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[出典] Microscaled proteogenomic methods for precision oncology. Satpathy S [..] Carr SA, Ellis MJ. Nat Commun 2020-01-27. (bioRxiv. 2019-10-09)

 癌のプロテオゲノミクス[*]は、癌のゲノミクスならびにトランスクリプトミクスのデータにプロテオミクスのデータを加えて統合解析する手法であり、癌の生物学と治療標的を深く理解する (deep insights)手がかりを供する [* WikipediaのProteogenomicsの項 から引用した下図概念図参照; Nat Methods 2014]Proteogenomics
 Broad Institute、Baylor College of Medicine、Siteman Comprehensive Cancer Center (WUSTL)などの研究グループは今回、これまでの手法に比べて、極めて少量のサンプルの採取法にサンプル中に微量に存在するタンパク質 (deep proteome)の検出も検出可能なプロテオミクス技術を組合わせることで、トランスレーショナル研究や癌の臨床診断に展開可能なプロテオゲノミクスの手法を開発した。

サンプル採取・調整法とマイクロスケールのプロテオーム解析法

 Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium (CPTAC)では、少なくとも100 mgの腫瘍組織を前提として、10,000種類を超えるタンパク質と、サンプルあたり30,000ヶ所を超えるリン酸化サイトのデータを獲得してきた。癌の臨床診断では、急速凍結組織からのコア針バイオプシー (core needle biopsy)で20 mg程度のサンプルをもとに、高深度なプロテオゲノミクスに十分なDNA、RNAおよびタンパク質を抽出する。
  • 研究グループは、高深度なプロテオゲノミクスを行うに足る高品質なDNA、RNAおよびタンパク質の調整を可能とするサンプルを14G (外径 2.11±0.03 mm; 内径 1.69±0.04 mm)の針を介して採取する手法 (Biopsy Trifecta Extraction, BioTExt)を確立した [Fig. 1 a引用下図参照]。Table 1-a
  • またBioTExtに加えて、サンプルあたり25 μgのペプチド量で十分なマイクロスケールのLC-MS/MSによるプロテオームとリン酸化プロテオームの解析を可能とするパイプライン、MiProt、を確立した [Fig. 1 b引用下図参照]。Table 1-b
実証実験
 ERBB2陽性 (HER2陽性)乳癌をモデルとして選択し、患者腫瘍組織移植マウス (PDX)モデルでの予備実験に続いて、14名の患者由来組織について解析を行った。
  • HER2を標的とするヒト化モノクローナル抗体薬トラスツズマブ(ハーセプチン)  によるネオアジュバント(術前補助) 化学療法の開始前と開始後48-72時間にわたって、プロテオゲノミクスを行った。その結果、リン酸化部位として、PDXモデル由来組織と患者由来組織においてそれぞれ>25,000ヶ所と>17,000ヶ所を同定し、11,000種類のタンパク質を同定した。
  • 浸潤巣が完全に消失する病理学的完全奏効 (pathologic complete response, pCR)に達した9名の組織では、ERBB2タンパク質とリン酸化レベルが低減し、mTORの活性も低減することを同定した。
  • pCRに至らなかった (non-pCR)事例について、その原因3種類を同定あるいは推定し、オアジュバント(術前補助) 化学療法に際しての診断の改善と個別化の手ががりとした:
  1. 偽陽性ERBB2事前でのFISHでの判定で陽性であったが、免疫組織化学的方法/IHCで、ERBB2タンパク質の発現は過剰になっていないことを特定。
  2. 疑似陽性ERBB2 - ERBB2は増幅していたが、ERBB2タンパク質の発現レベルとリン酸化のレベルがpCRに比べて低く、また、TOP2Aが発癌ドライバーとして機能している可能性。
  3. ERBB2陽性であるが、ムチン (mucin)タンパク質の過剰発現、アンドロゲン受容体 (AR)シグナル伝達の活性化そしてまたは、癌微小環境における抗腫瘍免疫応答の抑制などにより、耐性を獲得することが示唆された。

出典
 MHCクラスⅠb 分子であるMR1 (Major histocompatibility complex, class I-related)は、MHCクラスI様関連分子とも言われているが、個人間で多様化していない (monomorphic; 単形性)という特徴を帯びている。Cardiff Universityを主とする米、豪、デンマークの国際共同研究グループは、ゲノムワイドCRISPR-Cas9スクリーンによって、MR1を標的とするT細胞受容体 (TCR)を探索し、MR1を認識し癌細胞の特異的な細胞障害性をもたらす新奇TCRを発見した。
  • 新奇TCRは、血液癌細胞に加えて、肺、皮膚、血液、大腸、乳、骨、前立腺、卵巣、腎臓および子宮頸部の癌に由来する固形癌由来細胞を認識し・殺傷し、かつ、正常細胞には細胞障害性を示さなかった。
  • 新奇TCRは、粘膜関連インバリアントT細胞 (MAIT細胞)の既知のTCRと異なり、MR1の認識に、微生物由来の抗原を必要としなかった。
  • 新奇TCRは、ビタミンB関連代謝産物を付加していく実験から、癌細胞に特異的な代謝産物を手がかりに、癌細胞と正常細胞を識別することが示唆された。
  • 新奇TCRを発現するMR1拘束性T細胞クローンが、NSGモデルマウスにおいて、白血病を抑制し寿命を伸ばすことも確認した。
  • さらに、新奇TCRを移植した患者由来T細胞は、患者由来のメラノーマ細胞に加えて、第三者の患者由来メラノーマ細胞も殺傷した。
 癌細胞を特異的に認識する機構など、関連する分子機構を詳らかにしてく必要があるが、MR1を標的とすることで、個々人のMHC (HLA)にも癌由来組織にも左右されない汎用T細胞免疫療法の可能性が見えて来た。

[出典] MAIT Cells Promote Tumor Initiation, Growth, and Metastases via Tumor MR1. Yan J [..] Teng MWL. Cancer Discovery. 2019-12-11
[関連crisp_bio記事] 2020-01-23 
ヒトMHCクラスⅠb 分子のMR1は、癌免疫療法の新たな標的 (2/2) - 汎ヒト・汎がん療法の可能性も

 進化的に保存されている (invariant)T細胞抗原受容体(TCR)α鎖 (Vα7.2-Jα33)を発現している細胞として同定されたMAIT (Mucosal associated invariant T)細胞は、ヒトMHCクラスⅠb 分子であるMR1 (major histocompatibility molecule related)によって活性化することが知られており、その病原体の感染や炎症への応答などが解明され、癌療法の観点からも注目を集めているが、これまでのところ、腫瘍の抑制と亢進それぞれを示唆するデータが得られ、議論が続いている [1-3]

 QIMR Berghofer Medical Research Institute, University of QueenslandならびにUniversity of Melbourneの研究グループは今回、ヒトMR1と相同のMr1をノックアウトした肺癌マウスin vivoでの実験において、MAIT細胞が癌の発生、成長および転移を亢進することを初めて明らかにした。
  • Mr1-/-マウスでは、野生型マウスに比べて、癌の発生、成長および転移が、有意に抑制された。
  • Mr1-/-マウスに見られた抗腫瘍性は、NK細胞そしてまたはCD8陽性T細胞およびIFNγに依存していた。
  • Mr1-/-マウスに、MAIT細胞を養子移植すると、転移抑制が解除された。
  • MR1分子を阻害する抗体投与によって癌の転移と成長が抑制された。
  • MR1リガンドを投与したマウスとヒトの癌細胞株において、全てではないが、MR1の発現亢進が見られた。
  • 癌細胞株に、刺激性 5-OP-RUリガンドまたは抑制性 Ac-6-FPリガンドを投与すると、それぞれ、転移が亢進または抑制された。
  • MR1を欠損させた癌細胞株は、親株に比べて転移が抑制された。
  • MAIT細胞によるNK細胞のエフェクター機能抑制は、腫瘍細胞のMR1に依存し、また、宿主のIL17Aにも一部依存した。
 MAIT細胞については、in vitroで癌細胞を殺傷するとする報告があったが、腫瘍微小環境において、細胞障害性の抗腫瘍(antitumor)エフェクターとして機能するか、あるいは、protumorに転向するのか、双方の報告が続いている[1-2]。今回、腫瘍細胞が発現するMR1に活性化されたMAIT細胞が、NK細胞そしてまたはCD8陽性T細胞のエフェクター機能を抑制し、腫瘍の発生、成長および転移を促進することが示された。したがって、MR1を発現している癌に対して、MR1の阻害 (すなわち、MAIT-MR1軸の阻害)による療法の可能性が示された。

[参考文献]
  1. Frontier in Immunology誌とFrontier in Oncology誌が"MAIT Cells in Cancer and How to Target them"をトピックとする投稿を募集中 (2020年2月12日締切)
  2. Tumor-infiltrating Mucosal-Associated Invariant T (MAIT) Cells Retain Expression of Cytotoxic Effector Molecules. Sundström P [..] Quiding-Järbrink M. Oncotarget. 2019-04-19
  3. Mucosal-Associated Invariant T Cells Display Diminished Effector Capacity in Oesophageal Adenocarcinoma. Melo AM [..] Dunne MR. Front Immunol. 2019-07-10
  4. The intracellular pathway for the presentation of vitamin B-related antigens by the antigen-presenting molecule MR1. McWilliam HE [..] McCluskey J, Rossjohn J, Villadangos JA. Nat Immunol. 2016-04-04

[出典] Drug mechanism-of-action discovery through the integration of pharmacological and CRISPR screens. Gonçalves E [..] Garnett MJ. bioRxiv. 2020-01-14

 Sanger Institute、EBIおよびAstraZenecaの研究グループからの報告:484種類の癌細胞株の397種類の薬剤 (化学療法剤24種類と低分子367種類)に対する感受性のデータ (IC50値199,219件)と、CRISPR-Cas9によるゲノムワイド (16,643遺伝子)ノックアウト実験からの適応度データを組み合わせて、薬剤と遺伝子との相関関係を線形混合モデルに基づいて解析し有意な相関関係865組を同定した。
  • 薬剤感受性と薬剤の標的遺伝子のノックアウトの間には正の相関が多く見られた。
  • PPIネットワークのデータをもとに、薬剤感受性の調節に関与するパスウエイを同定した。
  • ミトコンドリアのE3ユビキチンリガーゼMITOL/March5が、MCL1阻害剤に対する感受性に関与することを発見した。
  • 薬剤の特異性、薬効および毒性の手がかりとなるオンターゲット活性とオフターゲット活性を算定した。
  • 摂動を受けると癌細胞の適応度を失わせる分子ネットワークの同定から、創薬のバイオマーカの同定も可能である。
 [癌細胞CRISPR-Cas9スクリーン関連crisp_bio記事]

[出典] Near real-time intraoperative brain tumor diagnosis using stimulated Raman histology and deep neural networks. Tollon TC [..] Orringer DA. Nat Med. 2020-01-06
Neurosurgery. 2019 Sep; 66(Supplement. 1): nyz310_634

背景
  • 癌外科手術の安全と効果は術中病理診断に左右される。現在行われている術中迅速病理組織診断は、一部の先端的施設を除いて、手術室から病理診断ラボへ運ばれた検体から、熟練した技師がヘマトキシリン・エオジン染色 (HE染色)をへてスライド切片を調整し、病理医が顕微鏡画像から診断する流れをたどり、診断結果が手術室へフィードバックされるまでに、20~30分を要する。
  • 臨床現場では熟練した病理医の不足と偏在も問題である (2017年の報告によると、米国では年に1,100万件のバイオプシー検体が診断対象とされていた)。
成果
 University of Michigan、University of Miami、Columbia University、New York University、UCSFおよびInvenio Imagingの研究グループは今回、検体からの高精度な仮想的HE染色スライド切片イメージを導出可能とした誘導ラマン組織学 (stimulated Raman histology, SRH) [1]に、深層・畳み込みニューラルネットワーク (CNN)技術を組み合わせることで、ベッドサイドでの準リアルタイム (< 150秒)での術中'ほぼリアルタイム'自動診断を実現した [YouTube引用動画参照 (音声付き)]
  • CNNは、患者415人に由来するSRHイメージ250万例を、悪性神経膠腫、リンパ腫、転移腫瘍、骨髄膜腫など13種類のカテゴリーに分類する学習をさせた。
  • 3つのセンターでの前向き臨床試験278例 (脳腫瘍切除手術とてんかん手術)において、CNNによるSRH画像診断の精度は94.6%であり、従来の組織イメージに基づく病理医による診断の精度93.9%に、匹敵した。
  • CNN判定のエラーと病理医の判定エラーのタイプは異なったことから、AI (CNN)と専門家 (病理医)が共同することで、精度100%の実現も夢ではない。
  • CNNは、SRHイメージからのカテゴリー判定に加えて、腫瘍浸潤領域、腫瘍非浸潤領域および診断困難な領域をpキセル単位で識別することも可能にした。
参考論文とビデオ
  1. Rapid intraoperative histology of unprocessed surgical specimens via fibre-laser-based stimulated Raman scattering microscopy. Orringer DA [..] Camelo-Piragua S.Nat Biomed Eng. 2017-02-06
  2. ビデオ:Artificial Intelligence Improves Brain Tumor Diagnosis. YouTube (1m 24s) 2020-01-06.

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