膵管腺癌（PDAC）サブタイプの代謝特性に関する研究

背景紹介

膵管腺癌（Pancreatic Ductal Adenocarcinoma, PDAC）は高度に侵襲性の高いがんであり、5年生存率はわずか13%で、がん関連死の第3位の原因となっています。PDACの侵襲性と化学療法耐性は、その複雑な代謝再プログラミングと密接に関連しており、特に腫瘍微小環境において、がん細胞は代謝再プログラミングを通じて栄養と酸素供給の変化に適応しています。近年、トランスクリプトームに基づくPDAC腫瘍サブタイプ分類（「基底様」と「古典的」サブタイプ）は予後と関連することが示されており、特に基底様サブタイプは不良な予後と関連しています。しかし、これらのサブタイプ間の代謝的差異とその機能的関連性は完全には解明されていません。そこで、本研究では患者由来オルガノイド（Patient-Derived Organoids, PDOs）モデルを用いて、基底様および古典的PDAC腫瘍サブタイプの代謝特性の差異を探究し、潜在的な代謝ターゲットを探索することを目的としています。

論文の出典

本論文はHassan A. Ali、Joanna M. Karasinskaらによって共同執筆され、研究チームはカナダのブリティッシュコロンビア大学（University of British Columbia）の膵臓センターBC（Pancreas Centre BC）を含む複数の研究機関に所属しています。論文は2024年に「Cancer & Metabolism」誌に掲載され、タイトルは「Pancreatic cancer tumor organoids exhibit subtype-specific differences in metabolic profiles」です。

研究のプロセスと結果

1. 患者由来オルガノイド（PDOs）の確立と培養

研究チームは転移性PDAC患者の腫瘍生検サンプルからPDOsモデルを確立し、基底様腫瘍由来の3つのPDOsと古典的腫瘍由来の5つのPDOsを含みました。PDOsの確立には、Tuveson研究室が以前に報告した培養方法が採用されました。具体的なプロセスは以下の通りです： - サンプル処理：肝臓転移巣から腫瘍組織を採取し、壊死領域と血管を切除し、組織を細かく切り刻んで消化培地中で12～16時間インキュベートしました。 - 細胞播種：解離した細胞をマトリゲル（Matrigel）に播種し、完全成長培地（Complete Growth Medium, CGM）中で培養しました。 - 継代培養：オルガノイドがマトリゲルの80%を覆うようになった時点で継代培養を行いました。

2. 代謝分析

PDOsの代謝特性を探究するため、研究チームは以下の代謝分析実験を行いました： - 解糖系とミトコンドリアストレステスト：Seahorse XFe96アナライザーを使用して細胞外酸性化率（Extracellular Acidification Rate, ECAR）と酸素消費率（Oxygen Consumption Rate, OCR）を測定し、それぞれ解糖系と酸化的リン酸化（Oxidative Phosphorylation, OXPHOS）活性を評価しました。 - 13C-グルコース代謝物トレーシング実験：安定同位体標識された13C-グルコースを用いて代謝物の生成を追跡し、解糖系とクエン酸回路（TCA回路）における代謝物の変化を分析しました。 - MPC1阻害剤処理：MPC1阻害剤UK-5099を使用してPDOsを処理し、ミトコンドリアピルビン酸輸送が代謝差異に与える影響を探究しました。

3. ゲノムおよびトランスクリプトームシーケンシング

研究チームはPDOsの全ゲノムおよびトランスクリプトームシーケンシングを行い、遺伝子発現の差異を分析しました。シーケンシングデータはBWA-MEMやSTARなどのツールを使用してアラインメントされ、DESeq2を用いて差異発現分析が行われました。さらに、遺伝子セット富化分析（Gene Set Enrichment Analysis, GSEA）を行い、基底様および古典的サブタイプに関連する代謝経路を特定しました。

4. 組織マイクロアレイ（TMA）とプロテオミクス分析

MPC1の予後的価値を検証するため、研究チームは252例の切除可能なPDAC症例の組織マイクロアレイ（Tissue Microarray, TMA）を用いて免疫組織化学分析を行い、45例の転移性PDAC症例のMPC1およびMPC2タンパク質レベルを質量分析プロテオミクスにより分析しました。

主な結果

1. 基底様および古典的PDOsの代謝的差異

研究の結果、基底様PDOsは低いベースライン解糖活性を示しましたが、高い解糖予備能と酸素消費率（OCR）を示し、基底様腫瘍細胞が代謝ストレス条件下で解糖系と酸化的リン酸化をより柔軟に調節できることを示唆しました。さらに、基底様PDOsはMPC1阻害剤UK-5099に対してより高い感受性を示し、ミトコンドリア呼吸を維持するために解糖系由来のピルビン酸に依存していることが示されました。

2. MPC1の予後的価値

TMAおよびプロテオミクス分析を通じて、研究チームは低MPC1発現がPDACの侵襲的な臨床病理学的特徴（高腫瘍グレード、リンパ管浸潤、神経周囲浸潤など）と関連していることを発見しました。基底様腫瘍のMPC1タンパク質レベルは古典的腫瘍よりも有意に低く、MPC1がPDACの予後において重要であることをさらに支持しました。

3. 13C-グルコース代謝物トレーシング実験

13C-グルコース代謝物トレーシング実験では、基底様PDOsはM+2代謝物（クエン酸やリンゴ酸など）の割合が低いことが示されましたが、UK-5099によるM+2代謝物の減少に対してより敏感でした。これは、基底様腫瘍細胞がTCA回路を維持するために解糖系由来のピルビン酸に依存していることを示唆しています。

4. 差異遺伝子発現分析

差異遺伝子発現分析を通じて、研究チームは基底様PDOsでアップレギュレートされた遺伝子がRNA翻訳、上皮-間葉転換（EMT）、KRASシグナル経路に関連していることを発見しました。一方、ダウンレギュレートされた遺伝子はモノカルボン酸輸送や胆汁酸代謝に関連していました。特に、BAG3、DUSP14、LYPD3などの遺伝子の高発現は不良な予後と関連していました。

結論と意義

本研究はPDOsモデルを通じて、基底様および古典的PDAC腫瘍サブタイプの代謝特性における顕著な差異を明らかにし、特に基底様腫瘍細胞がミトコンドリアピルビン酸輸送に依存していることを示しました。これらの発見は、PDACのサブタイプ特異的代謝ターゲット治療に対する新たな視点を提供します。さらに、MPC1の低発現がPDACの侵襲的特性と関連していることが示され、MPC1が予後マーカーとしての潜在的可能性をさらに支持しました。

研究のハイライト

1. 代謝特性のサブタイプ特異性：PDOsモデルを用いて初めて、基底様および古典的PDAC腫瘍の解糖系と酸化的リン酸化における差異を体系的に明らかにしました。
2. MPC1の予後的価値：大規模な臨床サンプルを用いてMPC1がPDACの予後において重要であることを検証し、将来のターゲット治療の基盤を提供しました。
3. 13C-グルコース代謝物トレーシング：安定同位体標識技術を用いて、PDAC腫瘍細胞の代謝再プログラミングメカニズムを詳細に解析しました。

その他の価値ある情報

本研究の限界はサンプルサイズが小さいことであり、将来はより大規模な多施設共同研究を通じてこれらの発見をさらに検証する必要があります。また、研究チームは将来の研究において、脂質やアミノ酸代謝などの他の代謝経路がPDACサブタイプにおいて果たす役割を探究することを提案しています。

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この研究を通じて、PDACの代謝的異質性に対する理解が深まり、異なるサブタイプに対する個別化治療戦略の開発に重要な科学的根拠が提供されました。