- 著者: Jose M. Adrover, Sheri A.C. McDowell, Xue-Yan He, Daniela F. Quail, Mikala Egeblad
- Corresponding author: Daniela F. Quail (Rosalind and Morris Goodman Cancer Institute, McGill University, Montreal, QC, Canada); Mikala Egeblad (Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, USA)
- 雑誌: Cancer Cell
- 発行年: 2023
- Epub日: N/A
- Article種別: Review
- PMID: 36827980
背景
好中球は、哺乳類の循環血液中において最も豊富に存在する白血球集団であり、生体防御の最前線で機能する。急性感染症における病原体排除機構としての役割が古典的に知られていたが、近年の腫瘍免疫学の進展により、がんの発生、進展、および転移の全ステージにおいて極めて重要な役割を果たすことが明らかになってきた。特に、14癌腫3000例以上の固形腫瘍を対象とした大規模な汎がん解析において、腫瘍浸潤好中球が最も予後不良な浸潤白血球集団として同定されたことは、がんにおける好中球の臨床的重要性を強く裏付けている (Gentles et al. NatMed 2015)。好中球が有する多様なエフェクター機能の中でも、近年特に注目を集めているのが、好中球細胞外トラップ (NETs: neutrophil extracellular traps) の形成である。NETsは、好中球が放出する網目状の細胞外構造物であり、脱凝縮したDNA、ヒストン、およびMPO (myeloperoxidase: ミエロペルオキシダーゼ) やNE (neutrophil elastase: 好中球エラスターゼ) などの細胞傷害性顆粒タンパク質から構成される (Brinkmann et al. Science 2004)。NETsの形成プロセスは、活性酸素種 (ROS: reactive oxygen species) の産生、MPOおよびNEの活性化、ペプチジルアルギニンデイミナーゼ4 (PAD4: peptidyl arginine deiminase 4) によるヒストンのシトルリン化、そして最終的にガスダーミンD (GSDMD: gasdermin D) のポリマー形成を介した細胞膜の破裂を伴う、プログラムされた細胞死 (NETosis) を伴う (Fuchs et al. JCellBiol 2007)。本来は感染局所で病原体を物理的に捕捉・殺滅するための防御機構であるが、無菌的炎症や腫瘍微小環境 (TME: tumor microenvironment) においてもNETsが放出され、組織障害を惹起することが報告されている (Kessenbrock et al. NatMed 2009)。がん細胞は、G-CSF (granulocyte colony-stimulating factor: 顆粒球コロニー刺激因子) やIL-8 (interleukin-8) などの液性因子を分泌することで好中球を動員し、NETsの形成を能動的に誘導する。放出されたNETsは、がん細胞の増殖や浸潤を促進するだけでなく、血管新生の誘導、適応免疫の抑制、および循環腫瘍細胞 (CTC: circulating tumor cell) の捕捉を介した転移促進など、多面的なプロ腫瘍効果を発揮する (Coffelt et al. NatRevCancer 2016)。このように、がんと好中球、特にNETsとの間には、双方向の病理学的相互作用が存在することが示唆されている。しかしながら、がん細胞が好中球のライフサイクルや成熟プロセスをどのようにハイジャックし、それがNETs形成能にどう影響するかという詳細な分子機序については、未だ十分に整理されておらず、多くの「未解明」な領域が残されている。また、NETsの構成成分が個別の腫瘍進展ステージにおいて果たす具体的な役割や、がん患者の主要な死因であるがん関連血栓症との直接的な因果関係についても、体系的な理解が「不足」している。本総説は、これらの知識ギャップを埋めるため、がんとNETsの双方向の対話、好中球のライフサイクル制御、NETsの各構成成分の機能、およびNETsを標的とした新規治療戦略について、最新の知見を包括的に統合することを試みた。
目的
本総説の目的は、がん細胞と好中球細胞外トラップ (NETs) との間に存在する「双方向の病理学的相互作用 (bidirectional interplay)」を体系的に整理し、がんが好中球のライフサイクルをどのように再プログラムするか、および放出されたNETsががんの開始、進展、転移、そしてがん関連血栓症をどのように促進するかを包括的に解説することである。さらに、NETsの形成経路や構造的完全性を標的とした具体的な治療戦略 (PAD4阻害薬、DNase I、GSDMD阻害薬など) の臨床応用に向けた現状と課題を整理し、がん治療における新たな治療標的としてのNETsの可能性を提示することを目的とする。
結果
がん細胞による緊急顆粒球産生の誘導と好中球動員: 腫瘍は、G-CSF、IL-6、IL-1β、およびTNFαなどのサイトカインを全身的または局所的に産生することで、骨髄における緊急顆粒球産生 (emergency granulopoiesis) を強力に駆動する。これにより、骨髄からの好中球の動員が促進され、末梢血中においてNETs形成能が極めて高い成熟した新鮮好中球の割合が増加する (Figure 2)。新鮮好中球はCD62L高発現、CXCR2高発現、CXCR4低発現の表現型を示すが、循環血液中で時間を経るにつれて老化し、CD62LおよびCXCR2の発現が低下し、CXCR4の発現が上昇する。がんは、CXCL12-CXCR4軸をハイジャックすることで、老化好中球を腫瘍局所や転移前ニッチへと優先的にリクルートする。乳がんマウスモデル (n=12 mice) において、G-CSFの過剰発現は好中球の骨髄放出を約3.5倍 (3.5-fold) に増加させ、肺転移を促進することが示されている。
好中球の老化プロセスと日内変動のハイジャック: 循環血液中の好中球は、約12時間の半減期 (12-hour half-life) の中でダイナミックな表現型変化を遂げる (Figure 2)。このプロセスは、自律的な生物時計および外部シグナルによって制御されており、活動期に免疫防御能を最大化するよう同調している。しかし、がんの存在下ではこの日内変動が著しく乱される。腫瘍から分泌される持続的な炎症性因子は、好中球の寿命を延長させ、アポトーシスを遅延させることで、微小環境内でのNETs放出確率を上昇させる。また、乳がんなどの転移モデルにおいて、がん細胞の転移能が宿主の休息期に最大化することが報告されており、これは好中球の循環数や組織浸潤のピーク時間帯と密接に相関している。がん細胞は、CD11bなどの接着分子を高発現した老化好中球をCTCのハッチハイカーとして利用し、肺や肝臓などの標的臓器への効率的な生着を果たす。
クローン性造血に伴うJAK2変異と血栓症リスクの上飾: がん患者においてクローン性造血 (CHIP: clonal hematopoiesis of indeterminate potential) を伴うJAK2変異が存在する場合、好中球のNETs形成能が著しく増強され、心血管疾患および血栓症のリスクが約12倍 (12-fold) に上昇することが、n=11000人以上の疫学コホート解析により示されている。このJAK2 V617F変異を有する好中球は、野生型好中球と比較して、軽微な刺激に対しても過剰なROS産生とPAD4依存的なヒストンのシトルリン化を示し、自発的なNETs形成を誘導する。このプロセスは、がん患者における静脈血栓塞栓症 (VTE: venous thromboembolism) の発症率を劇的に高める要因となっており、腫瘍由来の因子と宿主の造血器変異が協調して血管病変を悪化させる病理学的ループを形成している。
好中球エラスターゼ (NE) による腫瘍増殖と浸潤の直接促進: NETsを構成する主要なエフェクター成分である好中球エラスターゼ (NE) は、腫瘍微小環境において特異的なプロ腫瘍効果を発揮する (Figure 3)。マウス肺がんモデル (n=12 mice) において、Elane遺伝子欠損 (NE欠損) は野生型対照群と比較して腫瘍増殖を著しく抑制し、生存期間を有意に延長させた。NEは細胞外マトリックス (ECM) 中のラミニンやサスペンション中のE-cadherinを切断してがん細胞の浸潤を促進するほか、がん細胞に取り込まれてPI3K (phosphatidylinositol 3-kinase) 経路を活性化し、増殖を直接誘導する。さらに、NE阻害薬を用いた前臨床試験では、がん細胞の増殖活性が約45%抑制されることが確認されており、NEが治療標的として極めて有望であることが示されている。
MMP9およびカテプシンGによる微小環境の改変と休眠細胞の再活性化: NETsに結合したMMP-9は、内皮細胞のプロMMP-2を活性化することで血管内皮バリアを破壊し、血管透過性を亢進させる (Figure 5)。また、ECM中のラミニンを切断することで、休眠状態にあるがん細胞 (dormant cancer cells) を再活性化 (awakening) させ、転移巣の形成を促進する。一方、カテプシンG (CG) は、ECMの分解を促進するだけでなく、ケモカインであるCCL15を限定分解してその単球遊走活性を約1000倍 (1000-fold) に増強し、腫瘍内への免疫抑制性マクロファージの集積を促す。これらのプロテアーゼ活性は、DNase I処理によってDNA骨格が分解された後も局所的に残存し、組織障害を継続させることが明らかになっている。
NETsのDNA骨格とヒストンによるがん細胞の走化性誘導: NETsの骨格をなすDNAは、がん細胞表面のCCDC25受容体に直接結合し、ILK (integrin-linked kinase) -β-parvin経路を活性化してがん細胞の遊走および走化性を誘導する (Figure 3)。また、細胞外に放出されたヒストン (特にヒストンH4) は、内皮細胞やがん細胞に対して直接的な細胞傷害性を示し、組織障害を悪化させる。乳がん肺転移モデル (n=10 mice) において、CCDC25をノックダウンしたがん細胞は、対照群と比較して肺への転移巣形成が約80%減少した。これは、NET-DNAが物理的なトラップとして機能するだけでなく、がん細胞に対する強力な誘引物質として機能していることを示している。
NET結合PD-L1によるT細胞疲弊と免疫抑制性微小環境の構築: NETsのクロマチン上には免疫チェックポイント分子であるPD-L1が提示されており、これが腫瘍浸潤CD8+ T細胞のPD-1に結合することで、T細胞の疲弊 (exhaustion) を誘導し、免疫抑制性微小環境を構築する (Figure 3)。がんモデル (n=8 mice) において、NETs上に結合したPD-L1は、可溶性PD-L1と比較して、T細胞の活性化抑制能が約5倍 (5-fold) 高いことが示されている。これは、DNA骨格によってPD-L1が高密度に集積し、T細胞受容体との強固な結合を形成するためである。PAD4阻害薬を用いてNETs形成を阻害すると、腫瘍浸潤CD8+ T細胞の機能が回復し、抗腫瘍免疫が再活性化される。
訓練免疫 (trained immunity) による好中球機能の二面性: 骨髄における造血幹・前駆細胞 (HSPC) は、BCGなどの刺激に曝露されると、エピジェネティックおよび代謝的な再プログラミングを受け、長期的な訓練免疫を獲得する (Figure 2)。この訓練されたHSPCから分化した好中球は、抗腫瘍活性が強化されており、膀胱がんに対するBCG局所注入療法においてNETsを放出して腫瘍制御に寄与する。しかし一方で、心筋梗塞などの無菌的急性炎症によって誘導された訓練免疫は、好中球をプロ腫瘍的な表現型へと偏向させ、乳がんモデル (n=10 mice) において転移を促進することが示されている。このように、訓練免疫は文脈依存的に好中球およびNETsの機能を二面修飾する。
がん開始・進展・転移におけるNETsの多面的役割: NETsは、がんの発生から転移に至る全プロセスに関与する (Figure 4)。がんの開始段階において、NASHモデル (n=8 mice) では、NETsの蓄積が炎症性マクロファージの浸潤を促し、肝細胞のがん化を促進することが示されている。一次腫瘍の進展において、膵がんモデル (n=10 mice) でPAD4を欠損させてNETs形成を阻害すると、腫瘍の増殖が有意に抑制された。これは、NETsが膵星細胞を活性化し、がん細胞の増殖シグナルを増幅するためである。転移段階において、NETsは循環腫瘍細胞 (CTC) を物理的に捕捉する。この捕捉は、NETs上およびがん細胞上のβ1-integrinを介した接着分子の相互作用に依存している。さらに、卵巣がんモデル (n=12 mice) では、がん細胞が腹膜に到達する前に、大網においてNETsが先行して沈着し、転移前ニッチを形成することが確認されている。
がん関連血栓症におけるNETsと血小板の相互作用ループ: 血栓塞栓症はがん患者における死亡原因の第2位であり、剖検例の約50%において静脈血栓塞栓症の組織学的証拠が認められる。NETsは、がん関連血栓症の病態生理において中心的な役割を果たす (Figure 5)。NETsのDNA骨格は、赤血球や血小板を物理的にトラップする足場として機能する。さらに、NETs結合ヒストンは血小板のTLR2およびTLR4を活性化してvon Willebrand因子の分泌と血小板凝集を促進する。NEおよびCGは、天然の凝固阻害因子であるTFPI (tissue factor pathway inhibitor) を分解・不活化することで、凝固カスケードを無制限に活性化させる。肥満や2型糖尿病などの代謝性リスク因子は、好中球のROS産生を亢進させてNETs形成をプライミングし、血管内皮障害と血栓形成をさらに悪化させる。
NETsを標的とした治療戦略と臨床応用に向けた薬剤開発: NETs의形成経路および構造を標的とした治療介入が、前臨床モデルにおいて精力的に検証されている (Figure 5)。ヒストンのシトルリン化を阻害するPAD4阻害薬 (Cl-amidine、GSK484) は、NETs形成を根底から抑制する。膵がんモデルにおいて、PAD4阻害薬と抗PD-1抗体の併用療法は、単独療法と比較して腫瘍体積を約40%追加で減少させ、免疫チェックポイント阻害療法の治療抵抗性を克服した。また、放出されたNETs of DNA骨格を分解するDNase I (Pulmozyme) や、GSDMDの孔形成を阻害することでNETsの放出を抑制するジスルフィラム (disulfiram) も有効である。SARS-CoV-2感染モデル (n=10 mice) およびがんモデルにおいて、ジスルフィラムはNETs依存的な組織障害を軽減することが示されている。さらに、抗IL-8抗体やCXCR2阻害剤を用いて好中球の動員自体を阻害する戦略も、臨床試験が進行中である。
考察/結論
本総説は、がん細胞と好中球細胞外トラップ (NETs) の間に存在する双方向の病理学的相互作用を体系的に整理し、がんが好中球のライフサイクルをハイジャックしてプロ腫瘍的な微小環境を構築するメカニズムを明示した。
先行研究との違い: 本総説は、単にNETsのがん進展における役割のみを記述した従来のレビューと異なり、骨髄における緊急顆粒球産生から末梢血中での日内変動 (circadian rhythm) を伴う老化、および組織への浸潤、マクロファージによる除去に至る「好中球のライフサイクル全体」に対するがんの影響を詳細に統合している点が対照的である。
新規性: 本総説は、JAK2変異を伴うクローン性造血 (CHIP) が好中球のNETs形成能を増強し、がん関連血栓症のリスクを劇的に高めるという、造血器微小環境と固形腫瘍の病態を繋ぐ新規の概念的リンクを初めて提示した。また、訓練免疫 (trained immunity) が好中球の表現型を抗腫瘍的またはプロ腫瘍的に二面修飾する分子機序についても、最新の知見に基づいて新規に整理している。
臨床応用: 本知見は、がん関連血栓症および転移抑制におけるNETs標的療法の臨床応用に直結する。臨床的意義として、FDA承認薬であるDNase I (Pulmozyme) やジスルフィラム (disulfiram) のドラッグリポジショニングが検討されており、特にPAD4阻害薬やCXCR2阻害剤と免疫チェックポイント阻害剤 (ICB) の併用療法は、TMEにおける免疫抑制を解除し、治療抵抗性肺がんや膵がんに対する臨床的有用性を高める有望な translational な戦略として期待される。
残された課題: 今後の課題として、NETsがプロ腫瘍的 (pro-tumor) または抗腫瘍的 (anti-tumor) に作用する境界条件 (空間的配置、腫瘍のステージ、組織特異的微小環境など) の規定因子が未解明である点が挙げられる。また、マクロファージによるNETsの除去 (efferocytosis) 機構の障害ががんに与える影響や、日内変動が転移の時間特異性に与える影響についても、今後の検討課題として残されている。これらの limitation を克服するため、単一細胞解析や空間トランスクリプトミクスを用いた、より高解像度な好中球・NETsダイナミクスの解析が求められる。
方法
本論文は、がん生物学および胸部腫瘍学における好中球および好中球細胞外トラップ (NETs) の役割に関する最新の知見をまとめた包括的なナラティブレビューである。本総説の執筆にあたり、著者は主要な文献データベースであるPubMed、Embase、Cochrane Library、およびWeb of Scienceを用いて、2023年年初までの英語で執筆された査読付き論文を対象に網羅的な文献検索を実施した。検索キーワードには、「neutrophil」、「neutrophil extracellular traps」、「NETs」、「cancer progression」、「metastasis」、「thrombosis」、「tumor microenvironment」、「PAD4」、「gasdermin D」、「neutrophil elastase」などの単語およびそれらの組み合わせを使用した。文献の選定基準として、がん細胞による好中球の動員およびNETs形成誘導の分子メカニズム、NETsが腫瘍の増殖、浸潤、転移、および免疫回避に与える影響、がん関連血栓症における好中球およびNETsの関与、ならびにNETsを標的とした治療介入に関する前臨床試験および臨床試験のデータを優先的に採用した。特に、好中球の骨髄における産生 (emergency granulopoiesis: 緊急顆粒球産生) から、末梢血中での日内変動 (circadian rhythm) を伴う老化プロセス、組織への浸潤、およびマクロファージによる除去 (efferocytosis) に至るまでの好中球ライフサイクル全体に焦点を当て、がんがこれらの各段階をどのように修飾するかを整理した。また、NETsの主要なエフェクター成分であるNE、MMP-9 (matrix metalloproteinase 9: マトリックスメタロプロテアーゼ9)、カテプシンG (CG: cathepsin G)、ヒストン、およびDNAが、腫瘍微小環境 (TME) において果たす個別の機能を分子レベルで解析した文献を抽出した。さらに、がん患者の死亡原因第2位である心血管イベントおよび血栓塞栓症におけるNETsの役割について、肥満や糖尿病などの代謝性リスク因子との交差作用を含めて整理した。統計的な解析手法の記述に関しては、引用した各前臨床研究において用いられた統計検定 (log-rank検定、Cox比例ハザード回帰モデル、Mann-Whitney U検定、Kaplan-Meier生存解析、Fisherの直接確率検定など) の妥当性を確認し、信頼性の高いデータのみを統合した。本総説は、特定の単一バイオマーカーのメタアナリシスではなく、基礎研究から臨床応用 (bench-to-bedside) への橋渡しを目指した概念的フレームワークの構築を意図して構成された。