選択的な遺伝子ドライブによる腫瘍進化のプログラミングを通じて、薬剤耐性に積極的に対抗する

腫瘍の発展に伴い、がんへの標的治療は通常、薬剤耐性の進化によって失敗することが多い。本研究では、遺伝的異質性が事前に存在している場合でも、腫瘍進化を繰り返し操作して治療のチャンスを設計する方法を示している。私たちは選択的な遺伝子ドライブシステムを開発し、2つの遺伝子（スイッチ）で構成される癌細胞へ安定に導入することができ、誘導可能な適応的優位性を共有する適応コストと結びつけることができる。進化ダイナミクスの確率モデルを用いて、選択的遺伝子ドライブの設計基準を特定し、承認済みの複数のチロシンキナーゼ阻害剤の選択的プレッシャーを利用するプロトタイプを構築し、プロドラッグ触媒や免疫活性化誘発など、様々な治療メカニズムを採用した。私たちは、選択的遺伝子ドライブが様々な形式の遺伝的耐性を体外で排除できることを証明した。最終的に、マウス実体腫瘍モデルで、モデルに導かれたスイッチの活性化が既存の耐性を効果的に標的とすることができることを示した。これらの結果は、進化をガイドした抗がん治療に選択的遺伝子ドライブを強力なフレームワークとして確立した。

多くのがんにとって、薬剤耐性の進化は根治治療を開発する最大の挑戦の一つである。単一細胞異質性の研究は、腫瘍中に存在する小さな耐性亜クローンが通常はベースラインで存在していることを示しており、これは治療失敗に至ることがほとんどであることを意味している。さらに、多数の晩期肺がん患者に関する最近の研究では、驚異的な遺伝的多様性レベルを明らかにし、この深刻な異質性に対抗する方法のヒントはほとんどなかった。薬剤治療は腫瘍の進化景観を顕著に変化させ、それによって治療に対応しにくい可選択性の腫瘍が形成され、治療選択がさらに少なくなる。

耐性進化を克服する取り組みは、耐性進化の固有の不確実性によって阻害されてきた。多くの場合、耐性変異体は治療開始時には希少過ぎて信頼性のある検出ができないため、腫瘍の進化経路は予測できない。したがって、従来の抵抗性への対処法は、亜クローンが十分に大きくなって臨床検出が可能になるまで待ち、適切な治療戦略で対応することを含んでいる。標的治療の場合、抵抗性が標的遺伝子の点変異によって駆動されているなら、この戦略は通常、新しい抑制剤の開発と対応を意味している。例えば、EGFR変異型非小細胞肺がん(NSCLC)では、一線治療としてTKIエルロチニブを使用した場合、T790M耐性変異を獲得し、次世代チロシンキナーゼ阻害剤オシメルチニブへの道を開いている。しかし、これらの次世代治療は通常、一時的な反応しか提供できない。一線治療期間中に耐性の成長を待つことは、腫瘍に十分な時間と選択圧を与え、二次耐性の出現を可能にしている。

私たちは「前方工学」の治療戦略を提案する。つまり、遺伝子を変化させてがん細胞を利用し、小分子薬剤で腫瘍の進化景観を逆転させ、耐性亜クローンではなく変化したがん細胞を選択する。腫瘍を再設計する際、治療選択を少なくする代わりに、薬剤選択性を利用してより多くの治療機会を生み出すことができる。

CRISPRベースのシステムが疾病ベクターの進化を制御するために使われることにインスパイアされ、私たちはこのアプローチを「二重スイッチ選択的遺伝子ドライブ」と呼んでいる。遺伝子回路は2つの遺伝子または「スイッチ」から構成され、これらがキャリアを通じてがん細胞に安定に導入される。このモジュラープラットフォームの基本機能は、誘導可能な適応的優位性（スイッチ1）と共有する適応コスト（スイッチ2）を結びつけることである。スイッチ1はシンセティック抵抗遺伝子として機能し、一時的な抵抗型の表現型を与え、治療中にエンジニアリングされた細胞の頻度を拡大する。スイッチ2は治療負荷遺伝子となり、標準GDEPTのように、エンジニアリングされた細胞と改造されていないがん細胞を殺す拡散可能な治療剤を活性化する。この旁観者効果は、スイッチ1の遺伝子への乗り換えによって強化され、その結果、自殺遺伝子の治療能力を最大化する。この旁観者活性は、スイッチ1の治療段階で選択されたどんなローカル抵抗集団の影響も受けない。また、スイッチ2の活性が理論的には腫瘍環境に限定されているので、全身投与よりもより高い活性剤の局所濃度を得る可能性がある。より強力な治療行動の促進によってクロス耐性のリスクを最大限に減少し、組み合わせ治療の約束を充分に実現させる。

本論文では、モデルに導かれた設計により二重スイッチ選択的遺伝子ドライブを構築し評価する。制御可能な薬剤標的アナログを設計することにより、異なる生物学的背景でのスイッチ1の活性を示し、また、GDEPTおよび免疫版スイッチ2遺伝子の治療機能と旁観者殺傷効果を確立した。当社の完全な二重スイッチ回路は、存在する抵抗性を排除する能力を示し、薬剤標的内および全ゲノム内の複雑な遺伝的ライブラリーに対する耐性変異を含んだ。最終的に、モデルに導かれるスイッチ活性化は、体内で強力な治療効果を示し、進化原則に抗戦するのではなく、それらを利用するメリットを強調した。全体として、私たちの発見は、腫瘍を再設計し、多様な遺伝的異質性に対処することを可能にする、進化理論に基づいた選択的遺伝子ドライブの概念フレームワークを支持するものである。

研究の結果は、遺伝的構造を導入し選択することが、腫瘍集団にさらなる異質性を導入し、遺伝子改変されたがん細胞の集団を意図的に拡大することを示している。この直感に反する治療方法の進化リスクを評価するため、私たちは腫瘍進化の確率モデルを策定した。このようなモデルでは、選択的 遺伝子ドライブ システムに関連する進化リスクを予見し調査することができる。さらに、選択的な条件下での予想される進化ダイナミクスを理解することは、システム設計の重要基準を策定するのに役立つ。これらの基準は、進化制御を実現するために必要な想定される遺伝子伝達効率およびスイッチ1治療段階での遺伝子ドライブ細胞の適応性をカバーする。

モデルは、最初に感受性のある小さながん細胞の集団を考慮し、これらの細胞が腫瘍が検出されるときまで拡大し、遺伝子ドライブ細胞への一部の腫瘍細胞の変換が行われ、治療が開始される。スイッチ1段階の治療が維持され、遺伝子ドライブ細胞が主要な群集体になった後、スイッチ2治療が開始される。全体的なシミュレーションプロセスの中で、突然変異イベントは子クローンモデルを生成し、潜在的なシステムの失敗点を模倣する。これらの突然変異には、標的治療に対する抵抗性、スイッチ2遺伝子の治療活性に対する耐性、および遺伝子ドライブ細胞中のスイッチ2活性の喪失が含まれている。

また、選択的遺伝子ドライブシステムの潜在的な空間リスクを評価したいと考えています。特に、治療性スイッチ2遺伝子の旁観者効果は、変更されていない細胞の隣人と一緒にそれらをクリアする必要がある。したがって、遺伝子ドライブ細胞の空間分布と旁観者活動の範囲は、治療成功の重要な決定要因になると考えられる。予測される空間の故障源を予見するために、我々は選択的遺伝子ドライブシステムの空間代理モデルを構築した。このモデルは、敏感な細胞、耐性細胞、および遺伝子ドライブ細胞の混合集団を考慮する。しかし、遺伝子ドライブ細胞は空間拡散パラメータに基づいて播種される。

この研究では、モデルテストによる設計基準を使用して、遺伝子ドライブシステムがより広範囲の背景で実行可能かどうかを決定する。臨床証明に比べて、結果は遺伝子伝達率が低い場合でも、進化制御が達成される可能性を示している。さらに、天然耐性集団に比べて遺伝子ドライブ細胞が適応性が劣る場合でも、進化制御が実現可能であることをシミュレーション結果は示している。これは、治療開始時に遺伝子ドライブ細胞の数が耐性子クローンよりも数桁多いことが予想されるためである。

全体として、これらのモデル結果は生理的に合理的なパラメータで多くの可能な故障モードを探求し、肿瘤群集体を前向きに工学する成功の可能性を予測している。しかし、選択的遺伝子ドライブ治療は、すべてのケースで無進行生存期間を延長し、ほとんどの条件下で根絶の可能性を向上させることが予