「人体のグーグルマップ」　ザッカーバーグも支援

階層的位相コントラスト断層撮影法（HiP-CT）という強力なX線スキャン技術によって、人体の最も微細な毛細血管や、個別の細胞のレベルまで拡大した画像が撮影できるようになった。この新技術は、30人以上の科学者による国際チームが生み出した。

HiP-CTはすでに、新型コロナウイルスが血管や肺にどのような損傷を与えるかについて、新たな見方を提供している。研究者たちは、この撮影法に大きな可能性を見いだしており、病気や人体をより詳しく理解する新たな手法として期待している。

HiP-CTは、2人のドイツ人病理学者が、新型コロナウイルスの人体への影響を調べようとしたことから始まった。新型コロナのパンデミック（世界的大流行）が始まって間もない頃だった。

ハノーファー医科大学の胸部疾患病理学者ダニー・ヨーニク氏とマインツ大学医療センターの病理学者マクシミリアン・アッカーマン氏は、肺炎の患者が中国で続出しているというニュースが流れはじめた当初から警戒を強めていた。2人とも肺疾患を専門としていたため、これが普通の肺炎でないことはすぐにわかった。なかでも気がかりだったのは、呼吸苦がないのに血中酸素濃度が非常に低い「無症候性（サイレント）低酸素症」についての報告だった。

新型コロナウイルスが肺の血管を何らかの形で攻撃しているのではないかと考えた2人は、2020年3月にドイツで感染が拡大すると、死亡した感染者の解剖を始めた。そして、自分たちの仮説を検証するため、組織標本に樹脂を注入してから組織を酸で溶かし、もとの血管構造を忠実に再現した型を取るという手法で血管を調べた。

新型コロナ感染症による死者の組織と、その他の死者の組織を同じ方法で比較したところ、前者では肺の最も細い血管がねじれて変形していることがわかった。この重要な知見は20年5月21日付で医学誌「The New England Journal of Medicine」に発表され、新型コロナ感染症が厳密には呼吸器系の疾患ではなく血管系の疾患であり、全身の臓器に影響を及ぼす可能性があることを示した。

「人体にあるすべての血管を取り出して一列に並べると約10万キロメートル、地球の赤道を2周半できる長さになります」とアッカーマン氏は言う。これだけの長さの血管のわずか1%がウイルスに侵されただけでも、血液の流れや酸素の吸収が悪くなり、全身の臓器に致命的な影響を及ぼすおそれがあるという。

新型コロナ感染症が血管に及ぼす影響を認識したヨーニク氏とアッカーマン氏は、その損傷をもっと詳細に観察する必要があると考えた。

しかし、コンピューター断層撮影装置（CT）スキャンなどの医療用X線画像では、臓器全体を見ることができるものの、解像度は不十分だった。一方、生検では組織サンプルを顕微鏡で観察できるが、臓器のごく一部の画像しか得られず、新型コロナ感染症がどのように肺全体に広がるかを知ることはできない。また、2人が用いた樹脂を使った手法では、組織を溶解する必要があるため、標本は失われ、それ以上の研究はできない。

「酸素を取り込み、二酸化炭素（CO2）を吐き出すという役割を担う肺には、途方もない長さの血管や毛細血管が、奇跡のように整然とはりめぐらされています」とヨーニク氏は言う。「新型コロナ感染症のような複雑な疾患を、臓器を破壊することなく評価するにはどうすればよいのでしょうか？」

ヨーニク氏とアッカーマン氏は、これまでにない技術を必要としていた。それは、同一の臓器に対して連続でX線撮影を行い、臓器の一部にズームインして細胞のスケールまで拡大できるようにする技術だ。20年3月、2人は長年の共同研究者である英ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（UCL）新興技術部門の主任ピーター・リー氏に相談をもちかけた。リー氏の専門は、強力なX線を用いた生体材料の研究だ。そんなリー氏の頭に、フランス南東部にある加速器が浮かんだ。

欧州シンクロトロン放射光研究所（ESRF）は、フランスのグルノーブル北西部にある粒子加速器で、2本の川が合流する三角形の土地に立つ。周長844メートルの円形のリングの中で、電子を光速に近い速さまで加速する。電子を周回させる際、電子の軌道を強力な磁石で曲げると、世界最高輝度のX線が放射される。

この強力なX線を使えば、数マイクロメートルから数ナノメートルのものが見えるため、合金や複合材料の研究や、たんぱく質の分子構造の解析、岩石の中に埋もれた化石の撮影などに利用されている。アッカーマン氏、ヨーニク氏、リー氏の3人は、この巨大な装置を使って、世界一詳細なヒトの臓器のX線スキャンができないかと考えた。

ESRFのポール・タフォロー氏は、シンクロトロンの放射光を利用して見えるものの限界を広げてきた人物で、これまでにも恐竜の卵の中身やミイラの包帯の下にあるものを明らかにしてきた。氏は、シンクロトロン放射光を利用して肺葉の全体の詳細なスキャンを撮影することは、理論的には可能だと考えた。しかし、実際にヒトの臓器の全体をスキャンすることは、氏にとっても難しい挑戦だった。

まずコントラストの問題があった。一般的なX線画像は、物質によって放射線の吸収率が異なるという性質を利用して撮影される。吸収率は、軽い物質より重い物質の方が高い。だが軟部組織は、炭素、水素、酸素などの軽い元素でできているため、通常の医療用X線では鮮明に映らない。

ここで、X線ビームの位相が非常に良くそろっているというESRFの長所が役に立つ。放射されたESRFのX線は、枯れ山水の庭の砂に描かれる文様のように、波の起伏が一様にそろっている。このX線が物体の中を進んでいくと、密度の微妙な差によって、進路がわずかにばらついてくる。X線が物体の外に出てさらに進んでいくと、ずれはもっと検出しやすくなる。これを検出することで、軽い元素でできた物体中の微妙な密度の差を明らかにすることができるのだ。

もう1つの課題は安定性だ。X線画像をズームインできるように撮影するには、臓器を自然な形に固定し、そのたわみやずれを1000分の1ミリ以下に抑えなければならない。それ以上動いてしまうと、同じ臓器を連続して撮影しても位置が合わなくなってしまう。しかし、言うまでもなく、臓器は非常にたわみやすい。そこで、リー氏とUCLの研究チームは、シンクロトロンのX線に耐えられ、なおかつX線をなるべく多く通せるような容器を作製した。

フランスではタフォロー氏が、スキャン方法の改良や、リー氏のチームが作製した容器の中で臓器が動かないようにする方法の考案を担当した。氏は高濃度のエタノールを含む寒天を使って臓器を固定する方法を考えたが、ちょうどロックダウン（都市封鎖）の時期だったため、自宅の台所を改造した実験室に作業の場を移し、地元の食料品店や食肉加工場で材料を入手して実験を進めなければならなかった。

20年5月中旬、タフォロー氏はブタの肺を使った最初のスキャンを行うために、許可を得てESRFに戻った。そして、ドイツのアッカーマン氏とヨーニク氏から、新型コロナ感染症で死亡した54歳の男性の左肺葉が送られてきたので、5月から6月にかけて撮影の準備をし、スキャンを行った。

「最初の画像を見て、プロジェクトに参加している全員に送ったメールには、『申し訳ない。失敗だった。スキャンの品質はあまりよくなかった』と書きました」とタフォロー氏は言う。「2枚だけ送った画像は、私にとっては不本意なできばえでしたが、彼らにとってはすばらしいものでした」

UCLのリー氏にとって、その画像は畏敬の念を起こさせるほどだった。通常の医療用CTスキャン画像のように臓器全体を見渡せるが、「その100万倍の情報量」が含まれていた。これまで研究者たちは、まるで森をはるか上空のジェット機から見下ろしたり、1本道のハイキングコースを歩いたりして調べてきたようなものだった。それを、空を飛ぶ鳥のように、樹冠のすぐ上から詳細に眺めることができたのだ。

研究チームは21年11月4日付で学術誌「ネイチャー」にHiP-CT法に関する最初の論文を発表した。また、新型コロナ感染症が肺の血液循環に及ぼす影響に関する論文も同年8月31日付で医学誌「American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine」に発表した。

彼らのスキャン画像は、予期せぬ恩恵ももたらした。研究者が友人や親戚にワクチン接種を受けるよう説得するときに役立ったのだ。新型コロナの重症患者では、肺の血管の多くが膨張し、小さいスケールでは、小さな血管の異常な束が形成されているのが見えた。

「新型コロナで死亡した人の肺の構造を見ると、肺とは思えないほどひどい状態です」と　タフォロー氏は言う。

HiP-CTスキャンは、健康な臓器についても、これまで文書や写真に記録されたことのない微妙な解剖学的特徴を明らかにした。ヒトの臓器をここまで詳細に見たことがある人はいなかったのだから、当然のことだ。HiP-CTチームは現在、米メタ（旧フェイスブック）のマーク・ザッカーバーグ最高経営責任者（CEO）と、ザッカーバーグ氏の妻で医師のプリシラ・チャン氏が設立した非営利団体「チャン・ザッカーバーグ・イニシアチブ」から100万ドル（約1億1500万円）以上の資金提供を受け、「ヒト臓器アトラス」を構築している。

HiP-CTチームはこれまでに、心臓、脳、腎臓、肺、脾臓（ひぞう）という5種類の臓器のスキャン結果を公開している。スキャン対象となったのは、アッカーマン氏とヨーニク氏がドイツで解剖した新型コロナ患者の臓器と、比較用にグルノーブルの解剖学研究所LADAFから提供された疾患のない臓器だ。これらのデータと、データに基づくフライスルー動画（臓器内を疑似的に飛び回る動画）はオンラインで無料で利用することができる。

ヒト臓器アトラスは急拡大している。さらに30個の臓器のスキャンが終わり、80個の臓器がさまざまな準備段階にある。リー氏によると、約40の研究グループからHiP-CTの詳細についての問い合わせがあったという。

HiP-CTは、解剖学や疾患の理解に役立つことが期待されているだけでなく、そのデータを没入型VR（仮想現実）に利用しようとしているアーティストもいる。

とはいえ、大きな課題もある。「HiP-CTスキャンは『恐ろしいほどの量のデータ』を生成する」と、データ分析に携わったUCL研究員のクレア・ウォルシュ氏は言う。臨床医が利用できるようにするために、研究者たちは、スキャンデータをナビゲートするクラウドベースのインターフェースを開発したいと考えている。人体用のグーグルマップのようなものだ。

撮影した画像をもっと簡単に3次元（3D）モデルに変換できるようにすることも必要だ。ほかのCTスキャン技術と同様、HiP-CTでは対象物の断面画像を多数撮影し、それらを重ねることで立体的に表示する。現在でも、このプロセスの多くが手作業で行われており、異常や疾患のある組織のスキャンでは特にその傾向が強い。リー氏とウォルシュ氏は、負担を軽減するための機械学習技術を開発することがHiP-CTチームの主な優先課題だとしている。

ヒト臓器アトラスが拡大し、研究者の期待が高まるにつれ、課題も大きくなっていくだろう。HiP-CTチームはESRFの最新のビーム施設「BM18」を使って臓器のスキャンを続けている。BM18ははるかに大きいX線ビームを放射するため、スキャンにかかる時間が短くなる。また、BM18のX線検出器はスキャン対象物から38メートルも離れた場所に設置できるため、スキャン画像は格段に鮮明になる。

タフォロー氏によれば、BM18からはすでに良好な結果が得られており、ヒト臓器アトラスで使用した標本のいくつかを新しいシステムでスキャンしなおしたという。

BM18には非常に大きい対象物をスキャンできるスペースもあるため、チームは23年末までに人体の胴体を丸ごとスキャンしたいと考えている。

この技術の可能性は非常に大きく、タフォロー氏は、「私たちは最初の一歩を踏み出したばかりです」と話す。

（文　MICHAEL GRESHKO、訳　三枝小夜子、日経ナショナル ジオグラフィック社）

［ナショナル ジオグラフィック 日本版サイト 2022年2月6日付］