記録可能なバーコードを使用したクローン系譜追跡は、転移性前立腺癌の移行履歴を明らかにする

老年医学 泌尿器科学 腫瘍学 医学
クローン系譜追跡 転移性前立腺がん バーコード 腫瘍進化 マウスモデル 腫瘍の不均一性

title: “バーコードクローニング系統記録を使用したプロステート癌の転移歴史追跡” author: Ryan N. Serio, Armin Scheben, *Billy Lu, *Domenic V. Gargiulo, Lucrezia Patruno, Caroline L. Buckholtz, Ryan J. Chaffee, Megan C. Jibilian, Steven G. Persaud, Stephen J. Staklinski, Rebecca Hassett, Lise M. Brault, Daniele Ramazzotti, Christopher E. Barbieri, Adam C. Siepel, #, Dawid G. Nowak journal: Cancer Discovery

date: 2024年7月16日

前書き

プロステート癌（Prostate Cancer, PCA）の早期診断と治療戦略の策定は、腫瘍転移過程の深い理解に依存しています。しかしながら、プロステート癌の初期腫瘍が転移部位へと広がるパターンは、現在まだ明確ではありません。研究チームはPCR/Cas9バーコード技術を基に、キメラ細胞系追跡術を設計・検証し、転移性プロステート癌のダイナミックな転移履歴を暴き出し、腫瘍クローンの進化と転移パスを理解する新たな視点を提供します。

研究背景および論文出典

本学術論文の著者は、Weill Cornell Medicine、Cold Spring Harbor LaboratoryやUniversity of Milano-Bicoccaなど複数の有名研究機関に所属しており、権威ある雑誌『Cancer Discovery』に発表されました。主要な著者はRyan N. Serio、Armin Scheben、Billy Lu、Domenic V. Gargiulo、Lucrezia Patruno、Caroline L. Buckholtzなどです。この論文では、プロステート癌の転移メカニズムについて探究し、転移パターンが疾病の進行と治療戦略の開発にどのように影響するかを解明します。

研究プロセス

実験モデルおよび手法

論文では、新型の移植マウスモデル、EvoCaP（進化中のプロステート癌）を使用しています。このモデルは、骨、肝臓、肺およびリンパ節への高度に侵襲性の転移特性を持っています。初期腫瘍と転移部位間の転移履歴を追跡するために、研究チームはEvoTracerパイプラインを使用して、記録可能なバーコードを含む異なる腫瘍クローンを追跡しました。

  1. モデリングプロセス：

    • EvoCaPマウスモデルでは、レンチウイルス注射を通じてプロステートに遺伝子変異を導入し、プロステート癌を誘発します。具体的な手順は以下の通りです：
      • 転移性疾患患者に多く見られるPtenとTrp53の2つの遺伝子を欠損させます。
      • 遺伝的に累積されたバーコード（BC10）を通じて、癌の進化を追跡します。

  2. データ収集と分析：

    • 複数の遺伝子編集プライマーを含む合成バーコードBC10を使用し、《Evotracer》ソフトウェアパッケージを通じて定量的分析を行います。
    • 分析により、高度なクローン異質性が明らかになり、プロステートと転移部位の間にファウンディングクローン群（CPs）を定義しました。
    • 集団平滑化技術と《Cassiopeia》アルゴリズムを組み合わせ、Machinaソフトウェアを使用して転移歴史を導き出します。

  3. 実験結果：

    • 遺伝子的な処理を施したマウス体内からプロステートにバーコードウイルスを注射し、癌のクローンを検出して追跡することで、高異質性のクローン群を発見しました。
    • プロステートと転移部位の間にファウンディングCPを定義した多くの共有されたCas9編集イベント（ステムミューテーション）が検出されました。
    • 少数の高侵襲性クローンが転移過程で主要な役割を果たし、大多数の腫瘍細胞は転移部位内で静止していました。

実験の詳細と手法の革新性

EvoCaPモデルは、研究チームが設計した新型の遺伝子変異マウスモデルで、体内の遺伝子療法（例えばレンチウイルス注射）を通じて、人間のプロステート癌の進化と転移を模倣しています。研究者が使用したバーコード記録システムBC10も、この実験の大きな革新性をもたらしています。これにより、長期にわたり癌クローンの進化と転移履歴を正確に追跡することが可能になります。

  1. EvoCaPモデルの構築：

    • マウスのプロステートにレンチウイルスを注射し、Creリコンビナーゼとルシフェラーゼ（Fluc）の発現を導入して、PtenとTrp53の遺伝子の部位特異的な損失を引き起こします。
    • この誘導機構は、人間のプロステート癌の発生から、骨、肺、肝臓、さらにはリンパ節への転移にまで効率的に模倣することができます。

  2. バーコード（BC10）記録システム：

    • BC10バーコードは10個の20ヌクレオチドのCas9標的サイトを含んでおり、高効率編集機能を保証するため、機械学習（cutting frequency determination, CFD）評価アルゴリズムにより設計されています。
    • 統合されたBC10バーコード記録を通じて累積した遺伝的マーカーが確認でき、長期にわたってクローン集団間の複雑な進化関係を観察することができます。

  3. データ収集と分析：

    • 高感度の定量分析を採用し、EvoTracerソフトウェアパッケージを使用して、CassiopeiaとMachinaを含む先進的なバイオインフォマティクスツールを活用し、クローンツリーを再構築し潜在的な転移軌跡を推定しました。
    • 実験で注射されたウイルスの量と外来遺伝子の沈黙の能力は、動物モデルの安定性とデータの一貫性を保証しています。

主な結果

実験結果は以下のように示されています： - 初期腫瘍の多クローン特性は顕著であり、侵襲性の高いクローンがそれらの生態位を広げる過程で重要な役割を果たしています。 - クローン異質性は、プロステートから遠隔転移部位への基本的な転移パターンを反映しています。転移過程は主に直線的であり、転移間の伝播イベントは稀です。 - プロステート部位から骨、肝臓、肺などの部位への直接的な（primary-to-metastatic）転移といった特殊なパターンも発見されました。

これらのデータは、一部の優位クローンが迁移し生息域を徐々に広げ、原位での制約条件を克服して高い侵襲性と優位性を示すことが明らかになりました。

結論

研究の重要性

この研究の重要性は以下にあります： - プロステート癌の転移に関する詳細な理解を提供し、体内の異なる部位で腫瘍クローンがどのように進化し転移するかを明らかにしました。 - EvoCaPモデルとバーコード追跡技術の使用は、腫瘍クローンの集団を識別し、その転移パスを推測する潜在能力を示しました。 - これらの発見は、プロステート癌の新たな治療法の開発において影響深い意義を持ちます。

重要な発見

研究は、プロステート癌がいくつかの高度に侵襲性のクローンによって駆動され、複雑な転移拡大パターンを示す体系的性質を強調しました。これらの侵襲性クローンは生理的な障害を乗り越えることでより遠い転移部位に拡大し、体系的な疾患の新たな視点を提供します。

手法およびプロセスの革新性

本研究で採用されたEvoCaPモデルは、小鼠体内で人間のプロステート癌の進化を正確に模倣する新しい遺伝子処理手法です。バーコード（BC10）記録システムは、腫瘍クローンの進化追跡の効率と正確性をさらに高め、がん研究における大きな可能性を示しました。

EvoCaPモデルおよびバーコード追跡プラットフォームは、プロステート癌の転移および拡散の研究における効果と革新性を確認しました。これらの技術と手法はプロステート癌に限らず、他のがん種や病気の研究にも適用可能であり、学術界および臨床実践に貴重なツールと視点を提供しています。