JP6940093B2 - ハイパーサーミアを支援する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハイパーサーミアを支援する方法およびハイパーサーミア用装置に関する。より詳細に、本発明は、正常細胞への傷害を防ぎつつ且つ効果的に腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させることができるハイパーサーミアを支援する方法およびハイパーサーミア用装置に関する。

ハイパーサーミアは、身体の一部を３９〜４３℃程度に温めて腫瘍などの病気を治療する方法である。身体の一部を温めるためにＲＦ波、マイクロ波などの電磁波が用いられる。

電磁波照射によるハイパーサーミアの原理は次のとおりである。電磁波照射によって、細胞の電子が振動して、分子の摩擦熱で正常細胞および癌細胞がともに発熱する。正常細胞は、正常血管を介しての血流によって、速やかに通常の温度まで冷やされる。これに対し、癌細胞は、水分が多く、血管が脆弱で、血流量が少ないために、高温になりやすく冷めにくい。その結果、癌細胞のみが熱による傷害を受けることになる。また、正常細胞は温められることで免疫力が向上すると同時に、血流がよくなるので、体内臓器の機能が活発になるといった効果もある。ただし、電磁波照射量が過剰であると、正常細胞も熱による傷害を受けることがある。

過剰な電磁波照射を防ぎつつ、ハイパーサーミアを行うことを企図した装置が種々提案されている。
例えば、特許文献１は、悪性腫瘍の温熱療法装置システムであって、温度増加をＭＲ温度画像で検知するために、０．５〜９Ｔの静磁場強度を使い、４２〜４３℃での温熱療法のモニタリングを可能にし、０．４〜３ＧＨｚのマイクロ波ジェネレーターでマイクロ波を照射し、目標領域を目標とされたレベルの温度にコントロールするために、電源スイッチを断続的にオン＆オフを繰り返えす機能を担持する悪性腫瘍の温熱療法装置システムを開示している。

特許文献２は、電磁波を出力する電磁波発生手段と、この電磁波発生手段から出力される電磁波を生体へ照射するアプリケータとを備えたハイパーサーミア用加温装置において、前記電磁波発生手段の出力に対応して加温箇所の温度を一定時間ごとに検出する温度計測手段を設け、この温度計測手段が予め設定した温度以上の生体温度を検知した場合に前記電磁波発生手段の出力レベルを降下制御する出力降下制御手段を装備したことを特徴とするハイパーサーミア用加温装置を開示している。

特許文献３は、マイクロ波放射で皮膚組織を治療するための装置であって、治療すべき皮膚の領域上に位置付けるための治療面と、前記治療面上の複数の放射素子と、マイクロ波エネルギを前記放射素子に送出するように配置された給電構造とを有し、前記放射素子は、前記治療面において、電磁場として、送出されたマイクロ波エネルギを外向きに放出するように構成され、その結果、治療中、放出された電磁場は、予め定められた深さまで前記治療すべき皮膚の領域に浸透するように配置された均一な電磁場分布を有し、放射素子のインピーダンスを治療すべき皮膚組織のインピーダンスに整合させることによって、監視ユニットによって検出された情報に基づいて、電力増幅器に供給された電力を制御するように配置された動的インピーダンス整合ユニットをさらに含む、装置を開示している。

特開２００８−８６５２５号公報 特開昭６１−３３６６８号公報 特表２０１０−５１１４５９号公報

本発明の目的は、正常細胞への傷害を防ぎつつ且つ効果的に腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させることができるハイパーサーミアを支援する方法およびハイパーサーミア用装置を提供することである。

上記目的を達成するために検討を重ねた結果、以下の態様を包含する本発明を完成するに至った。

〔１〕 ＩＳＭ周波数帯の電磁波を腫瘍細胞の移植された培地に照射して、電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を測定し、
測定された電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数を決定し、
決定された関数から、体表面にできた腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させるのに適した電磁波照射量を算出する
ことを含むハイパーサーミアを支援する方法。

〔２〕 関数が、多標的１ヒット型モデルまたは直線二次曲線モデルに基づくものである、〔１〕に記載の方法。
〔３〕 照射される電磁波が、中心周波数２４５０ＭＨｚの周波数帯の電磁波である、〔１〕または〔２〕に記載の方法。
〔４〕 関数が近似する関係に、腫瘍細胞の移植された培地の大きさと体表面にできた腫瘍細胞の大きさとの関係、腫瘍細胞生存率と腫瘍細胞の移植された培地の大きさとの関係および／または腫瘍細胞生存率と体表面にできた腫瘍細胞の大きさとの関係をさらに含む、〔１〕〜〔３〕のいずれか一つに記載の方法。
〔５〕 関数が近似する関係に、電磁波照射量と培地温度との関係および／または腫瘍細胞生存率と培地温度との関係をさらに含む、〔１〕〜〔４〕のいずれか一つに記載の方法。

〔６〕 ＩＳＭ周波数帯の電磁波を出力するための電磁波発生手段と、電磁波発生手段で生じた電磁波の指向性を向上させるための手段と、電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数に基づいて体表面にできた腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させるのに適した電磁波照射量を算出するための照射量決定手段と、照射量決定手段からの指令または照射量決定手段で算出された電磁波照射量に基づくオペレータの入力による指令によって電磁波発生手段で出力させる電磁波量を調節する手段と、前記電磁波が体表面にできた腫瘍細胞に浸透するように身体を配置する手段を有する、ハイパーサーミア用装置。

本発明の方法または装置によれば、正常細胞への傷害を防ぎつつ、効果的に腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させることができる。

電磁波照射量（サイクル数）と腫瘍細胞生存率との関係を示す図である。 電磁波照射量（サイクル数）と温度との関係を示す図である。 電磁波照射が腫瘍細胞増殖率に及ぼす効果を示す図である。 本発明のハイパーサーミア用装置の一例を示す図である。

次に、本発明の実施例を示し、本発明をより詳しく説明する。ただし、本発明は実施例に限定されるものではない。

本発明のハイパーサーミアを支援する方法は、ＩＳＭ周波数帯の電磁波を腫瘍細胞の移植された培地に照射して、電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を測定し、測定された電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数を決定し、決定された関数から、体表面にできた腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させるのに適した電磁波照射量を算出することを含む。更に本発明のハイパーサーミアを支援する方法は、ハイパーサーミアでのがん治療の効果を高めることができる、照射時間、照射量等の種々の治療条件を算出することも含む。

ＩＳＭ周波数帯の電磁波は、工業用、科学用および医療用を目的としてＩＴＵ（国際電気通信連合）が割り当てた周波数の電磁波である。具体的に、中心周波数が、４３３．９２０ＭＨｚ、９１５．０００ＭＨｚ、２４５０ＭＨｚ，５８００ＭＨｚ、２４１２５ＭＨｚ、６１２５０ＭＨｚ，１２２５００ＭＨｚ，または２４５０００ＭＨｚの波長帯の電磁波である。これらのうち、２４５０ＭＨｚ帯は、電磁波発生手段である小形軽量永久磁石内蔵マグネトロンが安価に入手可能であるので、好ましい。ＩＳＭ周波数帯の電磁波は、体表から数ｃｍ〜数十ｃｍの深さまで浸透するといわれているので、表在腫瘍の治療に適している。

本発明に用いられる腫瘍細胞は、特に限定されないが、体表に発生する悪性黒色腫（メラノーマ）細胞などが好ましい。メラノーマは、皮膚、眼窩内組織、口腔粘膜上皮などに発生する。培地は、細胞の培養において一般的に用いられているものであれば、特に制限されない。播種された腫瘍細胞のコロニーの数は１００程度とすることが好ましい。培地量は２ｍｌと４ｍｌとで実施することができるが、これに限定されない。

電磁波の照射は、間欠照射であっても、連続照射であってもよいが、温度調節の容易さから、間欠照射が好ましい。間欠照射は、照射と停止とを１サイクルとして、複数サクルを行う。１サイクルにおける照射時間と停止時間は適宜設定できる。例えば、７秒間照射３秒間停止を１サイクルとして、複数サイクルで行うことができる。電磁波の出力は、好ましくは２００Ｗ〜１０ｋＷ、より好ましくは３００Ｗ〜１ｋＷ、さらに好ましくは４００Ｗ〜８００Ｗである。電磁波を照射している間は、電気信号などにノイズが入りやすく、計器類に影響を及ぼすことがある。そこで、電磁波を停止している間に、計器類によって、温度などを測定するように、プログラムを組むことが好ましい。また、ＭＲＩを利用した温度測定（二川「ＭＲＩを用いた非侵襲温度分布測定と誘電加熱」 国士舘大学理工学部紀要 第７号（2014）など参照）、光ファイバサーモメータを利用した温度測定（肥後ら「マイクロ波加熱による温度特性の分類（第２報）各種食品の昇温速度」日本家政学会誌Vol. 41 No. 8 733-743 (1990)などを参照）は、電磁波の影響をほとんど受けずに行うことができるので好ましい。

培地に移植された腫瘍細胞に電磁波を、所定量、例えば、７秒間照射３秒間停止の間欠照射を１〜１０サイクル行うなどして、照射する。電磁波照射装置１は培地に対して対向する２方向から電磁波を照射できるように配置することが好ましい。その後、所定時間、例えば１２時間経過した時に、生存コロニーの数をかぞえる。この測定によって、例えば、図１に示すような、電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を得ることができる。

次に、測定された電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数を決定する。関数としては、例えば、１標的１ヒット型モデル（SF＝ｅｘｐ(a×Dose))、多標的１ヒット型モデル（SF＝1−(1−ｅｘｐ(−a×Dose))^b）、指数関数型モデル（SF＝a×ｂ^Dose）、直線-２次曲線モデル（SF＝ｅｘｐ(−(a×Dose＋b×Dose²))）、ＬＱ発展型モデル（SF＝ｅｘｐ(−(a×Dose＋b×Dose²＋c×Dose³))）、ＲＣＲ型モデル（SF＝ｅｘｐ(−a×Dose)＋b×Dose×ｅｘｐ(−c×Dose)）などの非線形関数を挙げることができる。これらのうち、多標的１ヒット型モデルおよび直線-２次曲線モデルが好ましく、多標的１ヒット型モデルがより好ましい。図１に示した関係を近似するモデルの係数を表１および表２に示す。dfは自由度であり、AICは赤池情報量規準である。AICが小さい程、モデルの適合度が良好であることを示す。

次に、決定された関数から、体表面にできた腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させるのに適した電磁波照射量を算出する。例えば、多標的１ヒット型モデルにおける、生存率SFを実現するための照射量Doseは、Dose＝ｌｏｇ(1−ｅｘｐ(ｌｏｇ(1−SF)／b))／−aによって算出することができる。直線-２次曲線モデルにおける、生存率SFを実現するための照射量Doseは、Dose＝((a²−４×b×ｌｏｇ(SF))^1/2−a)／(２×b)によって算出することができる。
表１（培地２ｍｌ）に示す多標的１ヒット型モデルに基づく５０％生存率を実現するための２４５０ＭＨｚ帯電磁波の照射量は約１．５サイクルと算出された。よって、培地２ｍｌにおいて、２４５０ＭＨｚ帯電磁波の照射量を２サイクルとすることによって腫瘍細胞の生存率を５０％未満にできることが推定できる。表２（培地４ｍｌ）に示す多標的１ヒット型モデルに基づく５０％生存率を実現するための２４５０ＭＨｚ帯電磁波の照射量は約４．５サイクルと算出された。よって、培地４ｍｌにおいて、２４５０ＭＨｚ帯電磁波の照射量を５サイクルとすることによって腫瘍細胞の生存率を５０％未満にできることが推定できる。さらに、培地４ｍｌにおいて、２４５０ＭＨｚ帯電磁波の照射量を９サイクルとすることによって腫瘍細胞の生存率を数％にできることが推定できる。培地の量（大きさ）は腫瘍の大きさと相関があると考えられる。本発明は、関数が近似する関係に、腫瘍細胞の移植された培地の大きさと体表面にできた腫瘍細胞の大きさの関係、腫瘍細胞生存率と腫瘍細胞の移植された培地の大きさとの関係および／または腫瘍細胞生存率と体表面にできた腫瘍細胞の大きさとの関係をさらに含むことが好ましい。体表面にできた腫瘍の大きさを計測し、腫瘍細胞のアポトーシスを誘導するのに適した電磁波照射量を、前記電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数、ならびに腫瘍細胞の移植された培地の大きさと体表面にできた腫瘍細胞の大きさの関係、腫瘍細胞生存率と腫瘍細胞の移植された培地の大きさとの関係および／または腫瘍細胞生存率と体表面にできた腫瘍細胞の大きさとの関係を近似する関数から算出することが好ましい。

培地４ｍｌにおいて、７秒間照射３秒間停止の間欠照射を行ったときの培地の温度変化を表３に示す。照射量５サイクルにおける培地の温度は３３．８℃であり、照射量９サイクルにおける培地の温度は４３．３℃であった。本発明においては、関数が近似する関係に、電磁波照射量と培地温度との関係および／または腫瘍細胞生存率と培地温度との関係をさらに含むことが好ましい。過度な加熱（例えば、細胞温度が６０℃を超えるような加熱）は、急性熱傷による細胞のネクローシスなどを生じさせることがある。よって、急性熱傷を生じないように、前記電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数、電磁波照射量と培地温度との関係および／または腫瘍細胞生存率と培地温度との関係を近似する関数、ならびに必要に応じて腫瘍細胞の移植された培地の大きさと体表面にできた腫瘍細胞の大きさの関係、腫瘍細胞生存率と腫瘍細胞の移植された培地の大きさとの関係および／または腫瘍細胞生存率と体表面にできた腫瘍細胞の大きさとの関係を近似する関数から適正な照射量を算出することが好ましい。
算出された照射量への調節は、例えば、電磁波出力を変更したり、１サイクルにおける照射時間と停止時間を変更したり、サイクル数を変更したりして行うことができる。

マウスの左後肢に悪性黒色腫細胞１０⁶個（３μｌ）を移植し、１２日間増殖させた。１２日目に２４５０ＭＨｚ帯電磁波（５００Ｗ，１００Ｖ）の７秒間照射３秒間休止の間欠照射を９サイクル行った。その後、悪性黒色腫細胞の増殖率を計測した。コントロールとして、未照射の悪性黒色腫細胞の増殖率を計測した。この９サイクル間欠照射は表２（培地４ｍｌ）に示す多標的１ヒット型モデルに基づく関数から数％の生存率にできると推定された照射条件である。結果を図３に示す。照射量９サイクルによって、腫瘍細胞の増殖を１〜２日間遅延させることができた。悪性黒色腫細胞の細胞周期が１８〜２４時間程度であるので、照射量９サイクルを毎日行うことによって腫瘍の完全懐死の可能性が示唆される。なお、電磁波照射装置１はマウスに対して対向する２方向から電磁波を照射できるように配置した。

本発明のハイパーサーミア用装置は、ＩＳＭ周波数帯の電磁波を出力するための電磁波発生手段と、電磁波発生手段で生じた電磁波の指向性を向上させるための手段と、電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数に基づいて体表面にできた腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させるのに適した電磁波照射量を算出するための照射量決定手段と、照射量決定手段からの指令または照射量決定手段で算出された電磁波照射量に基づくオペレータの入力による指令によって電磁波発生手段で出力させる電磁波量を調節する手段と、前記電磁波が体表面にできた腫瘍細胞に浸透するように身体を配置する手段を有する。

電磁波の指向性を向上させるための手段として、パラボラアンテナや、ダイポールアンテナなどの指向性アンテナを用いることができる。
照射量決定手段としては、電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数に基づいて体表面にできた腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させるのに適した電磁波照射量を算出するためのプログラムがインストールされたパーソナルコンピュータなどのデジタル機器を用いることができる。関数は前述したとおりのものである。コンピュータなどのデジタル機器は、電磁波発生手段が出力する電磁波の干渉を防止するために、電磁波シールドすることが好ましい。
電磁波量調節手段としては、電磁波発生手段に流れる電流の量を調節できるものであれば特に制限されず、例えば、スイッチ、電気抵抗器、サイリスタなどの公知の電気素子若しくは電子素子を搭載したものを用いることができる。

電磁波が体表面にできた腫瘍細胞に浸透するように身体を配置する手段は、腫瘍細胞ができた体の部位によって、適切なものを選択することができる。
例えば、犬や猫などの動物３を対象とする場合には、動物３を手術台２の上に載せ、保定者４が動物３を保定する。保定者４に電磁波が無用に照射されないようにするために、電磁波シールド材製の手袋、手術着などを着用することが好ましい。動物３にも電磁波が腫瘍細胞以外の部分にできるだけ照射されないように、電磁波シールド材製の術衣、口輪などを着用させることが好ましい。ラジオ波（数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ）による温熱療法では、効果が発揮されるまでに、６０〜９０分間の照射を要する。これに対して、本発明における、ＩＳＭ周波数帯の電磁波照射においては、所望の腫瘍細胞生存率に低下させるために必要な時間が、数十秒間〜数百秒間と、極めて短いので、動物３に麻酔を施す必要がない。

１：電磁波照射装置
２：手術台
３：動物
４：保定者

Claims (6)

1. ＩＳＭ周波数帯の電磁波を腫瘍細胞の移植された培地に照射して、電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を測定し、
   測定された電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数を決定し、
   決定された関数から、体表面にできた腫瘍細胞が所望の腫瘍細胞生存率となり、急性熱傷を生じさせず且つ体表面にできた腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させるのに適した電磁波照射量を算出する
   ことを含むハイパーサーミアを支援する方法。
2. 関数が、多標的１ヒット型モデルまたは直線二次曲線モデルに基づくものである、請求項１に記載の方法。
3. 照射される電磁波が、中心周波数２４５０ＭＨｚの周波数帯の電磁波である、請求項１または２に記載の方法。
4. 関数が近似する関係に、腫瘍細胞の移植された培地の大きさと体表面にできた腫瘍細胞の大きさとの関係、腫瘍細胞生存率と腫瘍細胞の移植された培地の大きさとの関係および／または腫瘍細胞生存率と体表面にできた腫瘍細胞の大きさとの関係をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 関数が近似する関係に、電磁波照射量と培地温度との関係および／または腫瘍細胞生存率と培地温度との関係をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. ＩＳＭ周波数帯の電磁波を出力するための電磁波発生手段と、電磁波発生手段で生じた電磁波の指向性を向上させるための手段と、電磁波照射量と腫瘍細胞生存率との関係を近似する関数から、体表面にできた腫瘍細胞が所望の腫瘍細胞生存率となり、急性熱傷を生じさせず且つ体表面にできた腫瘍細胞のアポトーシスを誘導させるのに適した電磁波照射量を算出するための照射量決定手段と、照射量決定手段からの指令または照射量決定手段で算出された電磁波照射量に基づくオペレータの入力による指令によって電磁波発生手段で出力させる電磁波量を調節する手段と、前記電磁波が体表面にできた腫瘍細胞に浸透するように身体を配置する手段を有する、ハイパーサーミア用装置。

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