背景

癌治療に新たな一歩を踏み出した免疫チェックポイント阻害剤（Immune Checkpoint Inhibitor; ICI）は、患者の免疫システムを活性化して癌細胞を攻撃する原理で作用する。しかし、膵癌や大腸癌のように堅牢な固形癌では、一部の患者にのみ治療効果が現れるという限界が指摘されてきた。このような低い反応率の主要な原因として、腫瘍微小環境（Tumor Microenvironment; TME）の独特な物理的構造が挙げられる。 腫瘍内部の血管は、正常な血管とは異なり、無秩序にねじれており、血管壁がゆるいため、物質が容易に漏れ出すという特徴がある。血液が適切に循環せず、極度の低酸素状態（Hypoxia）に陥り、抗癌剤やCD8+ T細胞（Cytotoxic T Cell）などの免疫細胞の浸潤を妨げる障壁が形成される。これまで医療界は、血管を正常化し、低酸素症を緩和できる物質として、一酸化窒素（Nitric Oxide; NO）に注目してきた。しかし、全身投与は副作用が大きい。NOの半減期が非常に短く、気体状態で急速に拡散するため、重度の低血圧などを引き起こす可能性がある。

主要な発見

北京大学第三病院（Peking University Third Hospital）のXiaolong Liang教授の研究チームは、癌細胞が密集した低酸素領域を探し出して増殖する大腸菌ニッスル1917（Escherichia coli Nissle 1917; EcN）の特性に注目した。EcNを伝達体として利用し、その限界を克服しようとした試みである。研究チームは、この細菌が体内でNOを継続的に放出するように遺伝子を再設計し、治療物質の伝達体として活用する方法を提示した。 大腸菌は、本来、自己回帰抑制機構によってL-アルギニンの生産量を調節する。研究者らは、アルギニン抑制因子（Arginine repressor; ArgR）遺伝子を除去し、L-アルギニンを無制限に生産するようにした。さらに、アルギニンスシネート合成酵素（Argininosuccinate synthase; ArgG）と分解酵素（Argininosuccinate lyase; ArgH）、バチルス・スブチリス由来の一酸化窒素合成酵素（Bacillus subtilis nitric oxide synthase; BsNOS）を同時に発現する人工代謝回路（EcN-NO）を構築した。 人工回路が搭載されたEcN-NOは、腫瘍内部でL-アルギニンを原料としてNOを継続的に生成する。マウスモデルの実験では、細菌は腫瘍組織に安定して定着した。大腸癌（MC38、CT26）、メラノーマ（B16）、肝癌（Hepa1-6）モデルのすべてで、NOを放出することが確認された。継続的なNOの供給は、ねじれていた癌細胞周辺の血管を正常化し、低酸素症を緩和するのに役立つ。これにより、薬物や樹状細胞（Dendritic Cell; DC）、CD8+ T細胞の浸潤力が最大限に高まる結果となった。実際に、免疫細胞の浸潤が大幅に増加し、免疫チェックポイント阻害剤であるPD-L1阻害抗体（anti-PD-L1）治療と併用した場合、腫瘍の成長が強力に抑制される相乗効果が認められた。

意義と展望

今回の研究は、微生物の遺伝子合成回路を利用して、これまで薬物の伝達がほぼ不可能であったTMEの物理的限界を精密に制御したという点で意義を見出すことができる。合成生物学技術が癌治療の直接的なツールとして活用できることを証明した事例である。ただし、実際に人体に適用するには、克服すべき障壁がいくつか存在する。特に、安全性が重要である。生菌を血管や腫瘍に直接注入するため、患者の体内で敗血症などの過剰な免疫反応を引き起こさないように、安全性を厳密に評価する必要がある。患者の複雑な体内環境で、外来遺伝子回路が変異することなく安定して機能するかを確認することも不可欠である。