Evaluation of glucoCEST MRI for assessing cerebral glucose hypometabolism in patients with Alzheimer’s disease

アルツハイマー病は、記憶、言語、そして日常生活を送る能力に影響を及ぼし、精神をゆっくりと蝕んでいく疾患です。重篤な症状が現れるずっと前から、脳に見られるこの病気の特徴的な兆候は、脳がグルコース（ブドウ糖）を効率的に利用できなくなることです。グルコースは脳細胞にとって主要な燃料であり、特定の領域でこの燃料消費が低下することは、脳が苦戦していることを示しています。現在、この燃料使用の低下を確認する最も信頼できる方法は、PETスキャンと呼ばれる検査です。この検査では、微量の放射性糖を血流に注入します。脳細胞がこの放射性糖を吸収すると、カメラが放射線を検出し、脳のどこが活動しており、どこが飢餓状態にあるかを示すマップを作成します。この手法は有効ではありますが、大きな欠点があります。装置が高価であること、放射性物質が常に利用可能とは限らないこと、そして放射線への曝露があるため、頻繁に検査を繰り返すことができず、患者の経過をモニタリングする上での使用に制限があることです。

科学者たちは、標準的な磁気共鳴画像法（MRI）を用いて、これと同じグルコース活動を可視化する方法を長年待ち望んできました。PETスキャンとは異なり、MRIは放射線を使用せず、病院でも広く利用可能です。「glucoCEST」と呼ばれる新しい技術は、患者に糖を含む溶液を飲ませ、その後、MRI装置を使用して糖が脳内を移動する様子を検出することを試みています。その考え方は、もし脳が糖を適切に使用できていなければ、MRIの信号が変化し、その問題が明らかになるというものです。このアプローチが成功すれば、アルツハイマー病を診断し追跡するための、安全で繰り返し可能、かつ安価な画期的な手段となるでしょう。しかし、このアイデアを実用的なものに変えることは困難であると判明しています。なぜなら、脳内の糖からの信号は極めて微弱であり、スキャンのノイズの中に容易に紛れてしまうからです。

最近の研究において、研究者たちは、このMRIの手法が実際にアルツハイマー病患者に見られる低いグルコースレベルを検出できるかどうかを検証することを目的としました。彼らは、アルツハイマー病の確定診断を受けた18名と、年齢や背景が似ている健康な個人18名を募集しました。すべての参加者は、一般的な病院で見られる高出力のスキャナーである3テスラMRI装置による一連のスキャンを受けました。プロセスは、脳の自然な状態を測定するベースライン・スキャンから始まりました。次に、参加者はD-グルコース（一種の糖）75グラムを含む溶液を飲みました。飲用後、研究者たちは、糖が脳内に流入するのをMRIが検出できるかどうかを確認するために、2回目のスキャンを行いました。結果を検証するため、アルツハイマー病の患者には、比較対象となるゴールドスタンダード（標準的な指標）として、通常の放射性PETスキャンも実施されました。

結果は明白であり、PETスキャンの即時の代替となることを期待していた人々にとっては、やや失望させられるものでした。研究者たちは、ラボでの糖溶液を用いた最適化にもかかわらず、このMRI技術では、アルツハイマー病患者の脳と健康な対照群の脳との間に有意な差を示すことができなかったと報告しました。脳の前方、側面、あるいは後方のいずれを見ても、MRIの信号は両グループで本質的に同じままでした。さらに、スキャンは参加者が糖を飲んだ後の信号の変化も測定できず、これは機械が脳組織へのグルコースの移動を明確に追跡できなかったことを意味します。この変化の欠如は、現在の方法が、疾患を定義づける微妙な代謝の違いを捉えるには感度が不十分であることを示唆しています。

対照的に、同じ患者に対して行われたPETスキャンは異なる物語を伝えていました。これらの画像は、アルツハイマー病患者が、前頭部と比較して頭頂部および側頭部において、グルコースの取り込みが著しく低いことを明確に示していました。この特定の領域における燃料使用の減少パターンは、医師がアルツハイマー病において期待する通りの現象です。また、PETの結果は患者の精神的パフォーマンスとも直接結びついており、これらの特定の脳領域におけるグルコース活動が低い患者ほど、認知テストのスコアが低いことが分かりました。これは、PETスキャンが疾患の生物学的な実態を正常に検出していた一方で、MRIスキャンはそれを完全に見逃していたことを裏付けています。

研究者がこれら2種類の画像を並べて比較した際、両者の間に一致は見られませんでした。MRIで健康に見えた領域が必ずしもPETスキャンでも健康に見えるわけではなく、その逆も同様でした。この関連性の欠如は、現在のMRI信号が、PETスキャンが測定しているものと同じ代謝プロセスを反映していないことを示しています。研究では、人間の目では見落とすかもしれない隠れたパターンを、機械学習として知られる高度なコンピュータ・アルゴリズムが見つけ出せるかどうかについても調査しました。これらのコンピュータ・モデルは、患者と健康な人を中程度の精度で区別できましたが、解析を疾患が主に発生する灰白質のみに限定すると、その性能は著しく低下しました。これは、コンピュータが、研究者が測定しようとしていた特定のグルコース代謝ではなく、脳全体の他の特徴を拾い上げていた可能性を示唆しています。

著者は、砂糖入りの飲料とMRIを用いてアルツハイマー病を診断するというコンセプトは魅力的ではあるものの、現在の技術はまだ臨床で使用できる段階にはない、と結論づけています。研究によれば、標準的な病院の装置の強度では、グルコースからの信号は背景となる脳のノイズに対してあまりに弱すぎるとされています。いくつかの要因がこの結果に寄与したと考えられます。例えば、スキャン中に患者を完全に静止させておくことの難しさ、糖の吸収における自然な個人差、そしてアルツハイマー病患者の脳組織はしばしば萎縮しており、それが鮮明な読み取りをより困難にしていることなどが挙げられます。研究者たちは、がんの画像診断などの他の分野の研究では、経口摂取ではなく、グルコースの静脈注射が行われており、それがより強い信号を提供している可能性があると指摘しています。また、将来的にこの技術を実用的なものにするためには、7テスラで作動するようなさらに強力なスキャナーを使用する必要があるとも示唆しています。しかし、現時点では、本研究は、経口摂取によるglucoCEST MRIは、アルツハイマー病におけるグルコース代謝を評価するための放射性PETスキャンの代わりにはなり得ないことを示しています。