単一細胞および空間転写解析による早期・晩期発症前立腺癌の異なる微小環境と進行シグネチャーの解明

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単一細胞シーケンシング 空間トランスクリプトミクス 前立腺癌 異質性 腫瘍微小環境 アンドロゲン応答 腫瘍進行

背景紹介：年齢関連前立腺癌の異質性と精密医療の新たな機会

前立腺癌（Prostate Cancer, PCA）は、世界の男性において罹患率が2番目に高く、癌関連死亡率でも5番目に位置する悪性腫瘍です。世界的な人口高齢化とヘルススクリーニングの推進とともに、前立腺癌の発症年齢は多様化し、早発型（Early-onset prostate cancer, EOPC、通常は55歳以下の男性の発症）は近年顕著に増加しており、予後も悪い傾向にあります。そのため、異なる年齢発症の前立腺癌間の生物学的違い、特に腫瘍微小環境（Tumor Microenvironment, TME）の構造と進展の探究は、年齢特異的な精密介入および個別化治療の実現に極めて重要な意義を持ちます。

臨床観察では、EOPCは遅発型（Late-onset prostate cancer, LOPC）と比べ、明確な臨床・病理的差異を示し、また予後生存率も低いことが判明しています。これまでの研究は、この異質性が年齢変化によるホルモン（例えばアンドロゲン）レベルの変動や免疫活動と密接に関連していることを示唆してきました。しかし、単一細胞や空間分解能レベルでEOPCとLOPCの発症・進展機序や微小環境のリモデリングについての体系的探究はこれまでほとんどありませんでした。従来のハイスループットオミクス技術は、空間や細胞型レベルの複雑性を解析できないため、微小環境および腫瘍細胞間相互作用のダイナミクス理解を制限していました。本論文の研究チームは、この分野の空白を埋めるため、初の“単一細胞＋空間”マップを系統的に提示し、2つの前立腺癌タイプにおける分子・細胞・空間レベルの異質性とその臨床的意義を明らかにしました。

論文出典と著者紹介

本研究成果はNature Aging（nature aging）誌に掲載されました（巻5、2025年5月、ページ909–928、DOI: 10.1038/s43587-025-00842-0）。論文タイトルは「single-cell and spatial rna sequencing identify divergent microenvironments and progression signatures in early- versus late-onset prostate cancer」です。

論文の第一著者はYifei Cheng、Bingxin Liu、Junyi Xinであり、責任著者はBin Xu、Mulong Du、Gong Cheng、Meilin Wangです。研究チームは主に東南大学、南京医科大学などの機関から構成されており、臨床サンプル、モデルおよびデータ解析は中国の高度な臨床センターで実施されました。

研究の全体設計と技術フロー

本研究は多段階・マルチスケール・多元的検証を融合した複雑な一次科学研究です。「EOPCとLOPCの腫瘍細胞および微小環境の異質性解読」を主眼に、単一細胞RNAシーケンス（scRNA-seq）、空間トランスクリプトーム解析（ST-seq）、大規模GWAS、タンパク質レベルでの多重免疫組織化学、フローサイトメトリー、in vivoマウスモデル、多施設臨床データの相互検証を組み合わせ、両タイプ腫瘍の細胞分類、空間構造、分子シグナル伝達や主要細胞間コミュニケーションを多角的に描き出しました。

1. 研究対象とサンプル処理

  • 前立腺癌患者組織の採取：10例の進行性前立腺癌患者（EOPC 4例、LOPC 6例、いずれも未治療）を登録し、合計63,763個の高品質単一細胞を取得して解析しました。さらに検証コホートを設け、EOPC 11例・LOPC 20例のFFPEサンプルも補助的に使用しました。
  • 空間トランスクリプトームサンプル：EOPCとLOPCから各1例ずつ腫瘍組織を選び、10x Visiumプラットフォームで空間トランスクリプトーム解析を実施し、腫瘍と微小環境の各種細胞分布・相互作用をシステマティックに定量化しました。
  • 動物モデル：8ヶ月齢（若年模倣）および16ヶ月齢（高齢模倣）のC57BL/6マウスで原位腫瘍モデルを樹立し、未去勢と去勢手術（アンドロゲン除去療法模倣）群に分け、細胞集団の動態と治療反応を検証しました。

2. 単一細胞・空間トランスクリプトームデータ解析

  • 単一細胞データフロー：バッチ効果補正、細胞クラスタリング、マーカー遺伝子による注釈を経て、上皮細胞、T細胞、B細胞、骨髄系細胞、肥満細胞、内皮細胞、平滑筋細胞、線維芽細胞の8つの主要細胞タイプを区別。さらにCNV解析とサブクラスタリングを組み合わせ、上皮細胞のサブタイプを精緻化し、悪性・正常・混合サブタイプを同定しました。
  • 空間トランスクリプトーム：単一細胞データによる「アンカーリング」とデコンボリューションを通し、各細胞型やサブタイプを空間的に特定・クラスタリングし、各腫瘍領域内の細胞分布や空間依存的情報伝達を詳細化しました。
  • アルゴリズムと先進的ツール：InferCNVによるコピー数変異推定、AUCellによるシグナルパスウェイ活性評価、NicheNet・CellPhoneDBによる詳細な細胞間コミュニケーション解析、SCFEAによる細胞代謝フラックス推定。大規模GWASとmeta解析で遺伝子セット（gene set）の遺伝学的アンカリングおよびマルチオミクス統合を実現しました。

3. 多重検証法

  • タンパク質検証：免疫組織化学（IHC）や多重免疫蛍光（MIF）などで、主要タンパク質の異なるサブタイプ腫瘍間での発現・細胞局在を定量化。
  • フローサイトメトリー：EOPC/LOPC腫瘍でのAPOE+マクロファージや炎症性線維芽細胞の割合差異を機械的に定量分析。
  • 臨床データ解析：TCGAなどの大規模データベースを活用し、分子サブタイプ、生存、治療反応の相関を再検証。

主な研究成果とデータ解析

1. EOPCとLOPCの腫瘍微小環境細胞構成は著しく異なる

まず、EOPC腫瘍内は免疫細胞（T細胞、骨髄系細胞）や血管平滑筋細胞が著しく豊富で、高度な免疫活性化ならびに代謝再プログラミング特性が顕在。一方、LOPC腫瘍では上皮細胞および線維芽細胞の割合が顕著に増えていました。バルクCNV解析で細胞起源・型の正確性が確証され、その後の分子サブタイピングの基盤となりました。

2. 分子シグナル経路：EOPCはアンドロゲン応答が突出、LOPCはホルモン抵抗性を獲得しやすい

GSEAやCancerSEAデータベースにより、EOPC悪性上皮細胞はアンドロゲン応答経路（KLK3、NDRG1、ABCC4等）が高度に活性化し、低酸素・脂質代謝・TNF-NF-κBシグナルも同時に亢進していることが明らかになりました。腫瘍はエネルギーリプログラミングと免疫微小環境の協調制御下にあります。LOPCは上皮間葉転換（EMT）や転移・耐性関連遺伝子（CST1、TFF3等）の発現増加が特徴で、癌進行晩期・ホルモン低感受性の状態に一致しています。

3. AR関連転写プログラム（AR-meta-program, AR-MP）がサブタイピングの中核

非負値行列分解アルゴリズム（NMF）により、6つの主要転写メタプログラムを同定し、その中でアンドロゲン応答プログラム（AR-MP）がサブタイピングの中核に。EOPC腫瘍ではAR-MPが有意に上昇し、たんぱく質（KLK3、NYP、ERP60）レベルでも一致していた一方、LOPCは浸潤性EMTプログラムが支配的。空間データでは、EOPC腫瘍のAR-MP活性部位に骨髄系細胞（特にAPOE+マクロファージ）が高濃度で浸潤し、特有な分子微小環境の「共変」が示されました。

4. APOE+腫瘍関連マクロファージがEOPC進展を駆動し免疫抑制を誘導

骨髄系細胞13サブタイプを詳細に解析した結果、APOE+腫瘍関連マクロファージ（Tumor-associated macrophage, TAM）がEOPCで非常に豊富であり、M2型極性・骨髄由来抑制細胞（MDSC）・脂質代謝リプログラミング（脂肪酸分解やコレステロール代謝等）の特徴を持つことが判明。このAPOE+ TAMは空間的にAR-MP高発現腫瘍上皮領域に共局在し、FN1-インテグリンやEREG-EGFR等のシグナル軸を通して腫瘍増殖・浸潤能へ影響を与え、またT細胞効果（特にCD4+ T細胞免疫抑制）を著しく強化しました。APOE+ TAMのスコア上昇は疾患再発・進行・全生存の悪化とも相関しました。

5. 炎症型癌関連線維芽細胞（iCAF）がLOPC腫瘍のEMT及び耐性表現型を推進

LOPC腫瘍には炎症型癌関連線維芽細胞（Inflammatory cancer-associated fibroblast, iCAF、PDGFRA高／FAP高）が主に富み、大量の骨形成タンパク質（BMP4/5/7）を分泌し、BMPRシグナルとSMAD経路を介し、腫瘍AR-MPを強力にダウンレギュレートしEMT関連経路を活性化、前立腺癌の脱分化・耐性・転移傾向を強く規定しました。iCAFの空間解析からも、その主分布は腫瘍辺縁でAR-MP低発現腫瘍細胞を取り囲み、局所環境および腫瘍行動に甚大な影響を及ぼしていることが明らかでした。大規模コホートでもiCAF集積がAR-MP低下・予後短縮と強固に関連し、BMP高発現も不良予後のマーカーでした。

6. 高齢/喫煙因子がiCAF/EMT異常活性化を促進し去勢耐性型を誘導

もう一つの革新的発見として、喫煙歴や高齢化がiCAF分布およびBMP分泌に直接関連し、腫瘍のEMTおよびAR-MP低下を促進することが判明しました。これはLOPC腫瘍の耐性（さらには事前の去勢抵抗性CRPC細胞サブタイプの存在）を説明する根拠となります。単一細胞・空間データと3大CRPCコホートの融合解析で、iCAF・BMP高発現と臨床的去勢抵抗性の確立との関係が再確認されました。

7. 多重検証：動物モデル・タンパク質・フローサイト解析による全面的裏付け

マウス原位腫瘍モデルで、若年マウス腫瘍（EOPC模倣）は高齢マウスよりアンドロゲン依存性が高く、去勢療法による腫瘍抑制効果も若年が強く出現しました。去勢後、若年マウス腫瘍のAR-MP、高脂質代謝・低酸素関連特性は顕著に抑制され、iCAFの浸潤が増強し、腫瘍増殖が遅延しました。これは分子メカニズムと臨床所見の密接な結びつきを証明します。タンパク質解析やフローサイトメトリーでもAPOE+ TAMとiCAFのEOPC/LOPCでの含有量差を定量化。大規模コホート・メタ解析でも主要な生物学的特徴が力強く検証され、結論の科学的信頼性はさらに高まりました。

研究の結論・意義と展望

本研究は、EOPCとLOPCの単一細胞および空間分解能での微小環境全体像を初めて描写し、「EOPC-APOE+ TAM駆動-アンドロゲン高反応-代謝リプログラミング-免疫抑制」と「LOPC-iCAF/BMP駆動-アンドロゲンシグナル低下-EMT-耐性予存」という二大腫瘍進展経路を提唱、年齢関連前立腺癌の分子サブタイピングと精密治療・補助介入の理論基盤と実践パスをもたらしました。

科学的価値として、前立腺癌の異質性という「ブラックボックス」を突破し、年齢・免疫・間質成分と分子シグナル経路の深い相互作用を明らかにしました。応用価値として、臨床層別治療の指針を示しています：EOPC患者ではアンドロゲン除去・ERBB阻害・脂質代謝標的・TAM抑制などの複合療法が有望であり、LOPCではCAF/BMP/EMT/去勢耐性阻止戦略への注力が必要です。研究はAPOE+ TAM、iCAFなどの微小環境キー細胞標的化が精密医療実現を加速し得ることを強調。喫煙や高齢化などライフスタイル-生物相互作用メカニズムも予防・介入策への実践的糸口となります。

研究のハイライトと革新点

  1. 前立腺癌サブタイピングの新たな発想：初めて年齢発症－微小環境主導型サブタイピング体系を打ち出し、遺伝・分子・細胞・空間・臨床の多層信号を網羅統合。
  2. APOE+腫瘍関連マクロファージの同定と機能解明：EOPC腫瘍での特異的マクロファージサブタイプが免疫抑制と代謝リプログラミングを主導することを明瞭化、脂質代謝×マクロファージ両標的がEOPC治療戦略を革新しうる可能性を提起。
  3. 炎症型CAFと去勢耐性予存メカニズムの解明：LOPCにおけるCAF-BMPシグナル-EMT経路を体系的にモデル化し、耐性・転移治療への新たな方向性を拓く。
  4. 空間分解能×動物モデル×大規模コホート多手法による厳密な確認：研究設計が完結・検証性が高く、科学的信頼性と臨床展開力を飛躍的に向上。
  5. 機構解明－臨床現場への直結：メカニズム解明だけでなく、マウスin vivoモデル・フローサイト・タンパク質解析・臨床生存解析まで連携し、成果の医療現場への橋渡しを推進。

その他注目すべき情報

  • 厳格な倫理実施：全てのヒト・マウス実験フローは南京医科大学倫理委員会の審査を経ており、国際的な倫理規範を順守。
  • 多様なアルゴリズム・プラットフォームの融合：最先端の単一細胞・多モーダル空間オミクス技術と独自アルゴリズムを駆使し、今後の腫瘍微小環境異質性研究の範例を提示。
  • 喫煙・加齢など生活習慣と疾患分子機序融合の考察：公衆衛生的防御や早期介入への新たな現実路線を開示。

総括

本研究は、科学的厳密性・学際的先端技術・臨床直結の発想で、年齢関連前立腺癌の異質性全景を再構築し、重要分子経路と微小環境細胞の新規メカニズムを明確化、個別化治療に現実的・実現可能な新戦略をもたらしました。今後さらにメカニズム解明、薬剤開発、精密介入分野での大きなブレークスルーを誘発し、悪性腫瘍治療を「精密時代」へ加速させることが期待されます。