AACRニュース：
ベンチからーがん研究における創造的アプローチ～がんを嗅ぎ分ける昆虫～

2023年7月27日

Cancer Research Catalystスタッフによる

がん患者の治療成績の改善は、新しい治療法から生まれます。新しい治療法は、成功した臨床試験から生まれます。臨床試験は、研究室で行われた発見に基づいています。そして、研究室での発見は？　それらは、多種多様なアッセイや特殊な技術に依存しており、これらのツールを創造的な方法で考案し、習得し、科学的な疑問を調査するために適用するベンチ・サイエンティストの独創性によって支えられています。したがって、研究者が使用するアプローチの進歩は、最先端の研究を可能にし、がんに関する新しい洞察を提供し、最終的には患者に利益をもたらす可能性があるため、広範な影響を持ちます。

新しいツールや戦略を読者に提供するために、Cancer Research Catalystは、「ベンチから」という新しい四半期ごとのシリーズを開始し、研究者ががんを理解し、その検出と治療を改善するために研究室で採用している創造的なアプローチをいくつか紹介します。

私たちの最初の記事では、がんを嗅ぎ分ける昆虫、タンパク質の配達や細胞内の低酸素状態の調節のための新戦略、およびがんと戦う自己充電式バッテリーを特集しています。

 

＜腫瘍細胞を免疫系と協力させる＞

がん細胞を、がんに対するT細胞免疫を刺激できる抗原提示細胞(APC)に再プログラムできたらどうでしょうか？　AACRのジャーナル「Cancer Discovery」に掲載された研究で、研究チームはこのアプローチが実現可能であり、治療的がんワクチンのための新しい戦略につながる可能性があることを示しました。

この研究では、研究者たちは、マウスの白血病および固形腫瘍細胞株にマイエロイド転写因子の発現を誘導し、これらの細胞をAPCへと系統再プログラミングすることで、TR-APCと名付けられた腫瘍再プログラムAPCを発現させ、マイエロイドマーカーを発現し、免疫刺激機能を示しました。

B細胞性白血病のTR-APCをマウスに移植したところ、腫瘍発生中にマイエロイド転写因子の発現をオンにすると、非再プログラム白血病細胞を移植されたマウスと比較して、白血病細胞の根絶と生存期間の延長が観察されました。この抗腫瘍効果は、活性化および記憶T細胞集団の拡大および免疫抑制性調節T細胞の減少と関連していました。固形腫瘍のTR-APCモデルでも、腫瘍の根絶と生存期間の改善が観察されました。

TR-APCアプローチの移行可能性を探るために、研究者たちは体外でマイエロイドサイトカインで刺激された人間のB細胞性急性リンパ芽球性白血病ブラストを再プログラムしました。重要なことに、再プログラムされた白血病細胞は、自己のT細胞の活性化を誘導する能力があり、患者由来のTR-APCが白血病特異的T細胞免疫を刺激するための新しい免疫療法アプローチとして使用される可能性があることを示しています。

 

＜細胞培養における酸素濃度の微調整のための多用途マイクロカプセル＞

細胞培養インキュベーターは、すべての細胞に単一の酸素濃度を提供しますが、血管新生や腫瘍細胞相互作用など、低酸素依存的プロセスをモデリングする際に、体内で関連する安定した酸素濃度を維持することは困難です。

National Academy of SciencesのProceedingsに掲載されたある研究では、研究者たちはゼラチンベースのマイクロカプセルを開発しました。これは酸素消費工場として機能し、液体培地に懸濁させたり、さまざまな細胞支持ハイドロゲルに埋め込んだりすることができます。マイクロカプセルは、酸素とグルコースを消費し、反応性酸素種(ROS)を放出する酵素グルコースオキシダーゼとカタラーゼのさまざまな濃度でロードすることができます。マイクロカプセルの孔は、基質と生成物を出入りさせるのに十分小さい一方で、酵素を閉じ込め、プロテアーゼから保護し、カプセルがハイドロゲルに埋め込まれている場合は、酸素濃度の空間制御を可能にします。

異なる酵素濃度でロードされたマイクロカプセルは、二次元のメラノーマ細胞培養と乳がんマイクロスフィアの成長と生存能に用量依存的な効果を示しました。研究者たちはまた、培養の一部にマイクロスフィアロードハイドロゲルを取り付けることで、ハイドロゲルの近くの低酸素状態から遠くの正常酸素状態までの酸素勾配を作り出す能力を実証しました。この研究の著者は、この技術は、「体の上のチップ」デバイスなど、異なる最適酸素濃度を必要とする細胞の共培養に特に有用であると示唆しています。

 

＜抗腫瘍療法のための自己充電塩水バッテリー＞

Science Advancesに掲載された最近の研究では、小さな植え込み可能なバッテリーががんと戦うのに役立つかどうかを科学者たちが調査しました。このバッテリーは酸素を消費して充電し、化学反応を開始してROSを放出し、これが腫瘍組織を損傷させます。酸素の枯渇はまた、バッテリーなしで14.1%に対して平均1.9%の溶存酸素濃度を持つ重度の低酸素環境を作り出します。

研究者たちはマウスにバッテリーを植え込み、低酸素活性化プロドラッグであるティラパザミンでマウスを治療しました。バッテリーとティラパザミンの組み合わせは、5匹中4匹のマウスで14日目までに腫瘍異種移植片を除去し、平均腫瘍体積を90%減少させました。治療中に体重や主要臓器の機能および組織学的変化は観察されませんでした。研究者たちは、彼らのバッテリーは酸素枯渇薬、光力学療法、および音響力学療法よりも連続的な低酸素状態を生成し、副作用が少ないと提案しました。

 

＜標的薬物またはタンパク質のデリバリーのための細菌「注射器」の再利用＞

がん細胞に対して薬物、タンパク質、または他の分子を選択的にデリバリーすることは、がん研究とがん治療の両方の主要な構成要素です。研究室では、がんを理解するために基本的な細胞プロセスを調べるのに役立ちます。クリニックでは、健康な組織への影響を最小限に抑えながらがん細胞を標的にします。

Natureに今年初めに掲載された記事は、細胞に薬物やタンパク質を配達するための新しい戦略を説明しています。この研究では、研究者たちは、通常、バクテリアが毒素や宿主修飾タンパク質を直接標的細胞に配達するために使用する自然に存在するタンパク質複合体を修正しました。

この複合体は、収縮性注射システムとして知られ、ペイロードを保持する内部チューブと、標的細胞の膜を貫通する鋭いスパイクタンパク質に依存する注射器のように機能します。研究者たちは、Photorhabdus asymbioticaの収縮性注射システムを、異なる細胞受容体を認識するように設計し、特定の細胞タイプに様々なペイロードを配達するためのガイドとして使用することができました。

原理実証実験は、修正されたシステムががん細胞に細胞毒性薬物を選択的に配達したり、特定の細胞にCas9などの遺伝子編集タンパク質を指示したりするために利用できることを示し、この新しい配達システムが治療および研究の用途において潜在的な可能性を持っていることを示唆しています。

 

＜免疫療法のためのT細胞のエンジニアリングの新しい方法＞

キメラ抗原レセプター(CAR) T細胞療法はB細胞性悪性腫瘍の確立された治療法であり、一部の患者に持続的な寛解を誘導し、がんおよび他の疾患に対する他の採用細胞療法(ACT)が開発中です。近年、研究者たちは、がん研究で一般的に使用される遺伝子編集ツールであるCRISPRの応用を拡大し、免疫療法のためにT細胞をエンジニアリングすることに関心を持っています。

CRISPRの配達は通常、細胞膜に一時的な孔を開ける電気穿孔法を通じて達成され、これはしばしば細胞毒性と関連しています。代替戦略として調査されているのは、特定のウイルスペプチドが細胞膜を貫通して様々な分子貨物を配達する能力を活用することです。

この方法に基づき、Nature Biomedical Engineeringに最近掲載された研究の著者たちは、CRISPRリボ核タンパク質(RNP)を一次リンパ球に配達するための新しいペプチドベースの戦略、ペプチドによるRNP配達のためのCRISPRエンジニアリング(PERC)を説明しました。PERCは、高い収率のトランスデュース細胞をもたらし、T細胞の遺伝子発現と表現型への最小限の摂動を引き起こし、異なるサイトでのCRISPR配達のための複数ラウンドを含む、効率的で正確で非毒性のT細胞エンジニアリングを可能にしました。白血病の前臨床モデルでは、PERC CAR T細胞の治療効果は、電気穿孔されたCAR T細胞と同等でした。著者によると、PERCは、実験室および臨床設定の両方でT細胞製品をエンジニアリングするための、より安価で、より少ない細胞毒性を持ち、より簡単な代替手段を代表しているかもしれません。

 

＜腫瘍へのエンジニアリング　T細胞の旅をモデル化するデバイス＞

特に転移性メラノーマに対しては、腫瘍浸潤リンパ球を使用したACT戦略が有望であることが示されていますが、輸液されたT細胞が腫瘍部位に不十分に移動することによってその可能性が制限されています。

Cell Reportsに掲載された研究では、研究者たちは、ACTを受ける患者のメラノーマに到達する可能性が最も高いT細胞を選択するアプローチを報告しました。

彼らは、メラノーマ腫瘍血管の微小環境と流動性を模倣するマイクロフルイディックデバイスをエンジニアリングし、これにより生物体外でT細胞の移動をモデル化することが可能になりました。デバイスは、以前にメラノーマへのT細胞の移動に関与していたと示唆されていた接着分子P-セレクチンでコーティングされました。メラノーマ由来のマウスT細胞はマイクロフルイディックデバイスにロードされ、P-セレクチンに接着する能力に基づいて選別されました。その後、接着T細胞分画はメラノーマを持つマウスに採用的に移植されました。P-セレクチンに接着するT細胞を受け取った動物では、非接着分画を受け取った動物と比較して、腫瘍へのドナー細胞のホーミングが多く見られました。さらに、マイクロフルイディックチャンバーでP-セレクチンに接着するために選択されたT細胞は、免疫チェックポイント療法の効果を腫瘍成長の遅延に向上させました。ヒトCD8陽性T細胞での実験は、このマイクロフルイディックシステムが、より高い腫瘍ホーミングポテンシャルを持つT細胞を選択し、ACTへの応答率を改善するために使用される可能性があることを示唆しています。

 

＜独特な早期がん検出アプローチ　嗅覚テストの合格＞

がんの早期検出と診断は、がん死亡率を抑制する鍵です。既存のスクリーニング方法（マンモグラフィーや大腸内視鏡検査など）はがんの視覚的兆候を探しますが、研究者たちは現在、異なる方法　—　嗅ぐことによってがんを追跡する可能性のある方法を開発しています。

Biosensors and Bioelectronicsに最近掲載された研究では、イナゴが「嗅ぐ」ことによってがん細胞と非がん細胞を区別でき、さらに3つの異なる口腔がん細胞株を互いに区別できることが示されました。この研究では、研究者たちはイナゴの触角にそれぞれの細胞タイプが放出する揮発性有機化合物(VOC)をさらし、その後、各イナゴの脳に外科的に埋め込まれた電極を使用して神経活動を測定しました。これらの実験は、イナゴの嗅覚神経系が、各細胞タイプのVOCに対して露出後数秒以内に独特の神経活動パターンを形成することを明らかにしました。

他の研究が、犬、ラット、さらにはアリががんや他の疾患を嗅ぎ分ける能力を持っていることを示している一方で、これらのアプローチは行動訓練を必要とし、検出能力は動物が訓練された特定の刺激に限定されていました。対照的に、この研究は、イナゴが訓練なしでがんを識別できる可能性があることを示唆していますが、生物体内でのがん検出能力を評価するためには、追加の研究が必要です。

以上

 

Source:　https://www.aacr.org/blog/2023/07/27/from-the-bench-creative-approaches-in-cancer-research/