消化器外科領域における光線医療技術の実践

Abstract

5-アミノレブリン酸（5-ALA）を用いた光線力学診断（PDD）は視覚的に腫瘍の局在を明瞭にすることが可能で，インドシアニングリーン（ICG）蛍光法は，肉眼では見ることのできない生体深部情報を非侵襲的に観察することができる．鏡視下手術を含めた消化器外科領域の様々な診療においてこれらの光線医療技術を併用することで，安全な低侵襲手術実施への貢献，診断精度および治療成績の向上が可能であり，さらなる普及が期待される．

Translated Abstract

Photodynamic diagnosis (PDD) using 5-aminolevulinic acid (5-ALA) can visually clarify the accurate location of tumors. Near-infrared imaging using indocyanine green (ICG) fluorescence can provide minimally invasive imaging of vessels and lymphatic ducts deep inside organs that cannot be seen with the naked eye. Recent advances in fluorescence techniques using 5-ALA-PDD and ICG imaging improve visualization and detection of various cancers and can confirm blood and lymphatic circulation in gastrointestinal surgeries, including thoraco-laparoscopic surgery. It can also increase the safety of minimally invasive surgery and improve diagnostic accuracy and treatment results. Further application of these techniques is expected in various medical fields.

1.  緒言

5-アミノレブリン酸（5-aminolevulinic acid: 5-ALA）を用いた光線力学診断（Photodynamic diagnosis: PDD）は，光感受性物質が癌特異性に集積することを利用した癌に共通する生物学的特性に基づく技術であり，視覚的に腫瘍の局在を明瞭にすることができる^1-4)．また，インドシアニングリーン（ICG）は近赤外光の照射により励起され近赤外光を発する蛍光特性を有しており，同時に近赤外光の高い生体透過性を利用することにより肉眼では見ることのできない生体深部情報を非侵襲的に観察することができるようになる⁵⁾．本稿では消化器外科領域におけるこれらの光線医療技術の応用と使用について実際を踏まえながら解説する．

2.  5-ALAを用いた蛍光イメージング法の特性と歴史

5-ALAは内因性のポルフィリン物質で，ミトコンドリア内で光感受性物質であるプロトポルフィリンIX（Protoporphyrin IX: Pp lX）に生合成される^1,2)．癌細胞では細胞膜やミトコンドリア膜のトランスポーター活性異常や酵素の異常によりPp IXが癌細胞内に特異的に蓄積する^6,7)．細胞に375～445 nmの青色可視光線を照射するとPp IXは励起され600～740 nmの赤色蛍光を呈するため，この光化学反応を応用して病変を観察する診断技術がPDDである^1,3,8)．

1999年にドイツの18病院がThe 5-ALA-GLIOMA Study Groupを結成し，従来の手術用顕微鏡に励起用光原を内臓したシステムを使用して第III相臨床試験を行った結果，欧州において2007年にアミノレブリン酸塩酸塩が「悪性神経膠腫手術時の体内診断用医薬品」として販売承認された．日本では2010年に「5-ALA溶解液の経口または経尿道投与による蛍光膀胱鏡を用いた膀胱癌の光線力学診断」として高度先進医療が承認され，2013年に「悪性神経膠腫の腫瘍摘出術中における腫瘍組織の可視化」の効能・効果にて製造販売承認が取得され，同年9月より光線力学診断用剤として凍結乾燥製剤（アラグリオ^®内用剤1.5 g）が販売された．さらに2017年にはアラグリオ^®顆粒剤分包は「経尿道的膀胱腫瘍切除術時における筋層非浸潤性膀胱癌の可視化」での製造販売承認が取得されている．

3.  5-ALAを用いた蛍光イメージングの実際

5-ALA-PDDは脳外科領域では悪性神経膠腫の腫瘍摘出術中における腫瘍組織の可視化として薬事承認され日常臨床で実用化されており，泌尿器科領域においても膀胱上皮内癌の診断率の向上と切除の際に残存腫瘍の減少による再発率の低下が期待され先進医療として行われた後，薬事承認された^1,3,9,10)．一方，消化器領域においては腹膜播種やリンパ節転移診断の向上に向けて臨床研究の取り組みがなされてきている^11-13)．

我々は，光線力学診断内視鏡システム（Image 1S, KARL STORZ），光源には300 W Xenon lampを使用し，励起光は380～440nmの青色光で，先端出力は50 mWとしている（Fig.1）^12,13)．5-ALA 1 g/5%ブドウ糖液50 ml溶解液を投与し，PDD専用装置を用いて観察した手術適応胃癌で付随する病変も含めて病理組織学的所見と対比した探索的検討では，正診率66.7%，感度57.7%，特異度100%で，分化型胃癌においては，正診率89.4%，感度83.3%，特異度100%であった．5-ALAの細胞内取り込みあるいは排泄に関わるトランスポーターの発現が組織型によって異なる可能性があり，正診率向上に向けて分子細胞レベルでの機能解析が期待されている¹⁴⁾．境界が不明瞭な胃癌においても病理組織学的な腫瘍の進展範囲に相当する癌の領域を5-ALA-PDDで示すことができた（Fig.2）¹²⁾．

Fig.1 

Photodynamic diagnostic (PDD) endoscope system

For PDD-exclusive laparoscopy, a HOPKINSII Straight Forward Telescope, equipped with a long-pass filter that blocks blue light and shows red fluorescence, allows user to instantaneously switch between observation with conventional white light and fluorescence.

Fig.2 

Macroscopic appearance of the surgically resected specimen of the superficial depressed gastric cancer and photodynamic diagnosis (PDD) using 5-aminolevulinic acid (5-ALA) in gastrectomy for gastric cancer.

Under normal white light, the tumor margin was indistinct. Under 5-ALA-PDD, the tumor emitted a red fluorescent signal that was consistent with the area of adenocarcinoma defined by pathological examination.

4.  ICG蛍光マーキングクリップを用いた腹腔鏡下消化管外科手術

近赤外光は生体透過性が高いため，ICGの蛍光特性を併用することで生体深部を可視化することが可能なことから蛍光ガイド下手術に応用され，乳癌のセンチネルリンパ節同定や虚血性心疾患の術中冠動脈グラフト造影などでその有用性が確認されている^5,15-17)．

消化器領域の鏡視下手術において的確に目的臓器を切除するためには正確な腫瘍局在診断が必須であり，近年開発された外科手術用蛍光マーキングクリップを用いることでインドシアニングリーン（ICG）の蛍光特性を利用して肉眼では見ることのできない生態深部情報を非侵襲的に観察することができるようになる^18,19)．ICG蛍光マーキングクリップは消化器内視鏡止血クリップの両爪に蛍光樹脂をインサート形成することで爪先端の樹脂が消化管粘膜に密着して励起光を受光し蛍光を発するコンセプトで開発された新規デバイスで，蛍光樹脂はポリカーボネートを基本材料として蛍光材を約1%混錬している²⁰⁾．我々は消化管癌に対する腹腔鏡下手術において，ICGの近赤外蛍光を捉えて生体深部情報をカラー画像として可視化可能な新規のデバイスを使用している．

ICG蛍光マーキングクリップを手術前日に腫瘍の口側3～4箇所に留置し，ICG蛍光専用デバイス（IMAGE1 S System, KARL STORZ, Tuttlingen, GermanyもしくはVISERA ELITE II System, OLYMPUS, Tokyo, Japan）と専用光源（D-LIGHT P, KARL STORZもしくはCLV-S200-IR, OLYMPUS）を用いて観察している．定型的にリンパ節郭清後，切離にとりかかるタイミングでICG蛍光専用デバイスを用いて観察するとクリップから励起される蛍光を漿膜側から観察することができ（Fig.3），適正な切離線で切除を行い再建することが可能である（Fig.4）．また，ロボット支援下手術は保険収載とともに拡く普及してきており，da Vinci^® Surgical Systemを用いた手術においてもICG蛍光観察が可能である（Fig.5）．組織の厚さと近赤外光の組織透過特性を理解した上で使用することで，ICG蛍光マーキングクリップは鏡視下手術における腫瘍局在の確認に有用なデバイスである^18,19)．

Fig.3 

Intraoperative findings during laparoscopic distal gastrectomy using endoscopic marking clip equipped with fluorescent resin conjugated indocyanine green (ICG).

Under normal white light, there is no visible change on the serosa of the stomach (A). Under ICG fluorescence using specifically designated scopes and camera system, a fluorescence signal of the resin-conjugated ICG is detected from the serosal surface of the stomach (B, arrow).

Fig.4 

The macroscopic appearance of the surgically resected specimen with endoscopic marking clip equipped with fluorescent resin conjugated indocyanine green (ICG).

The ICG-emitted fluorescence in the clips is detected using specifically designated scopes and camera system (arrows) in the serosal surface of the tumor, showing a slightly elevated lesion with central depression, measuring 1.5 × 1.4 cm (arrowhead).

Fig.5 

Intraoperative findings during robot assisted laparoscopic distal gastrectomy using endoscopic marking clip equipped with fluorescent resin conjugated indocyanine green (ICG).

A fluorescent signal indicating the ICG conjugated resin is clearly visible from the serosal side of the stomach (arrow).

5.  食道切除胃管再建におけるICG蛍光法と血流定量化の試み

食道切除胃管再建において，胃管吻合部の良好な血流は縫合不全の防止に重要であり，ICG蛍光法を用いた胃管血流評価法が術後吻合部内視鏡所見と相関することが報告されている²¹⁾．ICG蛍光法を用いた胃管の血流評価は蛍光色調による主観的評価であるため，我々は組織酸素飽和度モニターを用いた客観的な定量的評価を試みている．胃管作成前にICGを静脈投与して，胃の先端が蛍光するまでの時間，胃管作成後，頸部に挙上して吻合前のICG蛍光時間を測定し，さらに組織酸素飽和度モニターで胃管吻合予定部を評価している．挙上胃管のICG蛍光評価（Good, Moderate, Poor）と蛍光時間，組織酸素飽和度および術後縫合不全との関係を検討すると，縫合不全症例は，ICG蛍光評価が低く，ICG蛍光時間が遅い傾向にあり，挙上胃管のICG蛍光低評価と蛍光時間の遅延が縫合不全と関係する可能性が示唆された²²⁾．組織酸素飽和度の数値と縫合不全の関係は明らかではなかったが，瀉血による組織酸素飽和度の上昇がみられ，うっ血の解除による微小循環改善が示唆され，現在も症例を集積中である．

6.  今後の課題と展望

5-ALA-PDDを併用することにより，より微細な癌病巣の検出に貢献することが期待され，進行胃癌患者に対する審査腹腔鏡検査時や，大腸癌の腹膜播種に対する積極的な切除にその有用性が見出される可能性がある．今後，このような領域の診療に対する5-ALA-PDDの安全性の確認，さらには検証試験が行われた後，実地診療への普及が期待される．また，ICG蛍光のCCDカメラを光学視管に装備することで腹腔鏡，胸腔鏡手術へ応用も可能になり，腹腔鏡下胆嚢摘出術における術中胆道造影や，腹腔鏡下の大腸切除術における病変部位の確認にも応用可能で，低侵襲手術の新たな方向性として，様々な手術での有効性が期待される．さらに5-ALA-PDDとICG蛍光を併用することができれば臨床成績の向上に繋がることが期待され，基礎的研究を踏まえた臨床試験による実証が待たれる．

利益相反の開示

利益相反なし．

引用文献

• 1)   Inoue  K,  Fukuhara  H,  Shimamoto  T,  Kamada  M,  Iiyama  T,  Miyamura  M,  Kurabayashi  A,  Furihata  M,  Tanimura  M,  Watanabe  H,  Shuin  T. Comparison between intravesical and oral administration of 5-aminolevulinic acid in the clinical benefit of photodynamic diagnosis for nonmuscle invasive bladder cancer. Cancer. 2012; 118: 1062-1074.
• 2)   Hagiya  Y,  Endo  Y,  Yonemura  Y,  Takahashi  K,  Ishizuka  M,  Abe  F,  Tanaka  T,  Okura  I,  Nakajima  M,  Ishikawa  T,  Ogura  S. Pivotal roles of peptide transporter PEPT1 and ATP-binding cassette (ABC) transporter ABCG2 in 5-aminolevulinic acid (ALA)-based photocytotoxicity of gastric cancer cells in vitro. Photodiagnosis Photodyn Ther. 2012; 9: 204-214.
• 3)   Inoue  K,  Karashima  T,  Kamada  M,  Shuin  T,  Kurabayashi  A,  Furihata  M,  Fujita  H,  Utsumi  K,  Sasaki  J. Regulation of 5-aminolevulinic acid-mediated protoporphyrin IX accumulation in human urothelial carcinomas. Pathobiology. 2009; 76: 303-314.
• 4)   Inoue  K,  Fukuhara  H,  Yamamoto  S,  Karashima  T,  Kurabayashi  A,  Furihata  M,  Hanazaki  K,  Lai  HW,  Ogura  SI. Current status of photodynamic technology for urothelial cancer. Cancer Sci. 2022; 113: 392-398.
• 5)   Yamamoto  M,  Ninomiya  H,  Tashiro  M,  Sato  T,  Handa  T,  Inoue  K,  Orihashi  K,  Hanazaki  K. Evaluation of graft anastomosis using time-intensity curves and quantitative near-infrared fluorescence angiography during peripheral arterial bypass grafting. J Artif Organs. 2019; 22: 160-168.
• 6)   Nakayama  T,  Nozawa  N,  Kawada  C,  Yamamoto  S,  Ishii  T,  Ishizuka  M,  Namikawa  T,  Ogura  SI,  Hanazaki  K,  Inoue  K,  Karashima  T. Mitomycin C-induced cell cycle arrest enhances 5-aminolevulinic acid-based photodynamic therapy for bladder cancer. Photodiagnosis Photodyn Ther. 2020; 31: 101893.
• 7)   Nakayama  T,  Kobayashi  T,  Shimpei  O,  Fukuhara  H,  Namikawa  T,  Inoue  K,  Hanazaki  K,  Takahashi  K,  Nakajima  M,  Tanaka  T,  Ogura  SI. Photoirradiation after aminolevulinic acid treatment suppresses cancer cell proliferation through the HO-1/p21 pathway. Photodiagnosis Photodyn Ther. 2019; 28: 10-17.
• 8)   Fukuhara  H,  Inoue  K,  Satake  H,  Tamura  K,  Karashima  T,  Yamasaki  I,  Tatsuo  I,  Kurabayashi  A,  Furihata  M,  Shuin  T. Photodynamic diagnosis of positive margin during radical prostatectomy: preliminary experience with 5-aminolevulinic acid. Int J Urol. 2011; 18: 585-591.
• 9)   Namikawa  T,  Iwabu  J,  Munekage  M,  Uemura  S,  Maeda  H,  Kitagawa  H,  Nakayama  T,  Inoue  K,  Sato  T,  Kobayashi  M,  Hanazaki  K. Evolution of photodynamic medicine based on fluorescence image-guided diagnosis using indocyanine green and 5-aminolevulinic acid. Surg Today. 2020; 50: 821-831.
• 10)   Inoue  K,  Fukuhara  H,  Kurabayashi  A,  Furihata  M,  Tsuda  M,  Nagakawa  K,  Fujita  H,  Utsumi  K,  Shuin  T. Photodynamic therapy involves an antiangiogenic mechanism and is enhanced by ferrochelatase inhibitor in urothelial carcinoma. Cancer Sci. 2013; 104: 765-772.
• 11)   Namikawa  T,  Yatabe  T,  Inoue  K,  Shuin  T,  Hanazaki  K. Clinical applications of 5-aminolevulinic acid-mediated fluorescence for gastric cancer. World J Gastroenterol. 2015; 21: 8769-8775.
• 12)   Namikawa  T,  Inoue  K,  Uemura  S,  Shiga  M,  Maeda  H,  Kitagawa  H,  Fukuhara  H,  Kobayashi  M,  Shuin  T,  Hanazaki  K. Photodynamic diagnosis using 5-aminolevulinic acid during gastrectomy for gastric cancer. J Surg Oncol. 2014; 109: 213-217.
• 13)   Namikawa  T,  Fujisawa  K,  Munekage  E,  Iwabu  J,  Uemura  S,  Tsujii  S,  Maeda  H,  Kitagawa  H,  Fukuhara  H,  Inoue  K,  Sato  T,  Kobayashi  M,  Hanazaki  K. Clinical application of photodynamic medicine technology using light-emitting fluorescence imaging based on a specialized luminous source. Med Mol Morphol. 2018; 51: 187-193.
• 14)   Lai  HW,  Sasaki  R,  Usuki  S,  Nakajima  M,  Tanaka  T,  Ogura  SI. Novel strategy to increase specificity of ALA-Induced PpIX accumulation through inhibition of transporters involved in ALA uptake. Photodiagnosis Photodyn Ther. 2019; 27: 327-335.
• 15)   Hokimoto  N,  Sugimoto  T,  Namikawa  T,  Funakoshi  T,  Oki  T,  Ogawa  M,  Fukuhara  H,  Inoue  K,  Sato  T,  Hanazaki  K. A novel color fluorescence navigation system for intraoperative transcutaneous lymphatic mapping and resection of sentinel lymph nodes in breast cancer: comparison with the combination of gamma probe scanning and visible dye methods. Oncology. 2018; 94: 99-106.
• 16)   Yamamoto  M,  Ninomiya  H,  Handa  T,  Kidawawa  K,  Inoue  K,  Sato  T,  Hanazaki  K,  Orihashi  K. The impact of the quantitative assessment procedure for coronary artery bypass graft evaluations using high-resolution near-infrared fluorescence angiography. Surg Today. 2022; 52: 485-493.
• 17)   Yamamoto  M,  Ninomiya  H,  Miyashita  K,  Tashiro  M,  Orihashi  K,  Inoue  K,  Sato  T,  Hanazaki  K. Influence of residual coronary flow on bypass graft flow for graft assessment using near-infrared fluorescence angiography. Surg Today. 2020; 50: 76-83.
• 18)   Namikawa  T,  Iwabu  J,  Hashiba  M,  Munekage  M,  Uemura  S,  Yamada  T,  Kitagawa  H,  Mizuta  H,  Okamoto  K,  Uchida  K,  Sato  T,  Kobayashi  M,  Hanazaki  K. Novel endoscopic marking clip equipped with resin-conjugated fluorescent indocyanine green during laparoscopic surgery for gastrointestinal cancer. Langenbecks Arch Surg. 2020; 405: 503-508.
• 19)   Namikawa  T,  Hashiba  M,  Kitagawa  H,  Mizuta  H,  Uchida  K,  Sato  T,  Kobayashi  M,  Hanazaki  K. Innovative marking method using novel endoscopic clip equipped with fluorescent resin to locate gastric cancer. Asian J Endosc Surg. 2021; 14: 254-257.
• 20)   Anayama  T,  Sato  T,  Hirohashi  K,  Miyazaki  R,  Yamamoto  M,  Okada  H,  Orihashi  K,  Inoue  K,  Kobayashi  M,  Yoshida  M,  Hanazaki  K. Near-infrared fluorescent solid material for visualizing indwelling devices implanted for medical use. Surg Endosc. 2020; 34: 4206-4213.
• 21)   Kitagawa  H,  Namikawa  T,  Iwabu  J,  Fujisawa  K,  Uemura  S,  Tsuda  S,  Hanazaki  K. Assessment of the blood supply using the indocyanine green fluorescence method and postoperative endoscopic evaluation of anastomosis of the gastric tube during esophagectomy. Surg Endosc. 2018; 32: 1749-1754.
• 22)  Kitagawa H, Yokota K, Marui A, Namikawa T, Kobayashi M, Hanazaki K. Near-infrared fluorescence imaging with indocyanine green to assess the blood supply of the reconstructed gastric conduit to reduce anastomotic leakage after esophagectomy: a literature review. Surg Today. 2022; (in press).