大規模オルガノイドバイオバンクを用いた肝癌腫瘍内異質性の薬理ゲノムプロファイリング

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肝癌における体内異質性薬物ゲノム解析：大規模オルガノイド生物バンクに基づく研究報告

学術背景

原発性肝癌 (Primary Liver Cancer, PLC) は世界中の癌関連死亡の第三の原因であり、主に肝細胞癌 (Hepatocellular Carcinoma, HCC)、肝内胆管癌 (Intrahepatic Cholangiocarcinoma, ICC)、および混合型の肝細胞-胆管癌 (Combined Hepatocellular-Cholangiocarcinoma, CHC) を含む。異質性の存在により、原発性肝癌の精密な治療は重大な挑戦を伴う。先行研究は、肝癌の異なる領域のゲノム異質性が薬物感受性に大きく影響し、治療失敗を引き起こすことを示している。

患者由来オルガノイド (Patient-Derived Organoids, PDOs) は腫瘍の異質性をシミュレートし、薬物感受性を研究する強力なツールとして証明されているが、先行研究はサンプル数および多領域サンプルの欠如に制限されている。したがって、本研究は144人の肝癌患者からの399個のオルガノイドを含むPLC生物バンクを確立し、体系的にPLCのゲノムおよび表現型の異質性を分析し、臨床に関連する薬物をスクリーニングし、薬物耐性のメカニズムを明らかにし、肝癌の精密治療に対する新たな視点を提供することを目的としている。

研究の出所と研究者

本研究は北京大学第一病院の転化癌研究センターのHui Yang、Jinghui Chengおよびその共同研究者によって行われた。この論文は2024年4月8日に《Cancer Cell》誌に掲載され、Elsevier Inc.が出版した。対応著者としては、鄭州大学附属腫瘍病院および河南省腫瘍病院のJiangong Zhang、北京大学第一病院のJianmin WuおよびNing Zhangが含まれる。論文はオープンアクセス (Open Access) 形式である。

研究プロセスの詳細

a) 研究作業フロー

  1. 多領域組織サンプリングおよびオルガノイド培養：144人の肝癌患者から切除標本の複数の領域の組織サンプルを収集、合計522の原発腫瘍領域、6の肝転移領域および30の近傍肝組織領域を含む。最終的に399の腫瘍オルガノイド（総成功率75.6%）および12の正常オルガノイドが成功裏に確立された。

  2. ゲノムおよびトランスクリプトームのシーケンシング：36人の患者から99対のオルガノイドおよびその由来の腫瘍組織に対して全エクソームシーケンシング (Whole-Exome Sequencing, WES) およびRNAシーケンシング (RNA-Seq) を実施。また、255のオルガノイドに対してRNA-Seqおよび薬物スクリーニングを行い、薬物反応を予測するバイオマーカーを開発。

  3. 薬物スクリーニングおよび比較：376のオルガノイドに対して7種の肝癌関連臨床薬物のスクリーニングを行い、半数阻害濃度 (IC50) および正規化曲線下面積 (Normalized Area Under the Curve, AUC) を算出。

  4. 特徴分析と耐性メカニズムの解明：機械学習法を利用して薬物反応を解析し、lenvatinib（レンバチニブ）耐性に関連するc-Junを主要媒介因子として含む、多遺伝子発現バイオマーカーを発見および検証。

b) 研究結果

  1. オルガノイド生物バンクは肝癌の組織学、ゲノムおよびトランスクリプトームの特徴を再現：組織学的マーカー解析に基づき、オルガノイドはHCC（Heppar1/AFPマーカー）およびICC（Krt19/EpCAMマーカー）の特徴を正確に示した。全エクソームシーケンシングにより、オルガノイドの体細胞変異は原発腫瘍と高い一致（中央値87.5%）を示し、ほとんどの肝癌関連遺伝子のクローンおよびサブクローン変異を保持。RNA-Seq解析もオルガノイドと腫瘍組織がトランスクリプトームレベルで高度に相関していることを示した。

  2. 多領域オルガノイド分析は肝癌のゲノム異質性とその機能を解明：32人の患者のオルガノイドは顕著なゲノム異質性を示した。最大簡約算法を用いた系統発生ツリーは、TP53、RB1、AXIN1、CCND1などのPLCの典型的な幹変異イベントを指摘。また、高いゲノム異質性は患者の予後不良および薬物感受性の悪化との関連が確認。

  3. 薬物スクリーニングは患者の反応を予測し、薬物感受性の体内異質性を明らかに：7種の薬物のスクリーニング結果は、患者レベルの薬物感受性が臨床反応と高度に一致し、オルガノイドスクリーニングの予測価値を確認。また、薬物スクリーニング結果はオルガノイド異種移植モデルでも裏付けられた。

  4. 薬物感受性に関連する多遺伝子発現バイオマーカーの開発：機械学習解析を通じて、lenvatinib、sorafenib、regorafenib、およびapatinibの反応を予測する多遺伝子発現バイオマーカーを開発および検証、高い予測精度を有する。

  5. c-Jun介在のlenvatinib耐性および関連するシグナル伝達経路：c-JunはJNKおよびβ-cateninシグナル経路を通じてlenvatinib耐性を促進。c-Jun遺伝子のノックダウンにより、耐性オルガノイドが再感受性を示すように。veratramineをc-Jun阻害剤として用いてlenvatinibと結合させた複合物PKUF-01を合成、薬物治療効果が著しく向上。

c) 研究結論および意義

本研究は大規模な肝癌オルガノイド生物バンクを確立し、肝癌のゲノムおよび表現型異質性を正確に再現、肝癌の精密治療に重要な資源を提供。開発された多遺伝子発現バイオマーカーは患者の薬物感受性予測に新しい戦略を提供し、臨床応用の可能性が高い。また、c-Jun介在のlenvatinib耐性メカニズムを解明し、併用治療の設計に基礎的理論を提供。

d) 研究ハイライト

  • 大規模な肝癌オルガノイド生物バンクを開発、肝癌の体内異質性を体系的に明らかに。
  • 薬物ゲノム学および機械学習法を利用して、肝癌治療反応を予測する多遺伝子マーカーを開発および検証。
  • c-Junがlenvatinib耐性の主要媒介因子であることを発見、JNKおよびβ-cateninシグナル経路を通じたメカニズムを解明。
  • 複合物PKUF-01を合成、lenvatinibの治療効果を著しく向上させる可能性。

e) その他の価値ある情報

  • 薬物感受性とゲノム異質性の関連研究において、肝癌の異質性が薬物耐性を引き起こすことを明らかに。
  • 免疫チェックポイント阻害剤 (Immune Checkpoint Inhibitors, ICIs) と抗血管新生チロシンキナーゼ阻害剤 (Tyrosine Kinase Inhibitors, TKIs) を組み合わせた治療の可能性により、今後の併用療法に新たな方向性を提案。

まとめ

本研究では、肝癌のゲノムおよび薬物感受性異質性を体系的に明らかにし、薬物反応を予測する多遺伝子マーカーを開発、新たなlenvatinib耐性メカニズムを発見。肝癌の精密治療に貴重な資源と理論的支援を提供。今後はさらに臨床検証を行い、個別化治療戦略の実施を推進する必要がある。