背景

乳腺がんはがん細胞だけの疾患ではない。がん細胞を取り囲む細胞外マトリクス（extracellular matrix, ECM）、特にコラーゲンの密度と配列も浸潤や転移に関与している。腫瘍近傍のコラーゲンが直線的・密な束に再編されたり、がん境界に垂直に配列される「腫瘍関連コラーゲンサイン（tumor-associated collagen signature, TACS）」は不良予後と関連しているとされている。

しかし通常の組織病理検査では切片作成過程で三次元構造が破壊され、染色画像だけではコラーゲンの分子・超分子配列を定量化するのが困難である。染色なしで線維性コラーゲンを観察する二次高調波発生（second-harmonic generation, SHG）顕微鏡が代替として使われるが、偏光分解SHG（pSHG）データ解析には通常、コラーゲンが円筒形または三方晶系対称を従うという数学的仮定が含まれる。組織ごとに構造が異なるため、特定の対称モデルに合わせた結果が常に有効とは限らない。

イタリアの研究チームはScientific Reportsに発表した研究で、理論的構造モデルなしに整列したコラーゲン束を識別する光学指標を提示した。

核心的発見

研究チームは、乳腺がん患者4人の手術残渣検体から作成した30マイクロメートル厚のホルマリン固定パラフィン包埋切片を分析した。病理医が標記した腫瘍基質と病変周囲組織からレーザー偏光角を変化させながらpSHG画像を取得し、偏光曲線から連続する2つの最小値の正規化されたSHG強度差を「偏光非対称性（polarization asymmetry, PA）」と定義した。180度周期の2つの信号が等しければPAは0に近くなり、差が広がるほどコラーゲンの局所対称性が崩れていることを意味する。

波打つ均一なコラーゲンではPA分布が0を中心に単峰を示した。一方、腫瘍内部の直線的・整列した束では高い絶対値領域が両側に現れる二峰分布が観測された。この非対称性は装置誤差ではなかった。180度区間では曲線が異なっていたが、レーザー偏光を360度回転させたとき全体のSHG強度は再現された。

研究チームはPAとともに曲線最小値の角度である位相シフトφ0、三方晶系対称モデルを適合させて算出した二次非線形感受性成分|χyyy|も比較した。適合分析には決定係数R²が0.99以上の画素のみを含めた。整列した束ではPAと|χyyy|が高く、φ0は約90度の差を示す二峰分布を形成した。20×20マイクロメートルタイルごとの標準偏差SD_PAとSD_φ0も腫瘍組織で病変周囲組織より高かった（p<0.001）。異なる方向の微細繊維が局所的に交差・絡まり、巨視的には整列した束を形成する超分子構造を解釈した。

意義と展望

PAは複雑な曲線適合や事前対称仮定なしに2つの信号の差だけで計算できる。研究チームが構造と力学特性がよく分かっている人間の角膜でも同じ分析を実施したところ、縫合層板のようにコラーゲン配列が複雑な領域で乳腺がん基質と類似した信号が再現された。特定のがんに限定されず線維化疾患や他のコラーゲン豊富組織にも適用できる可能性を示した。

ただし今回の結果は4人の患者組織を対象とした探索的分析である。PAががんのグレード、分子サブタイプ、再発または生存を予測するかどうかは検証されていない。複数の偏光角で同じ視野を繰り返し撮影しなければならないため取得時間が長いというpSHG自体の制約も残る。コラーゲン信号と実際の組織強度の関係も直接測定していないため、生体力学検査と大規模臨床コホートの交差検証が必要である。