がん細胞免疫細胞

リンパ管 　 　 　 　 　壁細胞

 　 近年年の研究から、腫瘍組織に特徴的な微⼩小環境要因(図1) が新たな治療療標的として注⽬目されている1,2。例例えば、固形腫瘍に形成される低酸素環境はがんの悪性化に関わり、最も有望な”環境標的治療療”のターゲットである3,4。

図1 がん微⼩小環境の構成要素の概略略図。

がん微⼩小環境を標的とした新しいがん治療療

 　 　⾎血管 　 　 　 　

線維芽細胞  

低酸素

低pH 低栄養

(⽂文献2を改変)

 　 ほぼ全ての固形腫瘍には、細胞増殖と⾎血管新⽣生の不不均衡に起因する低酸素環境が存在する(図2)5。⼀一部のがん細胞は低酸素環境に適応し、抗がん剤や放射線に抵抗性を⽰示すうえに、浸潤・転移・再発の原因となる。

腫瘍内低酸素環境とがんの悪性化

1 mm

低酸素領領域

壊死領領域

図2 固形腫瘍内の低酸素環境。腫瘍の中央部は酸素・栄養不不⾜足で壊死しており、壊死領領域周辺の茶茶⾊色く染⾊色された領領域が酸素分圧10 mmHg(酸素濃度度約1.3%)以下の低酸素環境である。

 　 腫瘍組織を顕微鏡観察すると、酸素の拡散が乏しい⾎血管から離離れた場所に低酸素領領域が形成されていることがわかる(図3A)。がん細胞の低酸素環境への適応には低酸素誘導因⼦子(HIF)の活性化が重要な役割を果たす。HIFは細胞の低酸素環境への適応応答を司る転写因⼦子であり、多くのがん種で悪性化との関連が報告されている(図3B)。

低酸素誘導因⼦子とがんの悪性化

⾎血管有酸素

低酸素

壊死HIF

悪性化がん細胞⾎血管:CD31, 低酸素:ピモニダゾール

図3 (A)  免疫蛍光染⾊色した腫瘍組織の顕微鏡イメージ。(B) 腫瘍内の低酸素環境の⽣生成とHIF活性化の模式図。

A B

低酸素誘導因⼦子と予後不不良良 　 臨臨床検体を⽤用いた検証によって、HIFの⾼高発現は患者の予後を悪化させることが、乳がん、頭頸部がん、膀胱がん、前⽴立立腺がん、膵臓がんなど多数のがん種で報告されている6-9。  　 HIFの⾼高発現によって予後不不良良が引き起こされるメカニズムは、細胞や腫瘍マウスモデルを⽤用いて様々な観点から説明されてきた10,11。例例えば、⾎血管内⽪皮細胞増殖因⼦子の産⽣生上昇に伴う⾎血管新⽣生や、細胞外基質分解酵素が活性化することでがん細胞が積極的に浸潤し、転移が促進される。また、HIFの活性化はがん細胞の代謝様式の変化、抗アポトーシスを誘導し、放射線や化学療療法への耐性を増⻑⾧長する (図4)12。

HIF

薬剤耐性

代謝シフト

⾎血管新⽣生

浸潤・転移

VEGFs, ANGPT2, PDGFB, CXCL12,

TWIST1, LOX, MET, MMPs, CTDS

ABCB1,IGF2, EPO, SNAl1, ADM

PDK1, PKM2, BNIP3, LDHA, SLC2A1

図4 HIFによって発現が制御される遺伝⼦子群の例例

低酸素誘導因⼦子の機能制御機構 　HIFはヘテロダイマーとして機能する転写因⼦子であり、αサブユニットであるHIF-αは酸素濃度度依存的に分解制御されている(図5A)。有酸素下では、酸素依存的分解ドメイン(ODD)が⽔水酸化され、ユビキチン-プロテアソーム機構で分解されることで転写因⼦子として機能しない(図5B)。⼀一⽅方、低酸素下ではODDは⽔水酸化されずHIF-αは安定化し、核内移⾏行行した後、HIF-βとダイマーを形成して転写因⼦子として機能する12。HIFによって発現制御される遺伝⼦子は200以上報告されており、その中にがん細胞の悪性化を促す遺伝⼦子が多く含まれている12,14。

酸素濃度度  (%)2110531

HIF-1α

図5 (A)  各酸素濃度度下で培養したヒト乳がん細胞MDA-MB-231におけるHIF-1αの発現をウェスタンブロットで検出した。(B) PHDによるODDの⽔水酸化、pVHLによるユビキチン化を介したHIF-αの分解制御機構の模式図。

A B

pVHL OH

PHD

O2ODD

ODDの⽔水酸化

HIF-α

OH OHODDHIF-α

OH

UbUb

Ub

プロテアソーム分解

融合タンパク質製剤による低酸素がん細胞の標的 　 我々は、HIFが活性化した低酸素がん細胞に特異異的に細胞死を誘導する新規治療療薬TOP3、POP33の開発を進めてきた15-‐‑‒18。これらの薬剤は、薬剤の細胞内への輸送を担う細胞膜透過ドメイン(TAT or PTD3)、HIF-αの制御機構を模倣する酸素依存的分解ドメイン(ODD)と細胞死を誘導するProcaspase-3の3つの機能ドメインを融合した⼈人⼯工的に設計されたタンパク質製剤である (図6A)。TATによって細胞内に輸送されたTOP3は有酸素化ではHIF-αと同様の機構で分解されるが、低酸素環境下では安定化し、ProCaspase3が活性されることで細胞死を誘導する(図6B)。

図6 (A)  融合タンパク質製剤TOP3, POP33の模式図。(B) TOP3, POP33の低酸素がん細胞標的メカニズムの模式図。

A B

TAT ODD Procaspase-3TOP3毒性なし

正常細胞

ユビキチン化 分解

プロセシング 活性化

細胞死

低酸素がん細胞PTD3ODD Procaspase-3POP33

融合タンパク質製剤TOP3の臨臨床応⽤用に向けて 　 これまでにTOP3、POP33の投与によって、様々な腫瘍モデルマウスにおいて抗腫瘍効果が得られることを確認している15-19。その中でも、有効な治療療⼿手法が存在しない膵臓がんに対して、がん細胞の増殖・転移を抑制し、顕著な延命効果が得られることを確認している(図7)18。現在、⽇日本医療療研究開発機構 (AMED)の⽀支援の元、TOP3の前臨臨床研究のため、GMPレベルでの製剤調整を進めると共に、特に膵臓がんを対象として、既存の抗がん剤との併⽤用療療法の治療療効果について調査している。

図7 POP33による膵臓がんの治療療効果。(A) 光イメージングによって治療療群と未治療療群のがん細胞の増殖、転移を可視化した。(B) POP33による延命効果。

A B

未治療療

POP33

⽣生存率率率  [%]

治療療開始後⽇日数

POP33未治療療

POP33

未治療療

1 3 5 7 9 11 13 15 17 治療療開始後⽇日数

100

60

40

20

0

80

参考⽂文献1.  Joyce JA, Therapeutic targeting of the tumor microenvironment, Cancer Cell 7, 513 (2005). 2.  Junttila MR & de Sauvage FJ, Influence of tumor micro-environment heterogeneity on

therapeutic response, Nature 501, 346 (2013). 3.  Kizaka-Kondoh S, et al., Tumor hypoxia: a target for selective cancer therapy, Cancer Sci 94,

1021 (2003). 4.  Kizaka-Kondoh S, et al., The HIF-1-active microenvironment: An environmental target for

cancer therapy, Adv Drug Deliv Res 61, 623 (2009). 5.  Vaupel P & Mayer A, Hypoxia in cancer: significant and impact on clinical outcome, Cancer

Metastasis Rev 26, 225 (2007). 6.  Dhani N, et al., The clinical significance of hypoxia in human cancers, Semin Nucl Med 45,

110 (2015). 7.  Schindl M, et al., Overexpression of hypoxia-inducible factor 1α associated with an

unfavorable prognosis in lymph node-positive breast cancer, Clin Cancer Res 8, 1831 (2002). 8.  Gong L, et al., Prognostic value of HIFs expression in head and neck cancer: A systemic

review, PLoS ONE 8, e75094 (2013). 9.  Theodropoulos VE, et al., Hypoxia-inducible factor 1α expression correlateds with

angiogenesis and unfavorable prognosis in bladder cancer, Eur Urol 46, 200 (2004). 10.  Lu X & Kang Yibin, Hypoxia and hypoxia-inducible factors: Master regulators of metastasis,

Clin Cancer Res 16, 5928 (2010). 11.  Semenza GL, HIF-1: upstream and downstream of cancer metabolism, Curr Opin Genet Dev

20, 51 (2010).

1.  Joyce JA, Therapeutic targeting of the tumor microenvironment, Cancer Cell 7, 513 (2005). 2.  Junttila MR & de Sauvage FJ, Influence of tumor micro-environment heterogeneity on

therapeutic response, Nature 501, 346 (2013). 3.  Kizaka-Kondoh S, et al., Tumor hypoxia: a target for selective cancer therapy, Cancer Sci 94,

1021 (2003). 4.  Kizaka-Kondoh S, et al., The HIF-1-active microenvironment: An environmental target for

cancer therapy, Adv Drug Deliv Res 61, 623 (2009). 5.  Vaupel P & Mayer A, Hypoxia in cancer: significant and impact on clinical outcome, Cancer

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110 (2015). 7.  Schindl M, et al., Overexpression of hypoxia-inducible factor 1α associated with an

unfavorable prognosis in lymph node-positive breast cancer, Clin Cancer Res 8, 1831 (2002). 8.  Gong L, et al., Prognostic value of HIFs expression in head and neck cancer: A systemic

review, PLoS ONE 8, e75094 (2013). 9.  Theodropoulos VE, et al., Hypoxia-inducible factor 1α expression correlateds with

angiogenesis and unfavorable prognosis in bladder cancer, Eur Urol 46, 200 (2004). 10.  Lu X & Kang Yibin, Hypoxia and hypoxia-inducible factors: Master regulators of metastasis,

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20, 51 (2010). 12.  Semenza GL, Molecular mechanisms mediating metastasis of hypoxic breast cancer

cells,Trends Mol Med 18, 534 (2012). 13.  Epstein ACR, et al., C. elegance EGL-9 and mammalian homologs define a family of

dioxygenases that regulate HIF by prolyl hydroxylation, Cell 107, 43 (2001). 14.  Hypoxia-inducible facots: mediators of cancer progression and targets for cancer therapy,

Trend Pharmacol Sci 33, 207 (2012). 15.  Antitumor effect of TAT-oxygen-dependent degradation-caspase-3 fusion protein specifically

stabilized and activated in hypoxic tumor cells, Cancer Res 62, 2013 (2002). 16.  Harada H, et al., Mechanism of hypoxia-specific cytotoxicity of procaspase-3 fused with a

VHL-mediated protein destruction motif of HIF-1α containing Pro564, FEBS Lett, 580, 5718 (2006).

17.  Optical imaging of tumor hypoxia and evaluation of efficacy of a hypoxia-targeting drug in living animals, Mol Imag 4, 182 (2005).

18.  Kizaka-Kondoh S, et al., Selective killing of hypoxia-inducible factor-1-active improves survival in a mouse model of invasive and metastatic pancreatic cancer, Clin Cancer Res 15, 3433 (2009).

19.  Hiraga T, et al., Hypoxia and hypoxia-inducible factor-1 expression enhance osteolytic bone metastases of breast cancer, Cancer Res 67, 4157 (2007).