代謝プロファイリングは悪性ラブドイド腫瘍におけるヌクレオチド合成の代謝的脆弱性を明らかにする
腫瘍代謝の再プログラミングが示す小児悪性腫瘍の主要な脆弱性——オルガノイドモデルに基づく総合研究
背景紹介
悪性ラブドイド腫瘍(Malignant Rhabdoid Tumor, MRT)は、非常に侵襲性の高い小児がんであり、主に幼児に発症し、身体全体に広がります。その脳内変異型は非典型奇形腫様/ラブドイド腫瘍(Atypical Teratoid/Rhabdoid Tumor, AT/RT)と呼ばれます。現行の治療法には高強度化学療法、放射線治療、外科的介入が含まれますが、局所または転移性の症例における予後は依然として非常に悪く、新たな治療戦略の必要性が指摘されています。また、代謝の再プログラミングはがんの重要な特徴の一つと考えられており、腫瘍の代謝的脆弱性を標的にする治療は、これらの治療困難な腫瘍の改善に役立つ可能性があります。しかし、小児腎腫瘍、特にMRTやAT/RTにおける複雑な代謝特性や潜在的な代謝的脆弱性については、これまで十分に研究されていません。
そこで本論文の著者らは、オルガノイド技術(Tumoroids)を用いて、小児腎腫瘍、特にMRTの代謝特性を解析することを目指しました。オルガノイドは、患者由来組織の遺伝的、表現型的、代謝的特性を維持しながら培養できるため、疾病研究において非常に有望なモデルとされています。著者らは、遺伝子発現解析と代謝プロファイリング(メタボロミクス)を総合的に使用し、ヌクレオチド合成がMRTにおける特異的な代謝的脆弱性であることを発見し、新規および既存の医薬品がMRTモデルに対して体内外で効果を持つことを検証しました。
研究出典
この研究は、Marjolein M.G. Kes、Francisco Morales-Rodriguezらによって主導され、主な研究機関はオランダ・ユトレヒトのPrincess Máxima Center for Pediatric Oncology、および同じくユトレヒト大学(Utrecht University)です。論文は、「Metabolic profiling of patient-derived organoids reveals nucleotide synthesis as a metabolic vulnerability in malignant rhabdoid tumors」を題名として、2025年1月21日に《Cell Reports Medicine》誌に発表されました。
研究プロセス
研究設計および実施プロセス
代謝遺伝子発現特性解析
- 患者由来のオルガノイドおよび対応する腫瘍組織(合計45件のサンプル:Wilms腫瘍、腎細胞がん(RCC)、MRTなどのサブタイプを含む)を用い、大規模mRNAシーケンシングを実施。
- 主に代謝関連遺伝子の発現を解析し、MRTに特異的な代謝経路を特定。
- 主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)および遺伝子オントロジー(Gene Ontology, GO)富集解析を適用。
メタボロミクス解析
- MRT、Wilms腫瘍オルガノイド、および正常腎由来オルガノイドに対して液体クロマトグラフィー-質量分析(Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS)を使用して代謝プロファイリングを実施。
- 主にプリン(Purine)およびピリミジン(Pyrimidine)代謝産物の変化を分析。
ヌクレオチド代謝阻害剤感受性テスト
- Methotrexate (MTX)およびBay-2402234 (Bay)を用いて、MRT、AT/RT、ラブドミオサルコーマ(Rhabdomyosarcoma, RMS)、および正常腎組織を網羅する複数の腫瘍オルガノイドモデルに対する薬物スクリーニングを実施。
- Annexin V/DAPIフローサイトメトリーを用いて薬物が誘導するアポトーシス効果を検証。
- 薬物耐性濃度(例えばIC50値)の分析を行い、さらにヌクレオシドや葉酸の補充による「レスキュー実験」を通じて薬物の作用メカニズムを検証。
同位体標識追跡実験
- 13C標識グルコースを用いた代謝フラックス解析を実施し、MTXおよびBayの影響を受けた後のプリンおよびピリミジン代謝経路の変化を評価。
- ヌクレオチド初段および高段代謝産物の総量と同位体分布状況を検出。
インビボモデルの検証(PDXモデル)
- 小児由来異種移植モデル(Patient-Derived Xenograft, PDX)をマウスで確立。
- 葉酸不足の食事法を組み合わせ、MTX治療を施して腫瘍の成長動態および増殖マーカーKi67の発現変化を観察。
研究結果
MRTにおける代謝特異性
- PCA解析では、代謝関連遺伝子発現における3大腎腫瘍サンプル間に顕著な差異が認められ、MRTサンプルは他のサブタイプ(WilmsおよびRCC)から独立したクラスターを形成。
- 富集解析では、プリンおよびピリミジンヌクレオチド生合成関連遺伝子の上方調整がMRTにおいて顕著であった。
ヌクレオチド代謝特性
- LC-MSメタボロミクスでは、MRTオルガノイドにおいてピリミジン(UMP、CMP)およびプリン(IMP、GMP、AMP)代謝物の含有量が正常腎オルガノイドよりも顕著に高いことが明らかになった。
- 一方、Wilms腫瘍では、三カルボン酸回路代謝が強化されていることが観察された。
薬剤感受性
- MTXおよびBayは、MRTおよびAT/RTに対して優れた効果を示し、それらのIC50値は通常ナノモル範囲に位置した。一方、正常腎オルガノイドおよびWilms腫瘍オルガノイドはこれらの薬剤に対して比較的感受性が低い。
- フローサイトメトリーを用いた検証により、MTXおよびBayはそれぞれMRT細胞に有意にアポトーシスを誘導(それぞれ2.7倍および2.5倍)することが確認された。
同位体実験の結果
- MRTにおけるプリンおよびピリミジンヌクレオチドの13Cラベル分布は、高レベル同位体分数([m+6]以上)に集中し、新生合成能力が高いことが示された。
- MTXおよびBayによる処理は、該当する代謝経路を抑制し、ヌクレオチド全体量を明らかに減少させた。
インビボ検証
- マウスのPDXモデルでは、MTX治療がMRT腫瘍の体積増加を有意に遅延させ、Ki67マーカー染色結果により増殖が大幅に抑制されたことが示された。
- しかし、一部のマウスでは体重が20%以上減少し、MTXの長期間および頻繁な使用が毒性リスクを伴う可能性が示唆された。
研究結論と意義
本研究は、MRTがヌクレオチド代謝に特異的に依存していることを示し、これを治療標的とすることで治療困難な小児腫瘍に新たな解決策を提供します。臨床で既に承認されている薬剤Methotrexate(MTX)は大きな治療可能性を持ち、既存の治療プロトコルに組み込むことで患者の生存率を向上させることが期待されます。またBay-2402234は優れた代謝標的性を備え、より安全性の高い候補薬剤となる可能性があります。
研究ハイライトと価値
代謝特異性の発見
初めてオルガノイドモデルを用いて、小児固形腫瘍の代謝プロファイルを正確に描写し、MRTのヌクレオチド合成依存を発見しました。薬物スクリーニングと検証
プリンおよびピリミジン代謝を標的にしたMTXおよびBayが、高い抗腫瘍活性を示したことで、精密医学に基盤を提供しました。臨床応用の展望
インビボのPDX検証および既存薬の安全性データを組み合わせることで、小児の致死的腫瘍の治療に実現可能なアプローチを示唆し、幅広い応用価値を持っています。
研究の不足と展望
本研究は、環境中でヌクレオチド供給が十分である場合に、MRTの薬剤感受性が低下する可能性を示しており、より生理的条件に近い環境下でモデルをさらに最適化することが必要です。また、治療戦略(例えば併用療法や耐性機序)を含む追加分析が求められます。総じて、本研究は小児腫瘍の代謝を深く理解し、治療への重要な洞察を提供します。