背景

個別のがんの遺伝的特性分析が重要となる、個別化精密医療の拡大。米国ブロード研究所は10年前から、がん細胞の生存遺伝子を探索するがん依存性マップ（Cancer Dependency Map、以下DepMap）プロジェクトを主導。遺伝子ハサミ技術により、がん細胞株の遺伝的脆弱性をスクリーニングし、標的治療薬開発の基礎を提供する研究。

しかし、2次元（2D）培養細胞株は、生体内の腫瘍環境を再現するのに限界があった。立体構造を持つ腫瘍の細胞間相互作用や物理的刺激を模倣できないため。これにより、有効な物質が臨床試験で失敗する原因となった。患者由来組織を3次元で培養するオルガノイド（Organoid）とスフェロイド（Spheroid）モデルが代替案として登場したが、大規模なゲノムスクリーニングデータは不足していた。

主要な発見

研究チームは、10種類のがんの148個の次世代3次元（3D）がんモデルを対象に、ゲノム全体のCRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats、以下CRISPR）スクリーニングを実施。このデータを、1,000個以上の既存の2D細胞株の情報と統合分析し、培養環境による遺伝子依存性の変化を特定。3D懸濁培養したニューロスフェア（Neurosphere）と、ゲル内で増殖したオルガノイドは、患者の実際の状態をより正確に反映。

分析の結果、3Dモデルは2D培養では捉えきれない、独自の遺伝的脆弱性を示した。例えば、悪性脳腫瘍である神経膠腫（Glioblastoma）オルガノイドのうち、腫瘍抑制遺伝子であるCDKN2Aが消失した細胞は、正常な対照群と比較してCDK6阻害に対して極めて脆弱であった。これは、既存のCDK6阻害薬を神経膠腫患者の治療に適用する際に、CDKN2A欠失の有無を精密診断バイオマーカーとして導入する根拠を提供する。

膵臓がんなど、消化器系のオルガノイドでも独自の脆弱性が確認された。患者の腫瘍の特異的な遺伝子発現パターンは、3Dオルガノイドでは維持されたが、2D細胞株では消失した。このパターンを示すがん細胞は、WNT（Wingless-related integration site）シグナル伝達経路に生存を強く依存していた。このような脆弱性は3D環境でのみ現れるため、今後の標的治療研究の新たな指標となる。

依存性の変化の具体的な原因も分析した。細胞接着と細胞骨格形成に関わる遺伝子は、物理的な培養形態に敏感に反応した一方、脂質代謝に関わる遺伝子は、培養培地の成分によって調節された。実験目的に合致する適切な培養方法の選択が非常に重要であることを示す証拠である。

意義と展望

今回構築された大規模な3D依存性データは、精密医療の地平を広げる資産である。研究データは、誰でも利用できるようにDepMapポータルとCell Model Passportsに公開された。新規候補物質のスクリーニング段階で、臨床予測の成功率を高める標準的な資料として使用される見込みである。

英国ウェルカム・サンガー研究所（Wellcome Sanger Institute）と米国国立がん研究所（National Cancer Institute、以下NCI）のヒューマン・キャンサー・モデルズ・イニシアチブ（Human Cancer Models Initiative、以下HCMI）などが参加した今回の共同研究は、グローバルながん治療研究のレベルを高めた。オルガノイドバンク情報の統合により、希少がんの分析能力が強化された。ただし、3Dモデルの維持とスクリーニングにかかる高コストは課題である。研究チームは、今後、培養の標準化とコスト削減を目指した後続研究に取り組む予定である。