[注]
- 自殺遺伝子法：不活性なプロドラッグを拡散性の細胞毒性化合物に変換する酵素を発現するように腫瘍細胞を操作し、改変された腫瘍細胞とその近傍の腫瘍細胞の両方を死滅させるアプローチであり、"遺伝子指向性酵素プロドラッグ療法 (Gene-directed enzyme prodrug therapy: GDEPT) 、遺伝子プロドラッグ活性化療法、ウイルス指向性酵素プロドラッグ療法 (virus-directed enzyme prodrug therapy: VDEPT) などと称される場合もある。
- "sucker's gambit"：Maleyらが提案した「細胞集団の中で細胞毒素に絶妙に感受性を示しかつより適応度の高い新生物が増加し、続いて、その新生物を根絶するために3剤併用細胞毒性化学療法を加える」アプローチを意味する。'gambit'はチェスのオープニングにおける戦術の一つで、駒を先に損する代償に、駒の展開や陣形の優位を求めようとする定跡を言う。
[出典]
- 論文 "Programming tumor evolution with selection gene drives to proactively combat drug resistance" Leighow SM [..] Pritchard JR. Nat Biotechnol. 2024-07-04. https://doi.org/10.1038/s41587-024-02271-7 [所属] Pennsylvania State U, UCSD.
- News & Views "Evolutionary gambit to defeat drug resistance in cancer" Marusyk A. Nat Biotechnol. 2024-07-04. https://doi.org/10.1038/s41587-024-02284-2 [所属] Moffitt Cancer Center
癌の治療は通常は再発・耐性が発見されるまで標的療法で治療され、その時点で臨床医は耐性メカニズムを同定し、異なる作用機序の抗癌剤で抑制しようとする。しかし、すべての機序が薬剤投与可能なわけではない。また、再発腫瘍には複数の耐性亜集団が存在することが多く、耐性は複数の分子メカニズムの影響を統合することができる。したがって、耐性が出現するまで待ち、一度に1つのメカニズムに対処するという逐次的アプローチは失敗する運命にある。この逐次的アプローチを Leighhowらはリバースエンジニアリングと呼び、今回、フォーワードエンジニアリングを目指し、治療介入に反応しやすいように腫瘍を再設計する"デュアルスイッチ選択遺伝子ドライブ"法に到達した。
自殺遺伝子法はこれまでのところ、臨床試験での成功例が無い。なぜなら、導入遺伝子が腫瘍細胞の大部分に送達されなかったからである。遺伝子導入の有効性の限界は、Maleyらのsucker's gambitのアプローチによって克服できる可能性がある。
Leighowらによって提案された "デュアルスイッチ選択遺伝子ドライブ "のコンセプトは、本質的に自殺遺伝子治療と "sucker's gambit'を組み合わせたものである。デュアルスイッチのうちスイッチ1は、一次治療のもとで遺伝子操作された細胞の腫瘍排他的拡大を促進することにより、初回遺伝子導入量の少なさの課題を回避する。スイッチ2は、自殺遺伝子が失われたり変異によって不活性化された人工細胞だけでなく、非手術腫瘍細胞も殺すために付随的損傷を利用することによって、がん排除の確率を最大化する [News & VIewsのFig. 1参照]。
デュアルスイッチ選択遺伝子ドライブのもう一つの重要な特徴は、交換可能なスイッチ・モジュールを備えた設計である。このモジュール性により、スイッチ1モジュール内で治療特異的耐性遺伝子を選択することで、異なる治療状況に合わせて戦略を調整することができる。さらに、異なる細胞毒性メカニズムを持つ複数のスイッチ2モジュールを、治療特異的なスイッチ1と併用することで、耐性の確率を下げることができる。
Leighowらは、数学的モデリングツールを用いて、生物学的に実現可能な幅広いシナリオの下での戦略の挙動を推定することから研究を開始した。これらのin silicoシミュレーションで検証することでこのアプローチが成功すると予測されるパラメータを特定した。
次に、Leighowらは両スイッチについて、いくつかの具体的なバリエーションを評価した。スイッチ1は耐性遺伝子と二量体化ドメインの融合である。このハイブリッドタンパク質は、薬剤 (二量化剤)を加えることで活性化され、薬剤を除去すると耐性は不活化される。スイッチ2に関しては、著者らは化学療法と免疫療法の両方の選択肢を評価した。前者では、プロドラッグを細胞毒性化合物（5-フルオロウラシルまたはナイトロジェンマスタードのいずれか）に変換する酵素を発現させる。プロドラッグを添加すると、スイッチ2を発現する細胞は自分自身とその近傍の細胞を殺傷する。この効果は局所的であるため、正常組織は温存され、全身化学療法に伴う副作用を回避できる。免疫療法オプションでは、スイッチ2が強い抗原を表し、抗原を操作した腫瘍細胞に細胞傷害性T細胞をもたらす二重特異性抗体を加えることで活性化される。操作された腫瘍細胞に対する強い反応は、より広範な抗腫瘍免疫反応を引き起こし、腫瘍内外の抗原陰性腫瘍細胞の排除につながる。
Leighowらは複数のスイッチバリアントを検証した、異なる標的治療薬の複数の細胞株モデルにおいて、彼らの複合遺伝子ドライブ戦略の効率を確認した。
さらに、既存の耐性という最も困難なシナリオにも取り組んだ。上皮成長因子受容体（EGFR）変異肺癌の細胞株モデルを用いて、Leighowらは、最前線のEGFR阻害剤オシメルチニブに対する変異抵抗性の考えうる多くのメカニズムに対して、デュアルスイッチ選択遺伝子ドライブを対抗させた。このストレステストには、既知および疑われるオンターゲットおよびオフターゲットの耐性誘発変異に加え、偏りのないゲノムワイドCRISPRノックアウトスクリーニングが含まれ、これまで知られていなかった耐性メカニズムがいくつか発見された。すべてのテストにおいて、化学療法用スイッチ2を用いた遺伝子ドライブは、in vitroで腫瘍細胞を完全に排除できることが証明された。
In vitroでの検証後、マウスモデルにおいて、まれな (10-5)オシメルチニブ耐性亜集団を含む腫瘍がオシメルチニブ治療後3週間以内に進行したのに対し、遺伝子ドライブ亜集団を含む腫瘍はスイッチ2の活性化後に退縮した。注目すべきは、12個の実験腫瘍のうち11個が根絶されたことである。
"デュアルスイッチ選択遺伝子ドライブ"を臨床応用するには、さらなる最適化と開発が必要である。第一の課題は、すべての転移部位に遺伝子ドライブカセットを送達することであるが、核酸導入法が進歩し続けていることを考えれば、これは克服不可能な課題ではない。第二の大きな課題は、進行癌がスイッチ2に対する耐性を獲得する能力であるが、複数のスイッチ2のモジュールを1つの治療特異的スイッチ1と結合させることで病変を完全に除去できなくても、現在の治療法で達成可能な範囲をはるかに超えて寛解を延長できる可能性がある。
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