[論文レビュー] Label-free metabolic imaging of non-alcoholic-fatty-liver-disease (NAFLD) liver by volumetric dynamic optical coherence tomography

Pradipta Mukherjee, Shin‐ichi Fukuda+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Liver Disease Diagnosis and Treatment参考文献 72被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、動的光干渉断層画像法（OCT）と対数強度分散（LIV）解析を用いて、メチオニン・コリン欠乏（MCD）食で誘導された非アルコール性脂肪肝症（NAFLD）モデルマウスの肝臓を用い、外来染料を用いずに3次元ボリュメトリックな代謝イメージングを実現した。標準速度のOCTシステム（50,000 A-line/s）を用いて、正常、1週間、2週間のMCD食摂取マウスの肝臓を対象とし、脂肪滴の蓄積や炎症に関連する代謝活動を非侵襲的かつ非標識で可視化した。これにより、正常、1週間、2週間のMCD食マウスの肝臓で、明確に区別できる3次元代謝構造が明らかになった。

ABSTRACT

Label-free metabolic imaging of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) mouse liver is demonstrated ex vivo by dynamic optical coherence tomography (OCT). The NAFLD mouse is a methionine choline-deficient (MCD)-diet model, and two mice fed MCD diet for 1 and 2 weeks are involved in addition to a normal-diet mouse. The dynamic OCT is based on repeating raster scan and logarithmic intensity variance (LIV) analysis which enables volumetric metabolic imaging with a standard-speed (50,000 A-lines/s) OCT system. Metabolic domains associated with lipid droplet accumulation and inflammation are clearly visualized three-dimensionally. Particularly, the normal-diet liver exhibits highly metabolic vessel-like structures of peri-vascular hepatic zones. The 1-week MCD-diet liver shows ring-shaped highly metabolic structures formed with lipid droplets. The 2-week MCD-diet liver exhibits fragmented vessel-like structures associated with inflammation. These results imply that volumetric LIV imaging is useful for visualizing and assessing NAFLD abnormalities.

研究の動機と目的

• 外来対照剤を用いずに肝臓組織の非侵襲的かつ非標識な3次元代謝イメージングを可能にし、NAFLDの発症機構を解明すること。
• 従来のイメージング法の限界（低解像度、代謝感受性の低さ、侵襲的プロトコルなど）を克服するため、深部組織の代謝評価に動的OCTを活用すること。
• 標準速度OCTシステムを用いて、脂肪滴蓄積および炎症に関連する代謝活動を可視化・区別すること。
• MCD食投与後1週間および2週間におけるマウス肝臓の構造的および代謝的変化を調査し、脂肪変性および脂肪性肝炎のモデルを構築すること。
• LIVに基づく動的OCTが、特に血管周囲領域および炎症巣領域において、肝臓組織内の代謝の不均一性を高空間・高時間分解能で検出できることを検証すること。

提案手法

• 1.3 µm波長の標準速度スイープ光源ジョーンズ行列OCTシステム（50,000 A-line/s）を用い、除菌処理済みマウス肝臓標本のボリュメトリックイメージングを実施した。
• 時間的連続なOCT Bスキャンに、対数強度分散（LIV）解析を適用し、細胞小器官の運動や代謝活動に感受性な強度の揺らぎに基づく動的コントラストを抽出した。
• 1地点あたり16フレームを取得することで、3次元ボリュームLIVマッピングを実現し、高速システムを必要としない数秒程度の迅速な組織ダイナミクス評価を可能にした。
• アンフェンおよびボリュームレンダリングLIVプロジェクションを用いて、断層画像に比べて投影アーチファクトが少ない3次元代謝構造の可視化を向上させた。
• OCT強度とLIVの比較分析を実施し、強度に基づくアーチファクトを除外し、高LIV信号が真の動的活動を反映していることを確認した。
• ヒストロロジカル相関と3群（通常食対照群、1週間MCD食、2週間MCD食）の制御された実験デザインを用いて、結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIVに基づく動的OCTは、外来標識を用いずにNAFLDマウス肝臓の代謝の不均一性を検出可能か？
• RQ2 1週間および2週間のMCD食投与によるNAFLDモデルと通常食マウス肝臓の間で、代謝構造にどのような差が生じるか？
• RQ3 高LIV領域と脂肪滴の蓄積、または炎症細胞浸潤との形態的および空間的関係は何か？
• RQ4 標準速度OCTシステムがLIV解析を用いて3次元代謝イメージングをどの程度可能にできるか。また、高速システムと比較してその性能はいかがなっているか？
• RQ5 断層画像における縦方向の高LIV信号はアーチファクトであるか、それとも脂肪滴や血流に関連する真の動的構造を示唆しているか？

主な発見

• 通常食マウス肝臓では、門脈周囲および静脈周囲領域に、高動的で血管に類似した構造が認められ、高代謝活動を示していた。
• 1週間MCD食マウス肝臓では、中心静脈の周囲に同心円状の高LIV構造が認められ、代謝的に活性な脂肪滴が形成されたと解釈された。
• 2週間MCD食マウス肝臓では、破断的で高動的な血管に類似した構造が観察され、炎症細胞の浸潤および微小循環の障害を示唆した。
• 断層画像における縦方向の高LIV信号はOCT強度と相関がなく、強度画像では観察されないため、表面組織のダイナミクスに起因する投影アーチファクトである可能性が示された。
• アンフェンおよびボリュームレンダリングLIV画像では、1週間モデルでマクロな環状代謝フロー、2週間モデルで破断的パターンが明確に可視化され、断層画像に比べて解釈が容易であった。
• LIVイメージングにより、外来対照剤を用いずに、正常、早期脂肪変性（1週間）、脂肪性肝炎（2週間）の3群の代謝フェノタイプを明確に区別できた。