- 著者: Mark W. Dewhirst, Timothy W. Secomb
- Corresponding author: Mark W. Dewhirst (Duke University Medical Center, Durham, NC); Timothy W. Secomb (University of Arizona, Tucson, AZ)
- 雑誌: Nature Reviews Cancer
- 発行年: 2017
- Epub日: 2017-11-10
- Article種別: Review
- PMID: 29123246
背景
抗がん薬が固形腫瘍に対して持続的な治療効果を発揮するためには、腫瘍内のほぼ全ての癌細胞に薬物を到達させる必要がある。血流を介して投与された薬物は、血管壁を横切り周囲の組織を通過して、血管からさまざまな距離に位置する腫瘍細胞に到達しなければならない。この輸送プロセスは薬物の物理化学的特性だけでなく、腫瘍微小血管の構造・血流分布、ECM (extracellular matrix、細胞外マトリックス) 組成、IFP (interstitial fluid pressure、間質液圧) などの腫瘍微小環境に強く依存する。
腫瘍における薬物輸送については複数の包括的レビューが提示されてきた。Swabb et al. (Cancer Res 1974) は腫瘍組織内での拡散・対流輸送の相対的重要性を最初に定量的に検討し、グリコサミノグリカン分解によって溶質輸送が改善しうることを示した。Jain et al. (Cancer Metastasis Rev 1987; Cancer Res 1987; Microcirculation 1997) は小分子薬から抗体・ナノ粒子に至る全ての薬物クラスにおいて輸送特性が治療効果を決定することを強調し、腫瘍間質圧・血管透過性・リンパ管機能不全が重要な障壁であることを体系的に記述した。Maeda et al. (J Control Release 2000) は腫瘍微小血管の高透過性と高分子の蓄積増強 — EPR (enhanced permeability and retention) 効果 — を定義し、ナノ粒子薬物送達の理論的基盤を提示した。Minchinton and Tannock (Nat Rev Cancer 2006) は固形腫瘍への薬物浸透の障壁を小分子薬においても定量的に評価し、その障壁が根本的に大きいことを示した。
しかしながら、これらの先行研究には重要な gap in knowledge が存在した。すなわち (1) Pe (Péclet number、ペクレ数) を用いた拡散・対流の定量的切り分けを各薬物クラス・各輸送区画 (血管内腔 vs 間質) について統一的に行った定量的 framework が手薄であり、(2) 血管正常化・ECM 分解・温熱療法・腫瘍プライミングなど複数の送達増強戦略の改善倍率を直接比較可能な形で網羅した総合的評価が不足していた。本レビューはこの空白を埋めることを目指した。
目的
血液から腫瘍細胞への薬物輸送を決定する主要因子を定義し、輸送過程が薬物特性に依存する物理原則 (拡散・対流・ペクレ数) を概説し、薬物送達を改善することで治療効果を向上させる現在の戦略 (血管正常化・ECM 改変・温熱療法・ナノ粒子技術等) の成果と課題を定量的に概観することを目的とした。本レビューの独自の貢献として、ペクレ数による拡散・対流の定量的評価の薬物送達戦略への接続、および温熱療法+TSL (thermosensitive liposome、サーモセンシティブリポソーム) による25-fold の送達増強効果の提示が挙げられる。
結果
薬物輸送の基本物理学：ペクレ数による定量的分類：
生体内の物質輸送は分子拡散 (濃度勾配に沿った受動輸送) と対流 (流体移動に伴う輸送) の2つの基本機構による (Fig 1)。相対的寄与はペクレ数 Pe = UL/D (U: 流速、L: 特性長、D: 拡散係数) で評価される (Box 1)。血管内腔では典型的流速 1 mm/s・血管長 1 mm・小分子拡散係数 D = 10^-5 cm^2/s として Pe ≈ 1,000 となり対流が支配的である。腫瘍間質では典型的流速 1 μm/s・輸送距離 100 μm として、小分子 (D = 10^-5 cm^2/s) で Pe ≈ 0.1 (拡散支配)、高分子/ナノ粒子 (D = 10^-7 cm^2/s、例：135 nm リポソーム) で Pe ≈ 10 (対流の寄与が重要) となる。これはドキソルビシン (MW 543 Da) のような小分子薬と、ADC (antibody-drug conjugate, 抗体薬物複合体、MW 約150,000 Da) や各種ナノ粒子では間質内輸送機構が根本的に異なることを意味し、薬物設計において輸送特性の考慮が不可欠であることを定量的に示す (Table 1)。
薬物の組織浸透距離の定量推定：
Box 2 の浸透距離計算をドキソルビシンに適用すると、in vitro データ (30 分暴露・0.5 μg/ml 条件で ku ≈ 0.013 s^-1、細胞体積 1,000 μm^3・細胞体積分率 0.5) から dp = 123 μm が得られ、半減濃度 (C50) は血管から約40-50 μm の距離で達成された (Primeau et al. 蛍光顕微鏡データと一致)。酸素については、pO2 = 30 mmHg 条件での組織隣接濃度 ~40 μM・拡散係数 D = 1.5 × 10^-5 cm^2/s・消費速度 Vm = 2.5 × 10^-4 cm^3 O2/cm^3/s から最大拡散距離 約100 μm と推定される (Box 2、Fig 2)。血管から 100 μm 以上離れた腫瘍細胞は低酸素・薬物不足の状態に置かれ、放射線・化学療法への耐性の生物学的根拠となる。高分子薬物 mAb (monoclonal antibody) では「結合部位障壁 (binding site barrier)」効果により血管周囲の抗原陽性細胞に高親和性で捕捉され、遠位組織への浸透が著しく制限される。これらの定量的限界値は、固形腫瘍治療で問題となる不均一な薬物分布と部分的奏効の生物学的根拠を提供する。
腫瘍血管の異常性とEPR効果の不均一性：
腫瘍血管は内皮細胞間の間隙拡大・異常なペリサイト被覆・基底膜不整により、正常組織血管に比べて高い透過性を示す。アルブミン (MW 69,000 Da、Stokes-Einstein 半径 3.5 nm) の腫瘍血管透過係数は約10^-7 cm/s であり、正常連続型毛細血管 (~10^-8 cm/s) の約10-fold 高い (Table 1)。リポソーム (直径 ~100 nm) の透過係数は ~2 × 10^-8 cm/s と測定されている。腫瘍の IFP は5-10 mmHg 以上 (正常組織 ~0 mmHg) に上昇し、リンパ管機能欠如と相まって腫瘍辺縁から外向きの間質液流を生じ、高分子・ナノ粒子の腫瘍内流入を阻害する (Fig 3)。また腫瘍微小循環では動静脈シャント (arteriovenous shunting) による functional shunting が生じ、薬物の不均一分布をさらに悪化させる (Fig 2)。重要なことに、EPR 効果の大きさはヒト腫瘍で著しく変動する。転移性乳癌 n=24 例での 64Cu-MM-302 PET 試験では、EPR の変動が無増悪生存と相関し、EPR 高値患者で治療応答が良好であった。
血管正常化による送達改善：
VEGF (vascular endothelial growth factor) 阻害 — bevacizumab 低用量投与 — は腫瘍血管の「正常化」(Jain et al. Science 2005) を促進し、血管透過性低下・IFP 改善・腫瘍血流均一化をもたらす。前臨床データでは bevacizumab 投与後に腫瘍灌流が1.25-fold to 3-fold 増加し、エンドスタチン + パクリタキセル溶出ナノ粒子、TGFβ (transforming growth factor-beta) 阻害、5-FU メトロノーム投与を含む7種類以上の戦略で同様の効果が再現された。臨床的には、再発神経膠芽腫に対する cediranib (VEGF-TKI) 投与後の n=30 例の研究で7例 (23%) に灌流改善が認められ、灌流改善例で無増悪生存・全生存が有意に延長した。また、sunitinib (多受容体チロシンキナーゼ阻害薬) + ドキソルビシン + シクロホスファミドの術前化学療法を受けた乳癌患者では、Ktrans (volume transfer constant, 体積移送定数) 改善が病理学的奏効と相関した。VEGFR2 (VEGF receptor 2) blockade (DC101) では血管径縮小・ペリサイト被覆増加・IFP 低下・アルブミン透過性 2-fold 低下にもかかわらず、アルブミンの血管外浸透距離がほぼ倍増した事例は、圧力勾配増大による対流輸送促進機序を示す。ただし過剰な VEGF 阻害は血管退縮・低酸素悪化をもたらし、適切な「正常化ウィンドウ」内での使用が不可欠である。
ECM 改変による送達改善：
腫瘍 ECM の高密度 (ヒアルロン酸・コラーゲン蓄積) が間質輸送の抵抗となる。細胞外体積分率 (extracellular volume fraction) は MW < 40,000 のデキストランで平均 20% だが、それより大きい分子では 10% 以下に低下し、ナノ粒子ではさらに小さくなる。PEGPH20 (pegylated hyaluronidase、ペグ化ヒアルロニダーゼ) 投与によりECMを分解するとゲムシタビン腫瘍内送達が2-fold 増加し (KPC 自然発症膵癌マウスモデル + 2件の前立腺癌 xenograft)、リポソーマルドキソルビシンの送達が1.5-fold 増加した。Phase Ib 試験 (転移性膵癌) では PEGPH20 投与後に Ktrans が有意に増加し、最長生存例がヒアルロン酸高含量群に集中していた (Fig 3 参照)。イマチニブ (imatinib、PDGFR (platelet-derived growth factor receptor) / ABL キナーゼ阻害) は IFP を1.3-fold 低下させ、NSCLC (non-small-cell lung cancer) xenograft モデルでタキサン系薬の腫瘍蓄積を3-fold 増加させた結果、ドセタキセル単独での局所制御率 60% がドセタキセル + イマチニブ併用で 100% に改善した。ロサルタン (losartan、angiotensin II 受容体拮抗薬) はECM成分合成を抑制し、乳癌・膵癌・線維肉腫・メラノーマのマウスモデルでナノ粒子送達を1.5-fold to 4-fold 増加させ、抗腫瘍効果を少なくとも2-fold 増強した。Hedgehog シグナル薬理学的阻害は KPC 膵癌モデルで灌流血管割合を2-fold 増加させ、生存期間を薬物単独と比べて2-fold 延長した。TGFβ 遮断抗体は2種の乳癌マウスモデルで血管密度をわずかに低下させつつ灌流を増加させ、リポソーマルドキソルビシンの血管からの浸透距離を2-fold 増加させた (Fig 3 参照)。
温熱療法による送達増強と TSL の役割：
局所温熱療法 (41-43°C) はナノ粒子送達を1.5-fold to 2-fold 増強する。42°C 加温ではステリカリー安定化リポソーマルドキソルビシン送達が 75% 増加したが、フリー薬物では増加しなかった (FaDu 扁平上皮癌 xenograft モデル)。この差の理由は、小分子ドキソルビシンの血管外輸送が拡散支配 (Pe << 1) であり、エンドサイト間隙拡大の影響を受けないためである。一方、ナノ粒子の TSL (thermosensitive liposome) との組み合わせでは、TSL の相転移温度 (Tm = 41-42°C) 付近での脂質二重層孔形成により血管内で薬剤が放出され、腫瘍蓄積量が通常のリポソームの5-fold、フリー薬剤の25-fold に達した (同 FaDu モデル、Fig 4)。TSL 戦略の機序は3つの相乗効果から成る: (1) 熱による微小血管透過性上昇 (アルブミン透過性 2-fold to 3-fold 増加・D-54 glioma xenograft モデルで抗体送達 2-fold to 3-fold 増加)、(2) 血流増加による対流促進、(3) 血管内での温度応答的薬剤放出による高濃度勾配形成と組織への拡散 (Fig 4)。放射線標識リポソームの腫瘍蓄積は自然発症猫ワクチン関連肉腫で2-fold to 13-fold 増加した。マイルドな全身温熱療法 (39.5°C、4-6 時間) でも CT26 同系マウス大腸癌 + 2つの大腸癌 PDX において IFP 低下・灌流微小血管増加・リポソーマルドキソルビシン腫瘍蓄積 約3-fold 増加が観察され、心臓・腎臓への薬物蓄積には影響しなかった。TSL フォーミュレーション ThermoDox は NCT02112656 (phase I) および NCT02181075 (phase III) で臨床試験中である。
腫瘍プライミング・薬剤耐性回避・ADC の輸送制約：
腫瘍細胞アポトーシス誘導による「腫瘍プライミング (tumour priming)」では、シクロホスファミド・パクリタキセル・TRAIL (TNF-related apoptosis-inducing ligand) 等の投与後に腫瘍細胞密度が1.2-fold to 6-fold 低下し、灌流微小血管数が1.15-fold to 4-fold 増加して IFP が低下した。続いて投与したリポソーム薬剤の送達が1.4-fold to 3-fold 改善し、モノクローナル抗体取り込みが1.25-fold to 3-fold 増加した。また腫瘍プライミング後の第2化学療法投与で腫瘍再増殖期間の延長が一貫して観察された。ADC (MW ~150 kDa) は間質対流依存的輸送 (Pe ≈ 10) であり、結合部位障壁により血管周囲の抗原陽性細胞に集積するが、「バイスタンダー効果 (bystander effect)」(ペイロードが近傍の抗原陰性細胞に拡散) で部分的に補償される。薬剤耐性回避では、pH 5.2 (lysosomal pH) で切断可能なヒドラジン結合を持つドキソルビシン含有ポリマーナノ粒子がエンドサイトーシス経路で取り込まれ、P-グリコプロテイン等の薬物排出ポンプを回避することで、切断可能結合なしナノ粒子と比較して腫瘍細胞への薬物取り込みを4-fold to 5-fold 改善し、4T1 (mouse breast cancer cell line、syngeneic) および MDA-MB-231 xenograft で長期腫瘍制御が得られた。
考察/結論
本レビューは薬物送達を制限する因子 (高IFP・腫瘍血管異常性・ECM 障壁・結合部位障壁) の同定に基づき、血管正常化 (1.25-fold to 3-fold 改善)・ECM 分解 (1.5-fold to 4-fold)・温熱療法+TSL (25-fold)・全身温熱 (3-fold)・腫瘍プライミング (1.4-fold to 3-fold) による薬物送達改善を前臨床モデルで示した。各戦略の改善倍率を直接比較すると温熱療法+TSL の組み合わせが最大の定量的効果を示し、これはこれまでの研究では網羅されていなかった定量的統合 framework である。
既報との相違と新規な独自性: 既報 (Jain Cancer Metastasis Rev 1987、Maeda J Control Release 2000、Minchinton & Tannock Nat Rev Cancer 2006) も輸送の重要性を強調していたが、それらと対照的に、本レビューの新規な点は (1) ペクレ数 (Pe) による拡散・対流の定量的評価を血管腔・間質それぞれで全薬物クラスに体系的接続した点、(2) 各介入の改善倍率を直接比較可能な数値で包括的に網羅した点、(3) ADC の対流依存的輸送と「結合部位障壁」概念を分子量・Pe に基づいて統合した点にある。本研究で初めて TSL + 局所温熱の25-fold 送達増強が他戦略と一覧で対比された。
臨床応用と bench-to-bedside 含意: (1) DCE-MRI 由来の Ktrans を biomarker として活用した個別化薬物送達戦略、(2) bench-to-bedside で TSL (ThermoDox + RFA (radiofrequency ablation) 組み合わせ、NCT02181075 phase III) や PEGPH20 (膵癌 phase Ib で Ktrans 有意増加) が臨床試験段階、(3) 脳転移における BBB (blood-brain barrier) 選択的開口戦略 (focused ultrasound + microbubble) との組み合わせ、(4) cediranib など VEGF-TKI (tyrosine kinase inhibitor) による血管正常化ウィンドウを活用した化学療法・放射線治療タイミング最適化、(5) 運動 (exercise) による慢性的な血管正常化 (calcineurin-NFATC1 (nuclear factor of activated T cells 1)-TSP1 (thrombospondin-1) 軸を介した VEGF 活性抑制) を活用した低侵襲送達増強戦略、が直接的な臨床的意義として提示された。
残された課題と今後の研究展望: 動物モデルでの送達増強がヒトの複雑な腫瘍環境で再現されない translational gap は limitation として明示されている。特に (1) 腫瘍間・腫瘍内 heterogeneity による応答変動 (EPR の大きさが患者間で著しく変動することは PET データが示す)、(2) 原発腫瘍での改善戦略が脳転移巣 (BBB を持つ) に適用できるかは残された課題であり — Bos et al. Nature 2009 が示した乳癌→脳転移 mediator (COX2/HBEGF/ST6GALNAC5) の BBB transit role と組み合わせた薬物送達戦略は novel direction として期待される — (3) Liu et al. CancerPathogTher 2024 が示すように現行の脳転移モデル (BBB-Transwell / organoid / microfluidic) は完全なヒト BBB 複雑性を再現できず、薬物送達定量生物学の future research における多変数モデリングが必要、(4) 親水性薬物 vs 親油性薬物の BBB 透過性差 (octanol/water partition coefficient log P > 2 で透過性が大幅向上) を活かした drug design 戦略は更なる検討に値する。今後の展望として (a) 空間分解能ある輸送パラメータ測定 (intravital microscopy + DCE-MRI) + 数理モデルの統合による患者層別化、(b) BBB 通過最適化ナノ粒子設計、(c) Biermann et al. Cell 2022 の脳転移アトラスを活用した細胞レベル薬物浸透解析、(d) Multiparametric MRI による透過性 + 灌流 + IFP の同時非侵襲定量化、が期待される。
方法
系統的文献レビューとして、PubMed データベースを用いて腫瘍内薬物輸送の物理学的原理・腫瘍血管生物学・薬物送達増強戦略に関する基礎・前臨床・臨床研究データを統合した。数理モデル (コンパートメントモデル・拡散-対流モデル・Starling 仮説に基づく流体力学モデル) と実験的測定データ (蛍光顕微鏡・intravital microscopy・DCE-MRI (dynamic contrast-enhanced MRI)・薬物動態解析) を組み合わせた解析を参照した。Box 形式で溶質浸透距離の定量推定 framework を提示し、ペクレ数・拡散係数 D・薬物取り込み速度定数 ku から浸透距離 dp = (D/ku)^(1/2) (拡散支配・一次速度論の場合) を計算する枠組みを明示した (Box 2)。実験系としては、腫瘍異種移植モデル (FaDu 扁平上皮癌 xenograft・CT26 (mouse colorectal cancer cell line)・MDA-MB-231 (human breast cancer cell line)・SKOV-3 (human ovarian cancer cell line)・KAT-4 (human thyroid carcinoma cell line))、PDX (patient-derived xenograft・大腸癌 2 件)、GEMM (genetically engineered mouse model・KPC (KrasG12D/Trp53R172H mutant pancreatic cancer GEMM) 自然発症膵癌：Kras + Trp53 allele 条件発現)、自然発症猫ワクチン関連肉腫が参照された。定量的エンドポイントは薬物送達の fold-improvement・IFP 変化・灌流改善率・腫瘍増殖遅延であり、臨床試験 (cediranib 再発膠芽腫・PEGPH20 膵癌 phase Ib・ThermoDox NCT02181075 phase III) のデータも定性的に統合した。