[論文レビュー] Magnetic resonance imaging of mean cell size in human breast tumors

Junzhong Xu, Xiaoyu Jiang+9 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2019

Advanced MRI Techniques and ApplicationsMedicine参考文献 48被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、標準の3T MRIスキャナを用いて、非侵襲的かつ非画像診断的にヒトの乳がん腫瘍における平均細胞サイズをマッピング可能な、高速で臨床的実用性のあるMRI法、IMPULSEDを導入した。スピンエコー拡散画像法と勾配波形の解析的モデルを組み合わせることで、IMPULSEDは約7分で高分解能（1.3 mmイン・プレーン）の細胞サイズマップを実現し、シミュレーション、in vitro細胞実験、in vivo動物モデルで妥当性が確認された。さらに、術前乳がん患者への応用にも成功した。

ABSTRACT

Purpose: Cell size is a fundamental characteristic of all tissues, and changes in cell size in cancer reflect tumor status and response to treatments, such as apoptosis and cell cycle arrest. Unfortunately, cell size can only be obtained by pathologic evaluation of the tumor in the current standard of care. Previous imaging approaches can be implemented on only animal MRI scanners or require relatively long acquisition times that are undesirable for clinical imaging. There is a need to develop cell size imaging for clinics. Experimental Design: We propose a new method, IMPULSED (Imaging Microstructural Parameters Using Limited Spectrally Edited Diffusion) that can characterize mean cell sizes in solid tumors. We report the use of combined sequences with different gradient waveforms on human MRI and analytical equations that link DWI signals of real gradient waveforms and specific microstructural parameters such as cell size. We also describe comprehensive validations using computer simulations, cell experiments in vitro, and animal experiments in vivo and finally demonstrate applications in pre-operative breast cancer patients. Results: With fast acquisitions (~ 7 mins), IMPULSED can provide high-resolution (1.3 mm in-plane) mapping of mean cell size of human tumors in vivo on currently-available 3T MRI scanners. All validations suggest IMPULSED provide accurate and reliable measurements of mean cell size. Conclusion: The proposed IMPULSED method can assess cell size variations in the tumor of breast cancer patients, which may have the potential to assess early response to neoadjuvant therapy.

研究の動機と目的

• 固体腫瘍における平均細胞サイズを非侵襲的に評価可能な臨床的実用性のあるMRI法の開発を目的とする。
• 専用スキャナを必要とする既存手法の制限を克服することを目的とする。
• 標準の臨床MRIハードウェアを用いて、ヒトの乳がん腫瘍におけるin vivo、高分解能の細胞サイズマッピングを可能とすることを目的とする。
• コンピュータシミュレーション、in vitro細胞培養、in vivo動物モデルの複数のプラットフォームで、手法の妥当性を検証することを目的とする。
• 術前乳がん患者を対象とした臨床応用にまで手法を展開することを目的とする。

提案手法

• IMPULSEDは、細胞サイズに関連する微細構造信号を分離するために、スペクトル編集付き拡散画像法（DWI）を用いる。
• 実際の勾配波形からのDWI信号と微細構造パラメータ（平均細胞サイズを含む）との関係を記述する解析的式を用いる。
• スキャン時間を最小限に抑えるために、限定的なスペクトル編集を活用し、細胞内コンpartimentサイズへの感受性を高める。
• シーケンス設計により、標準の3T MRIスキャナ上でも、約7分の高速撮影と高空間分解能（1.3 mmイン・プレーン）を実現する。
• 数値的シミュレーション、制御された細胞懸濁液を用いたin vitro実験、in vivo動物腫瘍モデルのスケールにわたるマルチスケールベンチマークを用いて妥当性を検証する。
• 臨床的実用性は、日常的な臨床MRIプロトコルを用いた術前乳がん患者への応用によって示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 専用ハードウェアを必要とせず、臨床的実用性のあるMRI法が、ヒトの乳がん腫瘍における平均細胞サイズを正確に推定できるか？
• RQ2 IMPULSEDシーケンスは、シミュレーション、in vitro、in vivoの異なる生物学的スケールにおいて、正確性と再現性をどのように果たすか？
• RQ3 IMPULSEDは、腫瘍状態や治療反応に関連する生物学的に有意義な細胞サイズ変化を検出できるか？
• RQ4 標準の3T MRIシステム上でのin vivo平均細胞サイズマッピングにおいて、達成可能な空間分解能とスキャン時間は何か？
• RQ5 術前乳がん患者における臨床的状況下で、本手法は信頼性があり定量的な細胞サイズ推定を提供できるか？

主な発見

• IMPULSEDは、標準の3T MRIスキャナ上、約7分のスキャン時間で、ヒトの乳がん腫瘍のin vivoで高分解能（1.3 mmイン・プレーン）の平均細胞サイズマッピングを達成した。
• シミュレーションにより、本手法の細胞サイズ変化への感受性と、ノイズおよびシーケンスの不完全さに対するロバストネスが確認された。
• 制御された細胞懸濁液を用いたin vitro実験では、測定値と期待値との間に強く整合性が認められ、手法の正確性が裏付けられた。
• in vivo動物実験では、腫瘍を有するモデルにおいて一貫性があり再現性の高い細胞サイズマップが得られ、生理的妥当性が確認された。
• 術前乳がん患者への臨床的応用では、信頼性のある細胞サイズマップが正常に生成され、日常臨床応用の実現可能性が示された。
• 本手法は、アポトーシスや細胞周期停止に関連する早期の治療誘因による細胞サイズ変化を検出する可能性を示した。