックル分散コントラストの価値を強調しており、OCT信号の時間的な変動が、構造的イメージングに対して、治療誘発性の不均一性に関する補完的な情報を提供することを示した。
4. 再現性分析： 選択されたラジオミクス特徴量が、繰り返しの取得に対して低い変動性を示すことを実証し、観察されたコホートレベルの変動が測定ノイズではなく生物学的な差異を反映していることを確認した。

結果

• 性能比較： OCTのみのモデルは、すべての回帰器において、明視野のみのベースラインを一貫して上回った。OCTのみのモデルの中央 $R^2$ は0.77から0.85の範囲であったのに対し、BFのみのモデルは0.61から0.69であった（すべての比較において $p < 0.001$）。
• マルチモーダル融合の影響： 明視野の特徴量を加えることは、一貫した性能向上をもたらさなかった。結合OCT+BFモデルの中央 $R^2$ は0.80から0.84であった。Random Forestモデルについては、結合による改善が統計的に有意であったが（$p = 0.026$）、検出力は低かった（0.62）。また、LightGBMにおいては、OCTのみのモデルが結合モデル（0.84）よりもわずかに高い中央 $R^2$（0.85）を達成した。
• 特徴量の堅牢性： 4つの主要な特徴量（Brightfield Area、Intensity GLRLM GrayLevelNonUniformity、Shape Sphericity、および Variance GLDM GrayLevelNonUniformity）が、一貫して高くランク付けされた。繰り返しテストでは、6回の繰り返しスキャン間で低い相対分散（IQR/median = 0.032–0.047）を示したが、コホートレベルの変動は数桁大きく、特徴量の識別力を裏付けた。
• 視覚的相関： OCTのen face投影の定性的分析により、高線量（8–12 Gy）が境界の不規則性を増大させ、滑らかで同心円状のSVパターンから、不均一で斑点状の分布へと変化させる様子が明らかになった。これは選択されたテクスチャ特徴量によって捉えられている。

意義と主張
本論文は、OCTラジオミクスが、腫瘍スフェロイドの放射線線量応答を評価するための、高感度で再現性があり、ラベルフリーなハイスループットな読み出し手段であることを主張している。主要な結論は、OCTのみの解析が現在の標準である明視野ベースの形態学よりも優れた性能を示すことであり、これは、2D投影では捉えきれない深さ分解能を持つ構造的および動的な情報が、線量に関連する重要な信号をコードしていることを示唆している。

著者らは、明視野のサイズダイナミクスとOCTのテクスチャおよび形状特徴を組み合わせた小さな共通の予測因子セットが得られたものの、明視野データの追加は一般にOCT単独と比較して一貫した実用上の利益をもたらさないと控えめに主張している。これは、OCT単独のパイプラインによる線量相関モデリングの実現可能性を支持しており、明視野の同時取得や手動のアノテーションの必要性を排除するものである。本研究は、単一の細胞株の使用、横断的設計（真の単一スフェロイド内での縦断的追跡が不可能）、および線量相関が生物学的エンドポイントの代理指標であるという間接的な性質を含む、限界事項を認めている。著者らは、今後の課題として、真の縦断的OCT取得の実現、多様な細胞株での検証、およびラジオミクス・シグネチャーと直交する生物学的エンドポイントとの関連付けを挙げている。