- 著者: Meilian Zhuo, Yong Li, Yifeng Zhang, Chenlu Yang, Di Zou, Wenhao Xu, Jing Han, Saisai Wang, Haohao Deng, Xu Pan, Ruikang Dun, Ruizhe He, Yihong Shi, Xianlin Han, Taiping Zhang, Weibin Wang, Menghua Dai, Qiang Xu, Lulu Liu, Wenze Wang, Yuanhao Liu, Mingyang Liu, Ziqing Deng, Yupei Zhao, Wenming Wu, Junya Peng, Mo Chen, Charles J. David
- Corresponding author: Yong Li (Tianfu Jincheng Laboratory); Ziqing Deng (BGI Research); Yupei Zhao (Peking Union College Hospital); Wenming Wu (Peking Union College Hospital); Junya Peng (Peking Union College Hospital); Mo Chen (Tsinghua University); Charles J. David (Tsinghua University)
- 雑誌: Cancer Cell
- 発行年: 2026
- Epub日: 2026-03-21
- Article種別: Original Article
- PMID: 42066759
背景
膵管腺癌 (PDAC: pancreatic ductal adenocarcinoma) は、5年生存率が約10%と極めて予後不良な悪性腫瘍であり、早期発見の困難さや強力な浸潤能がその要因である (Mizrahi et al., 2020; Ryan et al., 2014)。PDACの主要な前駆病変である膵上皮内腫瘍 (PanIN: pancreatic intraepithelial neoplasia) は、中年以降の健常人の過半数に存在するが、実際に浸潤癌へと進行する割合は極めて低い (Carpenter et al., 2023)。PanINからPDACへの移行は、腫瘍細胞が基底膜 (BM: basement membrane) を突破し、導管外の実質組織へと浸潤する能力を獲得することによって定義される。しかし、この悪性転換を駆動する詳細な転写プログラムや特異的な遺伝子群は十分に解明されておらず、大きな「knowledge gap」が存在していた。
これまで、がんの浸潤や転移を説明する主要な概念として上皮間葉転換 (EMT: epithelial-to-mesenchymal transition) が注目され、マウスモデルにおいてもその関与が示唆されてきた (Rhim et al., 2012)。しかし、ヒトPDACの臨床検体における組織学的解析では、広範なEMTを示す細胞は全体の約16%と稀であり、むしろ上皮としての同一性を維持したまま集団的に浸潤するプロセスが観察される (Iacobuzio-Donahue et al., 2009)。このように、上皮の性質を保ったまま浸潤能を獲得する具体的な分子機構は「未解明」であり、これを説明するための基礎研究および臨床的知見が著しく「不足」していた。本研究は、この未開拓の領域に焦点を当て、高解像度の空間トランスクリプトミクス技術を駆使して、PanINからPDACへの悪性転換を駆動する保存された転写プログラムを同定しようとしたものである。
目的
本研究の目的は、高解像度空間トランスクリプトミクス技術である Stereo-seq (Spatial Enhanced Resolution Omics-Sequencing) を用いて、ヒトPDACにおける悪性形質と空間的局在を規定する保存された遺伝子発現プログラムを同定することである。さらに、同定されたプログラムが、前駆病変であるPanINから浸潤癌であるPDACへの進行過程において果たす機能的役割、その活性化を制御するマスター転写因子 (TF: transcription factor) の同定、および腫瘍細胞と周囲の微小環境を構成するがん関連線維芽細胞 (CAF: cancer-associated fibroblast) との相互作用（腫瘍間質クロストーク）を分子レベルで解明することを目指す。これにより、PDACの浸潤プロセスを標的とした新たな治療戦略の基盤を確立することを目的とする。
結果
空間トランスクリプトミクスによる悪性上皮プログラムMP10の同定: Stereo-seqデータから13のメタプログラムを同定し、そのうち腫瘍細胞特異的なプログラムとしてMP10とMP11を見出した (Fig 1)。MP11は良性腺管形態に対応する classical サブタイプに類似していたが、MP10は basal-like サブタイプに対応し、浸潤性癌細胞に特異的であった。基底膜を突破する微小浸潤細胞のほぼ100%がMP11からMP10へのスイッチングを示し、血管浸潤細胞もMP10を特異的に発現していた。検証コホート17例 (n=17 patients) の解析において、MP10陽性細胞の割合は悪性領域で有意に高かった (p<0.0001)。また、MP10高発現は全PDACコホートにおいて生存率の低下と強く相関した。さらに、MP10発現細胞はCDH1やEPCAMなどの上皮マーカーの発現を維持しており、VIM（ビメンチン）などの間葉系マーカーは低発現であった。このことは、MP10がEMTとは明確に異なる、上皮の同一性を保持したプログラムであることを示している。
PanINからPDACへの進行過程におけるMP10の活性化とTSGによる制御: マウスモデルを用いた解析において、良性のPanIN病変はMP11優位であったが、Cdkn2a または Trp53 の欠失によるPDAC進行時にMP10が強く誘導された (Fig 2)。シングルセル解析 (scRNA-seq) では、PanIN内にMP10を発現する稀少細胞が 4% 未満 (n=3 mice) 存在することが判明した。これらの細胞は高い Kras 発現を示す一方で、Cdkn1a、Cdkn2a、Cdkn2b などの腫瘍抑制遺伝子 (TSG) も同時に高発現していた。このことは、初期の悪性細胞がTSGによって増殖抑制されていることを示唆する。実際に、PanIN形成後にTSGをノックアウトしたモデル (n=8 mice) では、3週間以内に全面的な悪性転換と実質への浸潤が生じ、MP10陽性細胞の割合が約30%にまで急増した (Fig 3)。この急速な悪性転換プロセスにおいて、細胞は腺管構造を失い、周囲の膵実質へとバラバラに浸潤していく様子が観察された。
皮膚再上皮化プログラムとの高度な遺伝子保存性と機能的必須性: MP10のコア遺伝子群を解析したところ、創傷治癒時に遊走するケラチノサイトのプログラムである皮膚再上皮化 (CR: cutaneous re-epithelialization) プログラムと著しく類似していることが判明した (Fig 4)。これには、ヘミデスモソーム (HD: hemidesmosome) 構成因子 (LAMC2, LAMA3, LAMB3, ITGB4, ITGA6, PLEC, COL17A1) や、プラスミノーゲン活性化系 (F3, PLAU, PLAUR) が含まれていた。マウス創傷モデルにおいて、これらの遺伝子は創傷辺縁の遊走ケラチノサイトで特異的に誘導された。機能検証として、CR因子である Lamc2、Itgb4、または F3 をノックアウトしたマウスモデル (n=5 mice) では、TSG欠失によるPDAC形成がほぼ完全に抑制され、腫瘍形成率が著しく低下した (p<0.0001)。また、EGFR阻害剤エルロチニブ (erlotinib) またはmTOR阻害剤ラパマイシン (rapamycin) による治療により、Matrigelプラグ周囲への浸潤細胞数が約5-fold減少した。
転写因子FOSL1によるMP10プログラムの直接的制御: ATAC-seqを用いたオープンクロマチン解析およびTOBIASフットプリント解析により、PDAC進行時および皮膚創傷治癒時の両方において、AP-1転写因子モチーフのアクセス可能性が最も強く上昇していることが明らかになった (Fig 5)。AP-1ファミリーの中で、FOSL1はヒトおよびマウスの浸潤性PDAC細胞で最も強く発現上昇していた。Fosl1 および Junb のダブルノックアウト (n=7 mice) は、TSG欠失によるPDAC進行を有意に抑制した (p<0.01)。逆に、FOSL1の強制発現は、TSGの欠失がない状態でもPanINの全面的な悪性転換と浸潤を誘導した。ChIP-seq解析により、FOSL1は Lamc2 や F3 などの主要なCR遺伝子のプロモーターおよびエンハンサー領域に直接結合し、その転写を活性化することが確認された (Fig 6)。さらに、FOSL1は Cdkn2a の長距離エンハンサー領域にも結合し、その発現を直接活性化していることが判明した。
CTHRC1陽性myCAFとのEGFRシグナルを介した腫瘍間質相互作用: Stereo-seqの空間隣接解析により、CTHRC1高発現を示す myCAF (MP4) が、MP10陽性のがん細胞に特異的に近接して存在していることが明らかになった (Fig 7)。このMP4 CAFは、皮膚創傷治癒時に出現する創傷特異的線維芽細胞と高度に類似した遺伝子シグネチャーを有していた。ヒトおよびマウスの単一細胞解析において、MP4 CAFはPanINからPDACへの進行に伴って有意に増加した。機能的に、MP4 CAFの条件培地 (CM) は、がん細胞の FOSL1 発現を約2.5-foldに誘導した (Fig 8)。この誘導効果は、EGFR阻害剤エルロチニブの添加によって完全に消失した (IC50 50 nM)。CCC (cell-cell communication) 解析により、MP4 CAFが産生する非標準的EGFRリガンド (CTHRC1, CCN2, VCAN) が、がん細胞のEGFR活性化 (Y1068リン酸化) を介してFOSL1発現を維持する、創傷治癒に類似したポジティブフィードバックループを形成していることが示された。この相互作用ループの遮断は、PDACの浸潤を抑制する有望な標的となる。
考察/結論
本研究は、PDACの悪性形質および浸潤プロセスが、皮膚創傷治癒時における再上皮化プログラムの「乗っ取り」によって駆動されていることを明らかにした極めて画期的な成果である。
先行研究との違い: 従来の癌浸潤モデルでは、上皮細胞が個別に遊走能を獲得するEMTが主要なドライバーであると考えられてきた。しかし、実際のヒトPDAC臨床検体において広範なEMTを示す細胞は極めて稀であるという事実と異なり、本研究が同定したMP10プログラムは、上皮としての同一性（CDH1やEPCAMの発現）を完全に維持したまま、集団的な浸潤を可能にする系統特異的な遊走プログラムである。この点で、本研究は従来のEMT中心の浸潤モデルとは一線を画している。
新規性: 本研究は、高解像度空間トランスクリプトミクス技術を駆使することにより、皮膚の再上皮化プログラムに類似した上皮メタプログラムMP10を本研究で初めて同定した。さらに、このプログラムが転写因子FOSL1によって直接制御されていること、および周囲のCTHRC1陽性myCAF（MP4）とのEGFRシグナルを介した相互作用ループによって維持されているという新規の腫瘍間質クロストーク機構を明らかにした。
臨床応用: 本研究の知見は、PDACの浸潤および進行を阻止するための新たな治療戦略の臨床応用に直結する。特に、既存のEGFR阻害剤（エルロチニブなど）やmTOR阻害剤（ラパマイシンなど）が、この再上皮化プログラムを抑制し、がん細胞の浸潤能を劇的に低下させることが示された。これは、難治性であるPDACに対するドラッグリパーパシング（既存薬再開発）の可能性を示すものであり、極めて重要な臨床的意義を持つ。
残された課題: 今後の検討課題として、ヒトPDACにおけるFOSL1/CR経路の直接的な治療標的化の安全性を検証することが挙げられる。また、本研究のlimitationとして、MP10プログラムが膵臓以外の他のヘミデスモソーム発現腫瘍（肺扁平上皮癌など）においても同様の役割を果たしているかどうかの検証が不十分であり、今後の研究においてさらなる解明が期待される。
方法
本研究では、治療歴のないヒトPDAC切切除標本10例 (n=10 patients) を用いて、高解像度空間トランスクリプトミクス技術である Stereo-seq 解析を実施した。取得された空間発現データに対し、非負値行列因子分解 (NMF: nonnegative matrix factorization) を適用して、腫瘍細胞および間質細胞におけるメタプログラム (MP: meta-program) を同定した。
動物実験においては、Pdx1-Cre; LSL-Kras[G12D] (KC) マウス、Pdx1-Cre; LSL-Kras[G12D]; Cdkn2a[fl/fl] (KIC) マウス、Pdx1-Cre; LSL-Kras[G12D]; Trp53[fl/fl] (KPC) マウスなどの遺伝子改変マウスモデルを使用した。これらのマウスはいずれも C57BL/6J などの遺伝的背景を持つ。また、アデノ随伴ウイルス (AAV: adeno-associated virus) 8型を用いて、膵臓特異的にsgRNA (single guide RNA) を導入するシステムを構築し、dox (doxycycline) 誘導性Cas9マウス (TO-Cas9) と組み合わせることで、PanIN形成後に腫瘍抑制遺伝子 (TSG: tumor suppressor gene) である Cdkn2a、Trp53、Smad4 をノックアウト (KO: knockout) するモデル (PanIN-KO) を確立した。
細胞実験では、ヒトPDAC細胞株である T3M4 および ASPC1 を使用した。さらに、患者由来の初代培養CAF (hCAF1, hCAF2, hCAF3) を樹立し、がん細胞との共培養実験や、CAFの条件培地 (CM: conditioned medium) を用いた刺激実験を行った。
エピゲノム解析として、PanINおよびPDACのマウス腫瘍から単離した上皮細胞を用いて、オープンクロマチン領域を同定する ATAC-seq (assay for transposase-accessible chromatin using sequencing) を実施し、TOBIAS ソフトウェアを用いた転写因子フットプリント解析を行った。また、転写因子 FOSL1 および JUNB のゲノム結合領域を特定するため、ChIP-seq (chromatin immunoprecipitation sequencing) を実施した。
統計解析には、2群間の比較として Student’s t-test を、CAFの組成変化などの解析には Fisher’s exact test を用いた。生存解析には Kaplan-Meier 法およびログランク検定を適用した。