食道扁平上皮癌の腫瘍形成における空間トランスクリプトーム解析：DTX3LおよびBST2を主要なバイオマーカーとして

腫瘍学 生化学 医学 免疫学 遺伝学 生命科学 細胞生物学
食道扁平上皮癌 腫瘍形成 空間トランスクリプトーム 単細胞トランスクリプトーム 腫瘍関連マクロファージ 極性化 空間バイオマーカー 機能研究

デジタル空間トランスクリプトーム解析によるESCC腫瘍発生におけるDTX3LおよびBST2の重要な役割の解明

背景と研究課題

食道癌(Esophageal Cancer, EC)は、世界中で罹患率および死亡率が高い主要な腫瘍疾患の一つです。特にアジア地域では、食道扁平上皮癌(Esophageal Squamous Cell Carcinoma, ESCC)が最も一般的な組織学的サブタイプです。この疾患は進行が迅速で、治療抵抗性や高い転移率のために予後が非常に悪いことが特徴です。ESCC患者の死亡率を下げるには早期発見と治療が不可欠ですが、腫瘍発生の初期段階における細胞および分子メカニズムはまだ十分に解明されていません。特に、正常組織が低異形成、高異形成を経て侵襲性癌へと進展する動的進化プロセスには不明点が多く残されています。

現行の研究では主にESCC腫瘍細胞の挙動に焦点が当てられており、腫瘍微小環境(Tumor Microenvironment, TME)と腫瘍細胞の相互作用は十分に取り上げられていません。最近の研究では、癌の進化は腫瘍細胞の機能だけではなく、生態系全体の効力によって主に左右されることが示されてきました。また、空間的位置情報や細胞間相互作用情報の欠損のため、従来の高分解能RNAシーケンス(Bulk RNA-Seq)や単一細胞RNAシーケンス(Single-cell RNA-Seq)の分析では、限界があります。そのため、異なる病変領域における分子再構築および免疫環境の変化を明らかにするためには、先進的空間トランスクリプトーム技術を活用することが非常に重要です。

研究の出典

この論文は、Rutao Liらの研究者チームによって行われ、多くは中国の蘇州大学第一附属病院、第四附属病院、深圳市工程技術センターなどに属しています。この研究は2024年に《Genome Medicine》誌で「Spatial transcriptome profiling identifies DTX3L and BST2 as key biomarkers in esophageal squamous cell carcinoma tumorigenesis」というタイトルで発表されました。

研究目的と方法

本研究では、デジタル空間トランスクリプトーム(Digital Spatial Profiling, DSP)および単一細胞空間トランスクリプトーム(Single-cell Spatial Molecular Imaging, SMI)技術を用いて、正常組織から癌化に至る分子および免疫学的変化を解析しました。ESCC発生の鍵となる分子特性を明らかにし、潜在的なバイオマーカーや治療ターゲットを提示することを目的としています。

具体的な研究方法は以下の通りです：

  1. DSP技術の利用：

    • 11名のPT1期ESCC患者の手術切除サンプルを利用。正常組織、低異形成、高異形成、および癌領域を含む多ステージ組織のトランスクリプトミクスの違いを解析。
    • 上皮細胞、免疫細胞、非免疫基質細胞の分子層ごとに分区解析を行い、ESCC腫瘍発生の過程で主要遺伝子がどのように動的変化するかを検討。

  2. CosmX SMI技術との連携：

    • SMI技術を用いて、特定の遺伝子の発現を検証し、腫瘍細胞とマクロファージ間の細胞間通信ネットワークを構築。

  3. 補完的手法：

    • 免疫組織化学染色(IHC)や、公開データ(RNA-Seq、scRNA-Seq)を活用。
    • 体内外実験を実施し、候補バイオマーカーDTX3LおよびBST2が腫瘍発生や免疫環境に与える影響を系統的に評価。

研究結果

肿瘍形成における分子および免疫学的変化の空間解析

本研究では、初めて上皮細胞、免疫細胞、および非免疫基質細胞の3層にわたり、多ステージ病変領域でのトランスクリプトミクスの変化を包括的に解析しました。主な結果は以下の通りです：

  1. 分子特徴の変化：

    • 病変領域（正常⇒低異形成⇒高異形成⇒腫瘍）において、上皮細胞で癌関連遺伝子の発現が動的に上昇（例：DTX3L, SLC1A5）。
    • 基質細胞ではBST2や他の免疫調整遺伝子の再プログラムが顕著。

  2. 経路の変化：

    • 上皮細胞では、細胞増殖、DNA損傷修復、ミトコンドリア機能関連のシグナル経路が異常。
    • 基質細胞では、炎症性因子やサイトカイン（例：IL-6, IL-10）、固有免疫関連経路が活性化。

  3. 免疫微小環境の変動：

    • 病態進行に伴い腫瘍免疫抑制環境（Treg細胞、M2型マクロファージ）が顕著に増加。
    • マーカーCD68およびCD163のタンパク量が腫瘍進行に連続的に増加。
重要な細胞間シグナルと潜在的バイオマーカーの特定

単一細胞空間トランスクリプトーム解析では、腫瘍上皮細胞とマクロファージ間の強化された相互作用が確認されました。特に重要な配体・受容体シグナルであるMIF-(CD74+CXCR4)が発見され、このシグナル経路が腫瘍進行に重要な役割を果たしていることが示されました。

また、DTX3LとBST2が有望な新バイオマーカーとして挙げられました：

  • DTX3L: 上皮細胞内の発現が顕著に上昇し、腫瘍細胞の増殖と移動能力と関連。
  • BST2: 非免疫基質細胞内で上昇し、免疫抑制的なM2型マクロファージの極性形成と強く関連。
機能的研究による遺伝子作用の検証

  1. DTX3Lの低減による腫瘍抑制：

    • DTX3Lを抑制すると、ESCC細胞の移動能力やクローン形成能力が著しく減少。
    • 小鼠モデルにおいても、DTX3Lの抑制により腫瘍成長が大幅に減退。

  2. BST2とマクロファージの極性化：

    • BST2の抑制または抗BST2抗体治療により、M2マクロファージマーカー(CD163など)の発現が低下。
    • その結果、腫瘍関連マクロファージが腫瘍進行を促進する能力が抑制。

研究の意義と今後の展望

本研究は先進的空間トランスクリプトーム技術を用いて、正常組織から癌化するまでのESCC腫瘍発生における動的分子地図および免疫環境の再構築プロセスを初めて包括的に解析しました。これにより、以下のような重要な意義が挙げられます：

  1. 新たな方法論の提示：
    • DSPとSMI技術の組み合わせにより、多層的な腫瘍解析が実現。
  2. バイオマーカー開発：
    • DTX3LおよびBST2は、早期診断と新たな治療ターゲットとして期待。
  3. 臨床応用の可能性：
    • 抗BST2抗体を用いた免疫療法やDTX3L標的薬剤の開発。

結論

本研究により、ESCCの腫瘍発生における上皮細胞、免疫細胞、基質細胞の動的分子マップが明らかになり、局所領域の分子変化と免疫環境形成プロセスが詳細に解析されました。また、新バイオマーカーDTX3LおよびBST2に焦点を当て、その腫瘍進行および免疫環境への深い影響が探究されました。本研究は、ESCCの早期検出と治療戦略に新たな視点を提供する重要な突破口となるものです。