形態変化に対する機能のマッピングは、膵臓がんにおける局所細胞外マトリックスの転覆と神経浸潤の基盤を明らかにする

2024-05-27 Mon
局所性細胞外マトリックス崩壊と神経浸潤が膵臓癌の腫瘍生物学的基盤に与える影響背景紹介膵管腺癌（Pancreatic Ductal Adenocarcinoma, PDAC）は、最も侵襲的な癌の一種であり、高度な線維化基質と関連することが多く、基質は腫瘍質量の約90％を占めることもある。形態学的異質性は通常の病理報告では取り上げられないが、予後には重要な意味を持ち、潜在的な腫瘍生物学を示唆する。PDAC腫瘍内の異質性は単一細胞RNAシーケンス（scRNA-seq）により遺伝子発現プログラムの多様性が明らかにされており、高い発現異質性は全生存期間の短縮と関連する。これは、腫瘍細胞の異質性が治療に迅速に適応したり、侵襲的で治療抵抗性の腫瘍細胞を選択する可能性があることを示唆している。
しかし、scRNA-seqでは遺伝子発現プログラムと形態学的パターンとの関係は明らかにされておらず、形態学的異質性に関連する分子経路の理解が制限されている。この知識のギャップを埋めるために、本研究では異なる形態学的パターンに対する転写と機能的変異をマッピングし、それが細胞外マトリックス（ECM）と神経浸潤とどのように関連するかを明らかにすることを目的としている。
論文の出典本研究はPierluigi Di Chiaro, Lucia Nacci, Fabiana Arcoが中心となり、地中海イタリア＝ゲルマン研究所（IRCCS）のGioacchino Natoliの下で行われ、関連稿は2024年4月8日の《Cancer Cell》誌に発表された。
研究プロセスプロセス本研究では、レーザーマイクロダイセクション（LMD）技術を使用して、未処理のPDACサンプルから複数の形態学的に区別可能な領域を分離し、各領域には約200-500の細胞が含まれている。次に、これらの領域をRNA-seqを用いて遺伝子発現解析を行い、未処理の区別形態領域サンプル（N=102、1人につき1-7つのサンプル）からRNAを収集し、平均して各サンプルが9513以上の遺伝子を発現する。コンセンサスクラスタリングと主成分分析（PCA）を通じて、研究は4つの形態学的特徴を持つ遺伝子発現クラスターを分離し、これらの遺伝子発現クラスターを形態学的パターンに対応させた。
実験と方法サンプルの切断と分析：
レーザーマイクロダイセクション技術（LMD）を用いて、未処理のPDACサンプルから多形態で区別可能な領域を分離。
RNA抽出およびシーケンス：
RNA-seqを通じて切断領域の遺伝子発現解析を行い、遺伝子発現パターンを明らかにする。
データ分析：
コンセンサスクラスタリングとPCAを活用した無監視分類を利用し、4つの遺伝子発現クラスターを分離。また、回顧的な分析を基に、3つの形態学的パターンに分けた。
細胞外マトリックス（ECM）分析：
研究は主に基底膜と間質基質の変化に集中し、異なる形態生物タイプでの基底膜コンポーネントの発現を分析。
臨床サンプルの検証：
機械学習法を用い、ランダムフォレスト（RF）分類器を構築し、再帰的特徴消去（RFE）を用いて最適な遺伝子セットを見つける。
単細胞RNAシーケンス検証：
既存の単細胞RNAシーケンスデータセットと組み合わせてクラスターの遺伝子署名の豊富さを検証し、単細胞レベルでの異質性を確認。
結果3つの主要な形態学的および機能的変異タイプ腺体型変異：
古典的な管状の特徴を示し、膵臓および内胚葉遺伝子を発現。
移行型変異：
未分化の管状構造を示し、内胚葉および筋線維芽細胞様遺伝子発現の混合を呈示。
分化劣型変異：
管状の特徴と基底膜に欠け、神経系ガイド遺伝子を発現。
ECMが腫瘍侵襲に与える影響研究は、移行型変異のPDAC細胞が局所ECM組織を破壊し、局所力学的ストレスに影響を及ぼすことを発見した。移行型PDAC細胞は、筋線維芽細胞様遺伝子発現プログラムを呈示し、厚いコラーゲン繊維の形成を引き起こし、局所線維症を誘発する。線維症組織はまた、固定されたフィブリンおよびコラーゲン繊維グラデーションに沿って積極的に移動（接着誘導移動）するなど、多くのメカニズムを通じて腫瘍侵襲性と拡散を促進する。
予後関連性LMD-seqサンプルデータを用いたランダムフォレスト分類器の分析により、本研究は患者を異なるリスク群に効果的に分けることができ、高リスク群の患者の総生存期間が著しく短縮することを発見した。弾性ネット回帰法を用いて457の予測遺伝子から23の遺伝子を抽出し、その発現を通じて各患者のリスクスコアを計算し、これにより高リスクと低リスク群に分け、その間の全生存期間に有意な差があることを示した。
単細胞RNAシーケンス検証結果単細胞RNAシーケンスデータを用いて移行型細胞の遺伝子発現プログラムの豊富さを検証し、このタイプの細胞が顕著な筋線維芽細胞様遺伝子署名の発現を示すこと、および内胚葉遺伝子とECMコンポーネントの高発現の共存を発見した。
研究結論と意義本研究は、膵臓癌細胞の転写プログラムと形態パターンをマッピングすることにより、3つの主要な形態および機能変異タイプを明らかにし、それが腫瘍侵襲および予後に及ぼす影響を解明した。特に、移行型変異細胞が局所ECM組織を破壊し、線維症を引き起こし、腫瘍浸襲を促進することを示した。研究結果は、PDACにおける異なる形態生物タイプの共存とその比率が、異なる遺伝子発現特徴を持つ患者の臨床評価において重要な意味を持つことを示している。
ハイライトPDACに共存する3つの形態および機能変異：
統合された転写と形態地図を用いて、すべてのPDACに共存する3つの主要な形態変異を明らかにした。
転写および組織特性の組み合わせが高い予後影響を持つ：
転写および組織特性の組み合わせが、患者の予後予測において非常に強力な影響を持つことを示した。
局所ECM破壊が組織の力学性と神経浸潤に影響を与える：
筋線維芽細胞様変異の一部がECMの組織を破壊し、PDAC細胞の状態および神経浸潤に影響を及ぼすことを発見した。
PDAC細胞は自己分化状態を示し、異なるレベルの遺伝子発現プログラムを持つ：
単細胞レベルの分析により、異なる形態生物タイプ細胞が内胚葉から筋線維芽細胞遺伝子発現への進行的変化を示すことが明らかになった。
意義と価値本研究は、腫瘍細胞の異なる遺伝子発現プログラムと形態変化の関連性を解明し、それらが局所環境および侵襲特性に及ぼす影響について明らかにすることで、転換研究に対する貴重なリソースを提供する。研究データはAIを駆使し、組織学的パターンと遺伝子発現署名を関連付ける方法を開発するのに役立ち、それが各患者に対してより個別化された治療選択肢を提供するための基盤となる。