多領域非小細胞肺がん患者由来の異種移植モデルにおける遺伝子内腫瘍の異質性の表現

2024-06-07 Fri
多区域非小细胞肺癌患者衍生異種移植モデル中におけるゲノムレベル腫瘍内腫瘍異質性の表現学術背景と研究動機患者由来の異種移植（Patient-Derived Xenograft、PDX）モデルは、癌研究に広く利用されています。PDXモデルは人間の腫瘍を免疫不全マウスの体内に移植して繁殖させます。そのため、PDXモデルは従来の細胞株よりも腫瘍の生物学的特性を模倣する能力が高いとされています。体内の細胞間および細胞-基質間の相互作用、三次元構造、そして新しい派生特性を保持しています。多くの研究により、PDXモデルの薬物反応が患者個人や患者群体の薬物反応と一致することが示されており、個別化医療や前臨床薬物試験に使用されています。これにより、癌生物学の重要なモデルとなっています。
しかし、PDXモデルのゲノム忠実度（Fidelity）は前臨床腫瘍学における重要性が高く、そのモデルがゲノムレベルで元の腫瘍の異質性（Heterogeneity）を正確に反映できるかどうかが重要な課題となっています。この背景のもと、ロバート・E・ハイド（Robert E. Hyde）等の研究者たちは、非小細胞肺癌（Non-Small Cell Lung Cancer、NSCLC）におけるPDXモデルのゲノム表現を体系的に評価しようと試みました。
研究の出典と著者この研究はロバート・E・ハイド、アリアナ・ヒューブナー（Ariana Huebner）、デビッド・R・ピアース（David R. Pearce）などが共同執筆し、主要な研究者はUniversity College LondonやFrancis Crick Instituteなど、いくつかの異なる研究機関から来ています。この論文は《Nature Communications》に掲載され、2024年3月28日に受理されました。
研究方法とフローこの研究はTRACERx研究プロジェクトから得られた22人の患者の48のPDXモデルを調査基盤とし、その具体的なフローは以下のステップを含みます：
多区域腫瘍サンプリングとPDXモデルの確立：
定義されたサンプリングプロトコルを使用し、研究者は原発NSCLCの複数の区域からサンプリングを行い、NOD SCID Gamma (NSG)マウスを用いて皮下注射法によってPDXモデルを作成しました。研究チームは患者の特定の区域からの腫瘍サンプルを使用してPDXモデルを作成し、これらのモデルの移植成功率と伝代拡張の時間特性を観察しました。
全エクソームシーケンシング（Whole-Exome Sequencing, WES）：
初代（P0）PDXモデルと伝代三回目のPDXモデル（P3）、およびそれらの匹敵する原発腫瘍サンプルのWESデータを比較することにより、腫瘍サンプルとPDXモデル間の遺伝的異質性を分析しました。WESデータ処理には、シーケンスアライメントと変異検出のほかに、適応性マウス参考ゲノムが導入され、マウス由来のリードを分離しました。
ゲノムボトルネックと異質性の分析：
研究は、PDXモデル確立の過程でしばしばゲノムボトルネック現象（Genomic Bottleneck）が発生することを示しました。PDXモデルは通常、単一の腫瘍クローンを代表しますが、独立したモデルでは異なる腫瘍サブクローンを表すことができます。このボトルネックは、PDXモデルが腫瘍内の異質性を完全に反映する能力を制限しています。
信号フィルタリングとデータ分析：
NSG適用の参考ゲノムを特別に開発し、サンプル内のマウスDNAによるバックグラウンド信号を効果的に除去しました。BamCpm、GATK、Somatic Variantsなどの多様なツールとアルゴリズムを使用してデータを分析し、実験データの高品質と正確性をさらに確保しました。
主な研究結果PDXモデルの確立と拡張：
成功率は約33.1%であり、患者レベルでは50.0%でした。多区域サンプリングは全ての病理型におけるモデル確立成功率を著しく向上させました。初代P0 PDXモデルの平均成長時間は85日で、伝代回数が増えるにつれて成長速度が速くなり、P1-P3の中央値成長時間は51日でした。
組織学的一致性：
大部分のPDXモデルは、組織学的特性で原発腫瘍と高度に一致していました。しかし、初代P0や伝代P3のモデルの一部では、腎透明細胞成分の増加や上皮細胞の分化の変化などの組織学的差異が現れました。
ゲノミクス分析：
PDX建模は単一または複数のクローンの形式で行われました。研究では、PDXモデルは元の腫瘍区域と比較して顕著な遺伝的差異を示すことが発見されました。これは、PDX建模過程におけるボトルネック効果により、単一のサブクローンがPDXモデル全体を支配するためです。また、PDXモデルは伝代過程においても遺伝的変異と進化を続けていることが分かりました。
ゲノム類似性：
変異距離とコピー数距離を計算した結果、P0 PDXモデルは元の腫瘍区域と最も高いゲノム類似性を示し、伝代三回目のP3 PDXモデルの変異は主に伝代過程における遺伝的進化に起因することが明らかになりました。
研究結論と価値この研究から得られた主な結論は次の通りです：
1. PDXモデルの限界：
単一PDXモデルは多くの場合、原発腫瘍の全てのゲノム異質性を再現することができないため、特に複数の腫瘍サブクローンが存在する場合、このボトルネック現象が顕著です。
多区域サンプリングの重要性：
PDXモデルの多区域サンプリングは、PDXモデルが腫瘍内異質性を表す能力を著しく向上させました。異なる原発腫瘍区域を反映する複数のPDXモデルの確立は、腫瘍の内在的異質性を包括的に把握するのに役立ちます。
モデル化および解析方法の最適化：
PDXデータの正確性を確保するために、適応性マウス参考ゲノムという革新的なツールを開発し、PDXデータの正確性と実行可能性を向上させました。
研究のハイライトこの研究は、NSG適用参考ゲノムの開発やPDXモデルのゲノム忠実度に関する体系的な評価など、方法論における革新が見られ、重要な学術的貢献をしています。その結論は、PDXモデルが前臨床研究や個別化医療において使用される際の新しい視点と根拠を提供しています。