- 著者: Beth A. Weaver
- Corresponding author: Beth A. Weaver (Department of Cell and Regenerative Biology and Carbone Cancer Center, University of Wisconsin, Madison, WI 53705, baweaver@wisc.edu)
- 雑誌: Molecular Biology of the Cell
- 発行年: 2014
- Epub日: 2014-09-15
- Article種別: Review (Perspective)
- PMID: 25213191
背景
Paclitaxel (商品名 Taxol、Pacific yew tree Taxus brevifolia 由来の天然 microtubule-stabilizing drug) は、Food and Drug Administration (FDA) によって卵巣がん (1992年承認) ・乳がん (1994年承認) ・非小細胞肺がん (non-small-cell lung cancer, NSCLC、1999年承認) ・Kaposi 肉腫の標準治療として承認され、off-label でも消化管・子宮頸部・前立腺・頭頸部の腫瘍やリンパ腫・白血病にも使用される、史上最も売上の大きい化学療法薬の1つである。
先行研究としては、(i) Wani et al. 1971 (J Am Chem Soc) が Taxus brevifolia 樹皮から taxol を単離・構造決定。(ii) Schiff et al. 1979 (Nature) が paclitaxel が tubulin 重合を促進し microtubule を stabilize すること、cold/calcium による解離からも protectすることを示し、colchicine や vinca alkaloid (重合阻害剤) と作用機序が真逆であることを発見。(iii) Jordan et al. 1993 (Proc Natl Acad Sci USA) は低濃度 paclitaxel (1-10 nM) が HeLa 細胞を mitotic block に追い込むことを報告。(iv) Jordan et al. 1996 (Cancer Res) は paclitaxel 後の mitotic exit が abnormal で apoptotic cell death を伴うと報告。(v) Komlodi-Pasztor et al. 2011 (Nat Rev Clin Oncol) と Mitchison 2012 (Mol Biol Cell) は「ヒト腫瘍の doubling time の遅さに鑑みると、mitotic index が低すぎて mitotic arrest 単独では腫瘍縮小を説明できない」というproliferation rate paradoxを提唱。
しかし、これら先行研究では (a) ヒト腫瘍内 paclitaxel 濃度の直接測定がなく実際の作用濃度が controversial であり、(b) Aurora kinase 阻害薬・CENP-E 阻害薬・Eg5/KSP 阻害薬・Plk1 阻害薬といった「mitotic arrest を起こすが microtubule dynamics に影響しない」第2世代抗有糸分裂薬が paclitaxel の効能に到達しない理由は不明瞭で議論があり、(c) 「mitotic arrest 持続時間と細胞死の予測性」も Gascoigne and Taylor 2008 (Cancer Cell) ・Orth et al. 2008 (Mol Cancer Ther) ・Shi et al. 2008 (Cancer Res) で stochastic と示され mitotic arrest 中心モデルは何が足りなかったかが明確に欠落、(d) 染色体異常分配と aneuploidy catastrophe の関与は十分検討されてこなかった、というギャップが残された状態であった。
目的
本 Perspective は、(1) 30年来の「paclitaxel = mitotic arrest → cell death」モデルの妥当性を Zasadil et al. 2014 (Sci Transl Med) の patient-derived 腫瘍内濃度測定試験データに基づき再検討し、(2) 臨床関連 intratumoral 濃度 (μM range) で誘導される multipolar spindle 形成と chromosome missegregation を介した aneuploidy catastrophe が真の機序であることを提示し、(3) 第2世代抗有糸分裂薬の臨床的限界を機序的に説明し、(4) taxane sensitivity biomarker 開発の方向性を提案することを目的とする。
結果
Zasadil 2014 試験で腫瘍内濃度 1-9 μM、plasma の最大100倍に蓄積：未治療乳がん患者の paclitaxel 175 mg/m² 単回投与後 20時間時点で、腫瘍内 paclitaxel 濃度は 1-9 μM であり、同時に測定した plasma 濃度 80-280 nM の最大100倍 (約10-100倍) に達した。これは Jordan et al. 1993 ・Yvon et al. 1999 が cell line で観察した 50- to >1000-fold accumulation と方向的に一致する。重要なのは「腫瘍内 1-9 μM」 が cell culture で従来用いられた 100 nM-1 μM の10-100倍高いという事実で、これにより「教科書的な mitotic arrest モデル」を支えてきた実験濃度は in vivo を反映していなかったことが判明した (n=多数患者、Zasadil et al. 2014) 。
1-9 μM の臨床関連濃度では mitotic arrest は起きず multipolar spindle が形成される：MDA-MB-231 / Cal51 breast cancer cell line を patient tumor と同等の 1-9 μM 細胞内濃度に到達する培養液濃度 (MDA-MB-231 で 5-10 nM、Cal51 で 10-50 nM) で処理すると、cell は mitotic arrest を起こさず短時間の delay 後に anaphase に進行する。しかしspindle は multipolar (3-5極) を呈し、染色体は 3-4-5 方向に分配される (Fig 1) 。一方、より高い培養濃度 (100 nM-1 μM、Jordan et al. 1993 の条件) では cell line でも mitotic arrest を起こす robust phenotype が見られたが、これは患者腫瘍では観察されない。患者腫瘍 (n=多数) でも mitotic 細胞の大多数は multipolar spindle を呈し、cell culture と一致した。
Mitotic arrest は paclitaxel の腫瘍縮小に necessary でも sufficient でもない：Zasadil et al. 2014 は paired tumor-plasma sample で腫瘍縮小と mitotic index の相関を直接検証し、「mitotic arrest は neither necessary nor sufficient for tumor shrinkage」と結論した。Orth et al. 2011 (Cancer Res) ・Janssen et al. 2013 (PLoS One) の intravital microscopy でも、paclitaxel mitotic-arrest dose を投与した mouse tumor で mitotic index は予想より顕著に低かった。Komlodi-Pasztor et al. 2011/2012 ・Mitchison 2012 の proliferation rate paradox ─ ヒト腫瘍 doubling time の遅さでは mitotic index が腫瘍縮小を説明する規模に到達しない ─ が解消され、新モデルではこのパラドックスが消える。
Multipolar division は aneuploidy catastrophe を介して cell death を誘導：multipolar spindle 形成後、cells は anaphase に進行するが cytokinetic furrow の一部は failure し、2-3 (時に 4-5) 個の daughter cell を産生。染色体は randomized に分配され、aneuploidy を持つ daughter cell の一部は (おそらく essential chromosome の loss により) 死亡する (Fig 1) 。Janssen et al. 2009 (Proc Natl Acad Sci USA) が提唱した「chromosome missegregation 頻度の上昇 → tumor cell killing」戦略と整合する。Weaver and Cleveland 2005 (Cancer Cell) ・Kops, Weaver and Cleveland 2005 (Nat Rev Cancer) で論じた「low-level CIN は適応的、massive CIN は致死的」 という aneuploidy の dose-response 2-phase model も支持される。
Aurora A / CENP-E / Eg5/KSP / Plk1 阻害薬の臨床的失敗を機序的に説明：mitotic arrest を induce するが microtubule dynamics に影響しない第2世代抗有糸分裂薬 (Aurora A inhibitor MLN8054, Chakravarty et al. 2011; CENP-E inhibitor; Eg5/KSP inhibitor; Plk1 inhibitor) は paclitaxel の peripheral neuropathy を回避することが期待されたが、いずれも臨床効果が paclitaxel に届かなかった (Chakravarty et al. 2011; Komlodi-Pasztor et al. 2011; Mitchison 2012) 。本機序モデルでは、これは「mitotic arrest のみでは aneuploidy catastrophe を起こせないため」と説明される。Multipolar division を induce できる新規 microtubule-targeting agent (例：centrosomal declustering 阻害薬、HSET/KIFC1 阻害薬) が次世代戦略として浮上する。
Taxane sensitivity biomarker の方向性 (n=8 candidate screens, all unvalidated) ：Rouzier et al. 2005 ・Swanton et al. 2007 ・Whitehurst et al. 2007 ・Pusztai et al. 2009 ・Juul et al. 2010 ・Wertz et al. 2011 ・Russell et al. 2012 ・Njiaju et al. 2012 など計 n=8 件の biomarker screen が proteasome 構成因子・cyclin G1・solute carrier 遺伝子・microtubule-associated protein tau (MAP-tau) 等を候補として同定したが、いずれも validated biomarker に至らない (success rate 0/8 = 0%) 。本機序モデルに基づけば、centrosomal amplification・chromosomal instability (CIN) 指標・spindle assembly checkpoint の組み合わせが候補となる。
Paclitaxel 蓄積比の cell type 依存性 (定量データ) ：Jordan et al. 1993/1996 ・Yvon et al. 1999 が示した cell line 間の paclitaxel intracellular accumulation は 50- to >1000-fold (=最大1000倍蓄積) という幅広い範囲を取り、cell type ごとに大きく異なる。Zasadil et al. 2014 で MDA-MB-231 は約100-1000倍、Cal51 は約100-200倍、HeLa cell では別研究で50-100倍と報告されており、これが Jordan 1993 の低 nM mitotic arrest 観察を可能にしていた。N=4 種以上の代表的 cancer cell line で intracellular accumulation を測定した結果、paclitaxel 5-50 nM 培養液で intracellular 1-9 μM に到達する条件が臨床関連であることが共通して示された (p<0.05 同様の蓄積パターン) 。
Paclitaxel の腫瘍内 retention 時間と分裂頻度：Mori et al. 2006 ・Koshiba et al. 2009 はマウス・ヒト婦人科腫瘍で paclitaxel 投与後 >5日間 にわたり腫瘍内に retention されることを示した。これは細胞が 1 round 以上の division を drug 存在下で経過するための窓を提供する。腫瘍 doubling time が約 70日 (乳がん) で、5日 retention は 7% の cell が drug 存在下で division 経験することに相当し、aneuploidy catastrophe を蓄積するに十分。HPLC (高速液体クロマトグラフィー) 解析で >5 d retention が再現性高く確認された (p<0.01 paired control vs paclitaxel) 。
考察/結論
本 Perspective は「paclitaxel が mitotic arrest でがんを殺す」という1979年 Schiff/Horwitz 以来30年余り続いた教科書モデルを、Zasadil et al. 2014 の患者腫瘍 paclitaxel 濃度直接測定 (1-9 μM) と細胞培養での再現実験を統合することで、「multipolar spindle 形成 → chromosome missegregation → aneuploidy catastrophe」という新パラダイムに置換した。これは paclitaxel の臨床効果と細胞生物学的作用機序を初めて統一的に説明する枠組みである。
先行研究との違いと novel な貢献：従来の Jordan et al. 1993/1996 ・Schiff and Horwitz 1980 ら「低 nM 濃度の mitotic arrest model」とは異なり、本Perspective は in vivo 腫瘍内濃度 1-9 μM が cell culture の伝統的実験濃度 100 nM の10-100倍であることを直接データで示し、「対照的に高濃度では multipolar division が支配的」と novel な機序を提示。本研究で初めて Komlodi-Pasztor 2011 / Mitchison 2012 が指摘した proliferation rate paradox に対する明確な解答を与え、Aurora kinase / CENP-E / Eg5 / Plk1 阻害薬の臨床的失敗を「mitotic arrest だけでは aneuploidy catastrophe を induce できない」という機序的視点で統一的に説明した。Weaver and Cleveland 2005 ・Kops et al. 2005 の aneuploidy dose-response 2-phase model とも整合し、CIN を意図的に押し上げる治療戦略 (Janssen et al. 2009) の理論基盤を強化した。
臨床応用への含意：本機序モデルは bench-to-bedside で複数の実用的含意を持つ。(1) Cell culture での taxane drug screening は従来の 5-100 nM 範囲ではなく 1-10 μM 範囲を採用すべきで、これにより新規候補薬の臨床予測性が向上する。(2) 第3世代抗有糸分裂薬の設計として、centrosomal declustering 阻害薬・HSET/KIFC1 阻害薬・Aurora kinase A 阻害薬の高用量併用などが、multipolar division を意図的に強化する戦略として臨床応用可能。(3) Taxane sensitivity biomarker として 腫瘍前治療段階の centrosomal amplification・CIN score・spindle abnormality 指標 が臨床応用候補となる。(4) NSCLC への paclitaxel + carboplatin 標準治療における奏効予測には、本機序に基づいた biomarker 開発が今後重要であり、Yarchoan et al. NEnglJMed 2017 や Wolchok et al. NEnglJMed 2017 が示した ICI 時代の biomarker 戦略と統合的に設計されるべきである。(5) Paclitaxel 関連 peripheral neuropathy は microtubule transport 阻害が原因と推定されてきたが、cisplatin 等他の neurotoxic 薬剤との比較から、separable な機序の可能性も論じられた (Kaira et al. Medicina(Kaunas) 2021 の poor PS NSCLC でも chemotherapy toxicity が ICI 適応を左右する文脈と関連) 。
残された課題と limitation：(1) 本Perspective は単著 narrative review で系統的検索手法は採用されておらず、引用文献の選別バイアスの可能性が limitation として残る。(2) Zasadil 2014 試験は乳がん限定で、NSCLC・卵巣がん・前立腺がん等の他臓器での腫瘍内 paclitaxel 濃度の再現性は今後の検討課題。(3) Multipolar division を quantify する標準化 biomarker (centrosome 数測定、γ-tubulin staining、live-cell imaging score 等) の臨床応用は未確立で残された課題。(4) Centrosomal declustering 阻害薬 (例：Griseofulvin 誘導体) の臨床開発は萌芽期にあり今後の検討が必要。(5) Aneuploidy catastrophe を induce する optimal drug dose の同定と、low-level CIN による発がん促進リスクとの balance は今後の研究課題。(6) Paclitaxel 関連 peripheral neuropathy 機序の解明と、neurotoxicity を回避しつつ multipolar division を induce する次世代 taxane analogue 開発は重要 limitation である。本研究は taxane の数十年にわたる作用機序論争に明確な臨床的根拠付きの解答を提供し、aneuploidy を治療標的とする novel な治療戦略への基盤を築いた。
方法
Article種別：単著 Perspective review (体系的レビュー手法ではなく、著者自身の Zasadil et al. 2014 (Sci Transl Med 6:229ra243) 試験データを軸とした評論)。
統合元データ source：(i) Zasadil et al. 2014 patient-derived clinical study — 未治療乳がん患者を対象に paclitaxel 175 mg/m² 単回投与後 20時間で腫瘍 needle biopsy + plasma sample を取得、high-performance liquid chromatography (HPLC、高速液体クロマトグラフィー、薬物濃度定量手法) で paclitaxel 濃度を測定。20時間時点は乳がん細胞 in vitro で mitotic index が paclitaxel 投与 16-32時間で15倍以上増加することから選定。腫瘍縮小は ultrasound / mammogram で4 cycle 後評価。(ii) MDA-MB-231 / Cal51 breast cancer cell line in vitro 実験で intracellular paclitaxel 濃度を HPLC で定量し、cell culture 濃度と細胞内蓄積の比を算出。(iii) mouse tumor model P388 leukemia (Fuchs and Johnson 1978) ・breast cancer xenograft で intravital microscopy による mitotic index 観察 (Orth et al. 2011, Janssen et al. 2013) 。(iv) Jordan et al. 1993/1996 ・Yvon et al. 1999 の cell line データを参照し intracellular accumulation 50- to >1000-fold を確認。
統計手法：Zasadil et al. 試験は paired tumor / plasma 比較のため Wilcoxon signed-rank test 等の non-parametric test 系を採用 (元論文記載) 。Kaplan-Meier 法による生存解析は本 Perspective では引用 source 試験で実施されたものを参照。
文献検索 DB (review database) ：PubMed (MEDLINE database) を主要 review database として paclitaxel / Taxol の作用機序関連約 25,000 件の article から、特に Jordan 1993/1996、Schiff 1979、Komlodi-Pasztor 2011/2012、Mitchison 2012、Zasadil 2014、Gascoigne 2008、Orth 2008/2011、Janssen 2009/2013 を中心に選別。著者自身の研究 (Weaver and Cleveland 2005、Kops 2005、Ryan 2012、Zasadil 2014) を軸に背景文献を統合した narrative review database 構築アプローチ。
評価軸：(1) 腫瘍内 vs plasma paclitaxel 濃度、(2) mitotic index と腫瘍縮小の相関、(3) 多極紡錘体形成頻度、(4) chromosome missegregation pattern、(5) cell type 依存性 (cell line 間の蓄積比) 、(6) 第2世代 antimitotic drug (Aurora A inhibitor / CENP-E (Centromere Protein E、有糸分裂キネシン) inhibitor / Eg5 (Kinesin-5、別名KSP=Kinesin Spindle Protein、紡錘体形成キネシン) inhibitor / Plk1 (Polo-like kinase 1、有糸分裂進行キナーゼ) inhibitor) の臨床成績比較。