皮膚病変のハイスループットメタボロミクスプロファイリング：電気生検サンプリングによる皮膚扁平上皮癌、基底細胞癌、および正常皮膚の比較研究

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学術的背景

皮膚扁平上皮癌（Cutaneous Squamous Cell Carcinoma, CSCC）と基底細胞癌（Basal Cell Carcinoma, BCC）は、世界中で最も一般的な皮膚がんのタイプの一つです。これらのがんの死亡率は比較的低いものの、その発生率は年々上昇しており、患者の生活の質に大きな影響を与え、早死ににつながる可能性もあります。伝統的な診断方法は、組織切除後の組織病理学的検査に依存しており、この方法は時間がかかるだけでなく、手術切除やその後の治療（電気乾燥や焼灼など）による追加の合併症を引き起こす可能性もあります。症例数の増加に伴い、既存の診断方法がボトルネックとなっており、より迅速で侵襲性の低い診断手段が求められています。

近年、分子診断技術の進展により、がん診断に新たな可能性がもたらされています。特に、メタボロミクス（metabolomics）は、高スループットの分子分析法として、組織中の低分子代謝物を検出することでがんの分子特性を明らかにすることができます。しかし、従来のメタボロミクス分析は通常、複雑なサンプル処理プロセスを必要とし、臨床応用が制限されています。そのため、迅速で効率的な代謝物サンプリングと分析方法の開発が現在の研究の焦点となっています。

論文の出典

本論文は、Leetal Louie、Julia Wise、Ariel Berlらによって共同執筆され、イスラエルのテルアビブ大学機械工学部、Reichman大学コンピュータサイエンス学部、Meir医療センター形成外科など複数の機関からなる研究チームによるものです。論文は2025年に『Cellular and Molecular Bioengineering』誌に掲載され、タイトルは「High-throughput metabolomic profiling of skin lesions: comparative study of cutaneous squamous cell carcinoma, basal cell carcinoma, and normal skin via e-biopsy sampling」です。

研究のプロセス

1. サンプル収集とe-biopsy技術

研究チームは、電気穿孔（electroporation）に基づく低侵襲サンプリング技術であるe-biopsyを開発しました。この技術は、パルス電場（Pulsed Electric Field, PEF）を適用して細胞膜を透過させ、細胞内の代謝物を放出し、真空吸引によってこれらの代謝物を注射器に収集します。e-biopsy技術は、組織損傷を軽減するだけでなく、迅速にサンプルを取得できるため、臨床環境に適しています。

研究では、CSCC、BCC、健康な皮膚を含む13の組織サンプルを12人の患者から収集しました。サンプルは手術切除後10〜20分以内にe-biopsy技術で抽出され、その後冷凍保存され、北京ゲノム研究所に送られてさらなる分析が行われました。

2. 高スループットメタボロミクス分析

メタボロミクス分析には、超高速液体クロマトグラフィー-タンデム質量分析（Ultra Performance Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry, UPLC-MS-MS）技術が採用されました。研究では、2種類のカラム（C18カラムとアミドカラム）と2つのモード（正イオンと負イオン）を使用して分離と検出を行い、合計4回の分析が実施されました。この技術により、研究チームは2325種類の低分子代謝物を同定し、そのうち301種類の代謝物が高い信頼性を持っていることを確認しました。

3. データの統計分析

研究チームは、Pythonの統計ライブラリを使用してパワー分析（power analysis）を行い、各組織タイプの効果量（effect size）を計算しました。その後、t検定と倍数変化分析（fold change analysis）を用いて、代謝物の差異発現をスクリーニングしました。さらに、過剰発現分析（overabundance analysis）と火山図分析（volcano plot analysis）を行い、代謝物の差異発現を検証しました。

主な結果

1. CSCCと健康な皮膚の比較

研究では、CSCCと健康な皮膚の間で22種類の有意に差異発現した代謝物（p < 0.05）を同定し、そのうち14種類がCSCCで発現が上昇し、7種類が発現が低下していました。例えば、L-プロリン（L-proline）とクレアチン（creatine）はCSCCで有意に上昇し、L-アルギニン（L-arginine）は有意に低下していました。

2. BCCと健康な皮膚の比較

BCCと健康な皮膚の比較では、19種類の有意に差異発現した代謝物（p < 0.05）を同定し、そのうち8種類がBCCで発現が上昇し、8種類が発現が低下していました。例えば、L-グルタミン（L-glutamine）と尿酸（uric acid）はBCCで有意に上昇し、4-オキソプロリン（4-oxoproline）は有意に低下していました。

3. CSCCとBCCの比較

CSCCとBCCの比較では、4種類の有意に差異発現した代謝物（p < 0.05）を同定し、そのうち3種類がCSCCで発現が上昇し、DL-アルギニン（DL-arginine）とキサンチン（xanthine）が含まれていました。

結論

本研究は、初めてe-biopsy技術を用いてCSCC、BCC、健康な皮膚の高スループットメタボロミクス分析を行い、34種類の有意に差異発現した代謝物を同定しました。研究結果は、CSCCとBCCのメタボロミクス特性が健康な皮膚と有意に異なることを示しており、特にアミノ酸、ペプチド、およびその類似体（amino acids, peptides, and analogues）のサブクラスにおいて、代謝物の発現レベルが全体的に上昇していることが明らかになりました。これらの発見は、皮膚がんの分子診断に新たな可能性を提供し、高スループットメタボロミクス分析におけるe-biopsy技術の潜在能力を示しています。

研究のハイライト

  1. 革新的なサンプリング技術：e-biopsy技術は、低侵襲サンプリング方法として、迅速に組織サンプルを取得し、メタボロミクス分析の効率を大幅に向上させます。
  2. 高スループットメタボロミクス分析：UPLC-MS-MS技術により、研究チームは多数の代謝物を同定し、CSCCとBCCの分子特性を明らかにしました。
  3. 差異代謝物の発見：研究では、CSCCとBCCで有意に差異発現する複数の代謝物を発見し、皮膚がんの診断と治療に新たなバイオマーカーを提供しました。
  4. 臨床応用の可能性：e-biopsy技術と高スループットメタボロミクス分析の組み合わせは、皮膚がん診断の代替方法として有望であり、従来の組織病理学的検査への依存を軽減する可能性があります。

その他の価値ある情報

研究チームは、今後の研究でこれらの差異代謝物の信頼性をさらに検証し、腫瘍の空間的異質性（spatial heterogeneity）における応用を探る計画です。さらに、e-biopsy技術は、乳がんや膵臓がんなど他のがんタイプにも応用可能であり、がんの分子診断と治療に新たなツールを提供する可能性があります。