繊維芽細胞活性化タンパク質標的NIR-I/II蛍光イメージングによる肝細胞癌の検出

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肝細胞癌 癌関連線維芽細胞 線維芽細胞活性化タンパク質 近赤外蛍光 ペプチド標的蛍光イメージング

肝細胞癌 (Hepatocellular Carcinoma) に対する新しい近赤外蛍光イメージング研究

肝細胞癌（HCC）は、世界的に発病率が第6位、死亡率が第3位に位置する悪性腫瘍です。関連統計によれば、HCC術後の再発率は80%に達し、肝硬変や線維化はHCC症例の80%以上の基礎病変背景です。そのため、HCCの高い再発率は、術後の潜在的な腫瘍病灶の処理、特に腫瘍間質成分の残留と密接に関連しています。しかし、現在の臨床手術では肿瘤が完全に切除されたかどうかを判断するのに、術者の経験や術前の画像、または凍結切片検査などの方法に依存しており、これらの方法はサンプリング不足や腫瘍マーカーの発現異質性などの制約があり、正確で客観的な術中評価を行うことが難しい状況です。

この問題に対処するため、著者は肝細胞癌の腫瘍微小環境の主要成分である癌関連線維芽細胞（Cancer-Associated Fibroblasts, CAFs）に着目しました。CAFsは腫瘍間質に広く存在し、腫瘍の成長、再発、転移、術後の免疫抑制などに影響を与えます。異質性の高いHCC実体腫瘍とは異なり、CAFsは遺伝学的により安定しており変異を起こしにくく、その主要なマーカーは線維芽細胞活性化プロテイン（Fibroblast Activation Protein, FAP）で、80%以上のHCC間質サンプルで高発現していますが、正常組織では非常に低い表現しか見られません。したがって、FAPは非常に特異性が高く安定した腫瘍標的イメージングマーカーです。

既存のHCCイメージング手法の限界を突破するために、本研究はCAFsの視点から新しい標的イメージング戦略を提案しました。FAP陽性CAFsの精密イメージングを実現し、HCC病灶の検出と高リスク転移領域の可視化を支援するために、新しいFAP標的の近赤外（Near-Infrared, NIR）I/IIウィンドウ蛍光プローブ（ICG-FAP-TATA）を構築し、精密な治療に潜在的な技術的サポートを提供することを目的としています。

研究チームと研究の出典

この研究は複数の機関の研究者によって共同で行われ、著者チームはThe Fifth Affiliated Hospital of Sun Yat-Sen University、Institute of Automation (Chinese Academy of Sciences)、Shanghai Institute of Materia Medica (Chinese Academy of Sciences)などの機関から参加しています。第一著者にはEn Lin、Miaomiao Songらが含まれ、対応著者はJian Li、Zhenhua Hu、Zhen Chengです。論文は《European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging》に発表されであり、この研究の受付日は2024年9月24日、最終受理日は2025年1月10日です。

研究の作業フローの詳細

1. プローブの合成と特性評価

研究チームは、環状ペプチド標的に基づく新しい蛍光プローブICG-FAP-TATAを設計・合成しました。合成過程は以下を含みます：

  • 伝統的なFAP標的ペプチド（FAP-Pep）を改良し、1,3,5-Triaacryloyl-Triazinaneで修飾し、環状構造を実現。
  • 環状化したFAP-TATAと近赤外蛍光分子Indocyanine Green誘導体（ICG-NH2）を連結して、標的プローブを得る。

成功したプローブの合成はレーザー解離イオン化－飛行時間質量分析（Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry, MALDI-TOF-MS）でその分子量を確認し、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）を通じて純度が95%以上であることを示し、プローブの平均粒径は約11.32ナノメートルで、理想的な近赤外吸収と発光特性を持つとしています。

2. プローブのin vitro検証

in vitro試験では、研究チームは異なるFAP発現レベルの細胞系を用いて検証を行いました。これには：

  • FAP陰性細胞（HCC細胞系LM3-LucとLX2細胞）。
  • FAP遺伝子を導入した後のFAP高発現細胞（LX2-hFAP）。

プローブはFAP高発現のLX2-hFAP細胞で顕著な蛍光信号を示し、陰性対照群では信号が顕著に弱く、このことはプローブのFAPに対する高い特異的な標的能力を示しています。

3. 生体イメージング実験

さらに行われた生体実験では、HCC異種移植モデルを利用してICG-FAP-TATAプローブの標的イメージング能力を調査しました：

  • 異なるFAP発現レベルを持つ腫瘍モデルを構築し、高発現群（LM3-Luc + LX2 1:1混合）、中等発表群、低発表群など。
  • 標的プローブは尾静脈注射により、蛍光信号が迅速に腫瘍領域で増強され、4日でピークに達し、信号は10日以上持続。
  • プローブは主に腫瘍、肝臓、腎臓に蓄積され、高FAP発現群で顕著に高い腫瘍と背景比（TBR）を示し、蛍光強度と高度な相関性（R2 > 0.8, p < 0.05）があります。

4. 離体組織イメージング

研究チームはマウスと人類HCC新鮮組織で離体イメージング実験を行いました：

  • マウスモデル：3種の細胞系によるHCC移植腫瘍を構築し、肝臓とともに切除し、ICG-FAP-TATAプローブと対照群プローブをそれぞれ浸漬。近赤外イメージングは、腫瘍領域が特異的な蛍光信号によって顕著に増強され、通常の蛍光染料との比較で、TBRが高い（p < 0.0001）。
  • 人類腫瘍サンプル：7例のHCC手術患者の腫瘍と隣接組織をサンプルとして取り、血流方向と腫瘍浸潤リスク領域の関係を分析。実験により、このプローブは腫瘍の血流方向と周縁領域の信号が顕著に増強され、既知の腫瘍転移メカニズムと高度に一致しました。

研究の主要な発見と結論

  1. 高い標的性と安定性
    ICG-FAP-TATAプローブはFAP陽性CAFsに対して非常に高い標的性を示し、体内外の実験でその安定したイメージング性能を確認。このプローブは近赤外IIウィンドウ（NIR-II, 1000–1700 nm）でさらに優れたTBRを示し、近赤外Iウィンドウ（NIR-I, 700–900 nm）に比べて高い解像度を持っています。

  2. 生物学的挙動を反映する機能的イメージング
    プローブは腫瘍微小環境におけるFAPの発現レベルと分布を正確に反映し、特に血流方向と腫瘍周縁で腫瘍浸透、転移リスク領域と高度な関連性があり、腫瘍の生物学的行動の研究や術中のナビゲーションに新しい視点を提供します。

  3. 肝硬変背景での可行性
    実験では、プローブが健康および線維化肝臓の背景下で効率的なイメージングを実現し、信号は安定しており、肝線維化には顕著な影響を受けません。

研究の価値と意義

本研究は、迅速、直観、そして精密な肝細胞癌イメージング戦略を構築し、従来のHCCイメージングが腫瘍実質細胞を主とする制限を打破しました。腫瘍間質及びCAFsという安定した標的に向け、それによって広範意義での病灶イメージングを実現し、術中高危険領域の識別に重要なツールを提供しました。さらに、この研究の離体組織での浸漬イメージング戦略は、今後他の多くの固体腫瘍タイプへの応用に拡大できる可能性があります。

ICG-FAP-TATAの設計は、基礎研究と臨床実践への転換の潜在性を示し、特に術中での意思決定、転移リスクの評価、腫瘍生物学的挙動の分析などの面での応用展望があります。