膠芽腫の分化度が血液脳関門透過性に及ぼす影響

神経内科学 腫瘍学 医学
膠芽腫 血液脳関門 透過性 IL-6 STAT3 腫瘍分化 薬物送達

膠芽腫の分化度が血液脳関門透過性に及ぼす影響

背景紹介

膠芽腫（Glioblastoma Multiforme, GBM）は、高度に侵襲性の脳腫瘍であり、その複雑な生物学的特性と血液脳関門（Blood-Brain Barrier, BBB）の存在により、治療が非常に困難です。血液脳関門は、密着結合タンパク質（Tight Junctions, TJs）とATP結合カセット（ATP-binding Cassette, ABC）トランスポーターからなる複雑な構造で、ほとんどの薬物が脳に到達するのを防ぎます。GBM腫瘍の中心部では血液脳関門が破壊されていますが、腫瘍周辺の脳組織（Brain-Adjacent-to-Tumor, BAT）では血液脳関門が依然として機能しており、これが薬物の到達を妨げ、腫瘍の再発を引き起こします。

GBMの異質性は、治療失敗の主な原因の一つです。腫瘍内には分化度の高い細胞とがん幹細胞（Cancer Stem Cells, CSCs）が共存しており、後者は数は少ないものの、腫瘍の発生、進展、再発において重要な役割を果たします。CSCsは、P-糖タンパク質（P-glycoprotein, Pgp）などのABCトランスポーターの高発現により多剤耐性を示します。さらに、CSCsは近隣の脳組織に拡散し、腫瘍の再発を引き起こします。

GBM細胞が血液脳関門の透過性に影響を与える可溶性因子を放出することは知られていますが、その具体的なメカニズムは不明です。本研究は、GBM細胞の分化度が血液脳関門の透過性にどのように影響するかを探り、その分子メカニズムを明らかにすることを目的としています。

論文の出典

本論文は、Sabrina Di Giovanni、Martina Lorenzati、Olga Teresa Bianciottoらによって共同で執筆され、イタリアのトリノ大学（University of Torino）、フランスのパリ・コシャン研究所（Institute Cochin）などの複数の研究機関から発表されました。論文は2024年に『Fluids and Barriers of the CNS』誌に掲載され、タイトルは「Blood-brain barrier permeability increases with the differentiation of glioblastoma cells in vitro」です。

研究の流れと結果

1. 研究デザイン

本研究では、体外実験によりヒト血液脳関門モデルを構築し、3名の患者から得られたGBM細胞と共培養しました。GBM細胞は、幹細胞/神経球（Stem Cell/Neurosphere, SC/NS）と分化/接着細胞（Differentiated/Adherent Cell, AC）の2種類に分けられました。また、GBM細胞の条件培地を使用した実験群も設定し、可溶性因子が血液脳関門に及ぼす影響を探りました。

2. 実験の流れ

a) 血液脳関門モデルの構築

研究者は、ヒト脳微小血管内皮細胞（HCMEC/D3）を血液脳関門の主要な構成要素として使用し、Transwellインサートで培養しました。より生理学的な状態に近い血液脳関門を模倣するため、内皮細胞、星状膠細胞（Human Astrocytes, HAS）、周皮細胞（Human Pericytes, HPEs）を含む三重培養モデルも構築しました。

b) GBM細胞と血液脳関門の共培養

GBM細胞（ACとNS）をそれぞれ血液脳関門モデルと72時間共培養しました。透過性試験（ドキソルビシン、ミトキサントロン、デキストラン-70）と跨内皮電気抵抗（Transendothelial Electrical Resistance, TEER）を測定し、血液脳関門の機能変化を評価しました。

c) 条件培地実験

研究者は、GBM細胞の条件培地を使用し、IL-6（インターロイキン-6）を添加または除去することで、IL-6が血液脳関門の透過性を調節する役割を検証しました。

d) 分子メカニズムの研究

免疫ブロット（Immunoblotting）と定量PCR（qRT-PCR）により、血液脳関門細胞中のABCトランスポーターと密着結合タンパク質の発現変化を検出しました。さらに、STAT3（シグナル伝達兼転写活性化因子3）の阻害剤STA-21とSTAT3を標的とするPROTAC（プロテアソーム分解ターゲティングキメラ）SD-36を使用し、IL-6/STAT3シグナル経路の役割をさらに検証しました。

3. 主な結果

a) GBM細胞が血液脳関門の透過性を増加させる

GBM細胞と共培養すると、血液脳関門のドキソルビシン、ミトキサントロン、デキストラン-70に対する透過性が著しく増加し、TEER値が低下しました。これらの効果は、AC共培養群でより顕著であり、分化度の高いGBM細胞が血液脳関門に及ぼす影響が大きいことを示しています。

b) 条件培地の影響

GBM細胞の条件培地も同様に血液脳関門の透過性を増加させ、AC条件培地の効果はNS条件培地よりも強力でした。ELISA検査により、AC条件培地中のIL-6レベルがNS条件培地よりも有意に高いことが明らかになりました。

c) IL-6の重要な役割

IL-6を添加または除去することで、IL-6が血液脳関門の透過性を調節する重要な因子であることが確認されました。IL-6はSTAT3シグナル経路を活性化し、ABCトランスポーターと密着結合タンパク質の発現をダウンレギュレーションすることで、血液脳関門の透過性を増加させます。

d) STAT3シグナル経路の役割

STAT3阻害剤STA-21またはPROTAC SD-36で処理すると、血液脳関門の透過性が著しく低下し、ABCトランスポーターと密着結合タンパク質の発現が回復しました。これは、IL-6/STAT3軸が血液脳関門の透過性を調節する中心的な役割を果たしていることを示しています。

4. 結論

本研究は、GBM細胞の分化度が血液脳関門の透過性に及ぼす影響を初めて明らかにしました。分化度の高いGBM細胞は、IL-6を放出し、血液脳関門細胞中のSTAT3シグナル経路を活性化することで、ABCトランスポーターと密着結合タンパク質の発現をダウンレギュレーションし、血液脳関門の透過性を増加させます。この発見は、GBM治療における薬物送達を改善するための新しい視点を提供し、特に血液脳関門が比較的保たれている腫瘍周辺領域に対する治療戦略の開発に役立つ可能性があります。

研究のハイライト

  1. 分化度が血液脳関門透過性に及ぼす影響を初めて解明：本研究は、GBM細胞の分化度と血液脳関門透過性の関係を初めて証明し、この分野の研究ギャップを埋めました。

  2. IL-6/STAT3軸の重要な役割：研究により、IL-6がSTAT3シグナル経路を介して血液脳関門透過性を調節する分子メカニズムが明らかになり、今後の薬剤開発のための潜在的なターゲットを提供しました。

  3. 多重実験モデルの構築：研究では、単一の血液脳関門モデルだけでなく、より生理学的な状態に近い三重培養モデルも構築し、実験結果の信頼性を高めました。

  4. 潜在的な治療応用：IL-6/STAT3軸を調節することで、将来的にGBM治療における化学療法薬の送達効率を向上させる新しい治療戦略を開発する可能性があります。

研究の意義

本研究の科学的価値は、GBM細胞の分化度と血液脳関門透過性の関連を明らかにし、IL-6/STAT3軸がこのプロセスにおいて中心的な役割を果たすことを示した点にあります。この発見は、GBMの生物学的行動に対する理解を深めるだけでなく、GBM治療を改善するための新しい視点を提供します。IL-6/STAT3軸を標的とすることで、将来的により効果的な薬物送達戦略を開発し、GBM患者の治療成果を向上させる可能性があります。

さらに、本研究は、アルツハイマー病やパーキンソン病など、血液脳関門に関連する他の神経疾患に対する新しい研究視点も提供し、幅広い応用が期待されます。