腫瘍内酸化ホットスポットはがん細胞の拡散のためのニッチを提供する

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腫瘍内不均一性 酸化ストレス がん細胞の拡散 微小環境 p38-Myc軸

腫瘍異質性（tumor heterogeneity）はがん研究における重要な課題であり、遺伝的異質性、表現型異質性、および微小環境異質性を含みます。単細胞シーケンシング技術により遺伝的および表現型異質性が明らかにされていますが、非遺伝的要因（例えば微小環境異質性）の研究はまだ十分ではありません。酸化ストレス（oxidative stress）はがんの特徴の一つであり、腫瘍細胞はその自然な微小環境から離れると、代謝異常、細胞外マトリックス（ECM）からの離脱、低酸素、および免疫細胞の攻撃など、さまざまなストレスに直面し、これらは活性酸素種（ROS）の蓄積を引き起こします。しかし、腫瘍内ROSの異質性とその腫瘍行動への影響は不明であり、主な理由は単細胞レベルで腫瘍内ROSを検出する技術の不足です。

この問題を解決するため、研究者らはT-AP1という腫瘍ターゲットプローブを開発し、細胞外過酸化水素（H2O2）を追跡することで、酸化ストレスに曝露された腫瘍細胞を可視化し、特徴付けました。この研究は、腫瘍内酸化ホットスポットの形成メカニズムを明らかにし、がん細胞の拡散におけるその役割を探ることを目的としています。

論文の出典

この論文はYoshifumi Ueda、Shigeki Kiyonaka、Laura M. Selforsら複数の研究者によって共同で執筆され、名古屋大学や京都大学など複数の著名な機関から研究チームが参加しています。論文は2025年3月にNature Cell Biology誌に掲載され、タイトルは“Intratumour oxidative hotspots provide a niche for cancer cell dissemination”です。

研究の流れ

1. T-AP1プローブの開発と検証

研究者らはT-AP1という腫瘍ターゲットプローブを開発しました。このプローブはHER2抗体、Alexa Fluor 647（AF647）（H2O2に影響されない蛍光色素）、およびPeroxy Green 1（PG1）（H2O2に敏感な化学プローブ）を組み合わせています。T-AP1はHER2陽性腫瘍細胞に結合し、細胞外H2O2に曝露されるとPG1とAF647の蛍光強度比（PG1/AF647 ratio）を増加させ、腫瘍微小環境中のH2O2を検出することができます。

細胞外実験では、T-AP1はH2O2に対して高い選択性を示し、pH 6.4-7.9の範囲で蛍光信号が安定していることが確認されました。その後、研究者らは複数のHER2陽性がん細胞系で生細胞イメージング実験を行い、T-AP1の特異性と感度を検証しました。

2. 腫瘍内酸化ホットスポットの発見

T-AP1プローブを使用して、研究者らはHER2陽性腫瘍の異種移植モデルにおいて、H2O2が豊富な微小環境、すなわちH2O2ホットスポットが存在することを発見しました。これらのホットスポットは、腫瘍の活発な出芽領域（actively budding regions）、つまり単細胞または小さな細胞クラスターが腫瘍本体から離脱する領域に主に存在します。3Dイメージングと定量分析により、研究者らはこれらのホットスポットと腫瘍出芽の密接な関係を確認しました。

さらに、研究者らは複数のHER2陽性およびHER2陰性腫瘍モデルでH2O2ホットスポットの存在を検証し、この現象がさまざまな腫瘍タイプで普遍的に存在することを示しました。

3. H2O2ホットスポットと腫瘍細胞の表現型変化

H2O2ホットスポットが腫瘍細胞の行動に与える影響を研究するため、研究者らは細胞分選技術を用いて高H2O2および低H2O2に曝露された腫瘍細胞を分離し、RNAシーケンシング分析を行いました。その結果、高H2O2に曝露された腫瘍細胞ではMYCシグナル経路と上皮-間葉転換（EMT）関連遺伝子の発現が上昇しており、これらの細胞が部分的なEMTを起こしていることが示されました。

さらに、H2O2はp38-MYC軸を活性化することで腫瘍細胞の間葉系表現型を誘導し、細胞の移動と浸潤を促進することが明らかになりました。また、研究者らは腫瘍細胞がH2O2が豊富な環境から移動することを発見し、これが逃逸メカニズムであることを示しました。

4. 好中球のH2O2ホットスポット形成における役割

研究者らは、腫瘍内のH2O2ホットスポットが主に好中球（neutrophils）によって形成されることを発見しました。免疫組織化学分析と好中球枯渇実験を通じて、研究者らは好中球がH2O2ホットスポット形成において重要な役割を果たすことを確認しました。さらに、研究者らは好中球をターゲットとしたH2O2プローブL-AP1を開発し、好中球が腫瘍微小環境でH2O2を生成する能力をさらに検証しました。

5. NRF2過剰活性化が腫瘍出芽に与える影響

研究者らは、肺がん、胃がん、乳がんなど複数のがん細胞系において、NRF2（抗酸化転写因子）の過剰活性化が腫瘍出芽を抑制することを発見しました。CRISPR-Cas9技術を用いてKEAP1（NRF2の負の調節因子）をノックアウトすることで、NRF2が過剰活性化された腫瘍細胞はH2O2に曝露されても出芽能力が著しく低下することが示されました。これは、NRF2過剰活性化が抗酸化プログラムを強化し、腫瘍出芽シグナル経路を抑制することで、腫瘍細胞が酸化ストレス環境で生存できることを示しています。

研究結果

  1. T-AP1プローブは腫瘍微小環境中のH2O2を高解像度でイメージングすることに成功し、腫瘍内H2O2ホットスポットの存在を明らかにしました。
  2. H2O2ホットスポットは主に腫瘍の活発な出芽領域に存在し、H2O2が腫瘍細胞の拡散において重要な役割を果たすことを示しています。
  3. H2O2に曝露された腫瘍細胞はp38-MYC軸を活性化し、部分的なEMTを起こし、移動と浸潤能力が向上しました。
  4. 好中球は腫瘍内H2O2ホットスポットの主要な源であり、その枯渇は腫瘍出芽とH2O2ホットスポットの形成を著しく減少させました。
  5. NRF2過剰活性化は抗酸化プログラムを強化し、腫瘍出芽シグナル経路を抑制することで、腫瘍細胞が酸化ストレス環境で生存できることを示しました。

結論と意義

この研究は、腫瘍内H2O2ホットスポットの形成メカニズムとそのがん細胞拡散における重要な役割を初めて明らかにしました。T-AP1プローブの開発により、研究者らは腫瘍微小環境中のH2O2を高解像度でイメージングし、腫瘍異質性の研究に新たなツールを提供しました。研究結果は、H2O2が腫瘍細胞の部分的なEMTと移動を誘導することで腫瘍の拡散を促進することを示しています。さらに、好中球のH2O2ホットスポット形成における重要な役割は、腫瘍微小環境の研究に新たな視点を提供しました。

この研究の科学的価値は、腫瘍細胞が酸化ストレスに対処するための物理的な逃逸メカニズムを明らかにし、腫瘍転移の初期段階を理解するための新たな知見を提供した点にあります。さらに、NRF2過剰活性化が腫瘍出芽を抑制するメカニズムは、腫瘍転移を標的とした治療戦略の開発における潜在的なターゲットを提供します。

研究のハイライト

  1. T-AP1プローブの開発により、腫瘍微小環境中のH2O2を高解像度でイメージングするためのツールが提供されました。
  2. H2O2ホットスポットが腫瘍細胞の拡散において重要な役割を果たすことを初めて明らかにしました。
  3. 好中球がH2O2ホットスポット形成において中心的な役割を果たすことを発見しました。
  4. NRF2過剰活性化が抗酸化プログラムを強化し、腫瘍出芽シグナル経路を抑制することで、腫瘍細胞が酸化ストレス環境で生存できるメカニズムを明らかにしました。

この研究は、腫瘍異質性と転移メカニズムの研究に新たな視点を提供するだけでなく、腫瘍微小環境を標的とした治療戦略の開発における潜在的なターゲットを提供します。