腫瘍微小環境

低酸素環境では、組織は低酸素誘導因子（HIF）と呼ばれるシグナルを発信し、近くの内皮細胞を刺激して血管内皮増殖因子（VEGF） などの因子を分泌させます。VEGFは内皮細胞を活性化し、血管新生のプロセスを開始させます。血管新生とは、既存の血管か​​ら新しい血管が出現するプロセスです。^{[ 18 ]}腫瘍環境で形成された血管は適切に成熟しないことが多く、その結果、腫瘍微小環境で形成された血管系は正常組織の血管系とは異なります。形成された血管はしばしば「漏れやすく」、蛇行しており、血流が阻害されます。^{[ 19 ] [ 16 ]}腫瘍は適切な血管系なしでは大きく成長できないため、持続的な血管新生は癌の特徴の1つと考えられています。^{[ 20 ]}

腫瘍進行の後期段階では、内皮細胞は癌関連線維芽細胞に分化し、転移を促進する可能性がある。^{[ 16 ]}

透過性亢進および保持効果とは、腫瘍の血管系が正常組織よりも血流中に高分子を蓄積する傾向があるという観察結果である。これは、腫瘍周囲の血管系の「漏れやすい」性質とリンパ系の欠如によるものである。^{[ 21 ]}透過性の高い血管系は治療薬を腫瘍に容易に送達することを可能にし、リンパ管の欠如は保持の増加に寄与する。透過性の高い血管系には、周皮細胞の不足や基底膜の奇形など、いくつかの原因があると考えられている。^{[ 22 ]}

血管新生は腫瘍微小環境の低酸素状態を軽減できるが、局所進行固形腫瘍の50%以上で酸素分圧が5mmHg未満であり、静脈血の酸素分圧が40～60mmHgであるのと比較すると低い。^{[ 18 ] [ 5 ]}低酸素環境は、ヌクレオチド除去修復やミスマッチ修復経路などのDNA修復機構に関与する遺伝子の発現を抑制することにより、遺伝的不安定性を引き起こす。^{[ 23 ]}この遺伝的不安定性は多数の変異細胞につながり、癌の進行と関連している。^{[ 5 ]}軽度および急性の低酸素状態と再酸素化の期間により、癌細胞は適応し、より攻撃的な表現型へと増殖する可能性がある。^{[ 18 ]}

低酸素症は、酸素不足に対する細胞の反応を決定する転写因子である低酸素誘導因子（HIF）の発現を亢進させます。^{[ 16 ]} HIFは数千の遺伝子の転写を誘導し、その中には血管新生を誘導したり転移を促進したりするものがあり、例えば細胞移動やマトリックスリモデリングの増加につながります。^{[ 24 ] [ 4 ]} HIFの発現が増加すると、腫瘍細胞は代謝を好気性から嫌気性に移行させ、解糖によってエネルギーを得るようになります。^{[ 25 ]}グルコース代謝が亢進した細胞は乳酸を生成し、微小環境のpHを中性で健康な7.35～7.45から酸性の6.3～7.0に低下させます。この現象は「ワールブルク効果」と呼ばれています。^{[ 25 ] [ 26 ]} HIFは免疫細胞も制御しており、発現が増加すると抗腫瘍機能が不活性化される可能性があります。これは腫瘍細胞の生存を促進し、抗腫瘍治療を阻害する。^{[ 25 ]}

癌関連線維芽細胞（CAF）は、腫瘍微小環境内の反応性間質の中心にある活性化線維芽細胞の不均一なグループです。CAFの正確な定義は、細胞の起源と発現マーカーの多様性のため、依然として困難です。しかし、証拠は、CAFが活性化された常在線維芽細胞、骨髄由来間葉系幹細胞（MSC）、上皮間葉転換（ETM）を起こしている癌細胞、または内皮間葉転換（EndMT）を介した内皮細胞に由来することを示唆しています。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 11 ]}

CAFは腫瘍間質の最も一般的な構成要素の1つであり、特に乳がん、前立腺がん、膵臓がんの間質空間に多く見られます。^{[ 33 ] [ 28 ]} CAFは、さまざまな細胞外マトリックス成分や細胞間接着を分泌することでがん細胞と相互作用し、腫瘍の生物学的挙動の調節に重要な役割を果たします。これらの調節は、腫瘍の発達に特に重要であり、がん細胞の増殖、浸潤、炎症、血管新生に影響を与えます。CAFは、場合によっては腫瘍抑制特性を示すこともあります。^{[ 28 ] [ 34 ] [ 11 ]}

CAFは腫瘍形成において二重の役割を果たします。一つは腫瘍の成長を促進する役割、もう一つはそれを阻害する役割で、前者がより一般的であり、さまざまなメカニズムを通じて腫瘍の発生と治療抵抗性に寄与しています。^{[ 11 ] [ 34 ]}さまざまな癌種で、CAFのさまざまなサブポピュレーションが特定されています。たとえば、乳癌では、シングルセルRNAシーケンスを使用した研究により、血管CAF、マトリックスCAF、サイクルCAF、発生CAFなどの明確な表現型が明らかになっています。^{[ 35 ]}プロテオミクス解析とシングルセルRNAシーケンスを使用した研究により、CAFの多様な特性がさらに明らかになり、異なる、時には矛盾する機能が明らかになりました。それらの機能はコンテキスト依存的であるようです。^{[ 31 ]}このストーマ構成の多様性は、腫瘍微小環境を形成するだけでなく、腫瘍細胞の挙動にも影響します。^{[ 35 ] [ 36 ]}

CAFを標的とすることは、がん治療を改善するための有望な戦略として浮上しているが、研究にはいくつかの課題がある。これには、CAFの起源とその多様な機能についての理解のギャップが含まれており、その一部は腫瘍と戦うのに役立つ可能性がある。^{[ 11 ] [ 34 ] [ 28 ]}

細胞外マトリックス（ECM）は、微小環境におけるタンパク質とプロテオグリカンの三次元ネットワークであり、すべての組織に存在します。ECMは非常に動的な構造であり、組織の発達、修復、支持、および恒常性に不可欠です。^{[ 37 ] [ 38 ]}健康な皮膚では、ECMはコラーゲン、糖タンパク質、グリコサミノグリカンなどのさまざまな分子で構成されており、機能と機械的特性を調節します。しかし、腫瘍では、ECMは腫瘍微小環境の形成に重要な役割を果たし、癌の進行、転移、および治療反応に影響を与えます。このプロセスは細胞外マトリックスリモデリングと呼ばれ、シグナル伝達と細胞マトリックスの変化に影響を与えるタンパク質含有量と酵素活性の変化によって特徴付けられます。^{[ 39 ]} ECMリモデリングには、ECMの組成、組織、および生体力学的特性の動的な変化が含まれ、細胞微小環境の弾性率の変化につながります。^{[ 40 ] [ 41 ]} ECMリモデリングは、低酸素症、アシドーシス、炎症細胞、または腫瘍細胞や間質細胞から分泌されるプロテアーゼなどの因子によって誘導される。 ^{[ 42 ]}

がんの進行への影響

ECM リモデリングは正常な生理条件下では厳密に制御されていますが、癌の進行に関連する多くの腫瘍細胞の挙動も調節します。これには、アポトーシスの回避、持続的な血管新生、無限の複製能力、および組織浸潤が含まれます。^{[ 46 ] [ 47 ]}癌では、ECM ダイナミクスの変化により、組成、密度、および機械的特性が変化し、腫瘍の悪性度と治療への反応に影響します。研究によると、ECM リモデリング中に腫瘍促進効果と抗腫瘍効果の両方が発生します。初期の腫瘍形成では、間質細胞が過剰な ECM タンパク質を生成し、腫瘍周囲の組織を硬化させます。腫瘍の硬化に寄与する要因のいくつかは、I 型コラーゲンの増加と酸の沈着です。^{[ 46 ] [ 48 ]}さらに、再構築されたECMとその分解断片（マトリカイン）は、細胞表面受容体との相互作用を介してシグナル伝達経路に影響を与え、間質細胞の挙動の調節異常と発癌性微小環境の出現につながる。^{[ 49 ]}

骨髄由来抑制細胞は、骨髄由来の細胞の不均一な集団であり^{[ 51 ]}、腫瘍促進性であると考えられている^{[ 50 ]} 。これらの細胞はT細胞応答を抑制する可能性があり^{[ 52 ]} 、血管内皮増殖因子（VEGF）などのタンパク質を産生することで血管新生をサポートし、転移を促進する可能性がある。M2表現型を持つ腫瘍関連マクロファージは、骨髄由来抑制細胞であると考えられている^{[ 50 ] 。}

腫瘍関連マクロファージは、慢性炎症と癌との強い関連性の中心的要素であり、癌関連炎症への反応として腫瘍に動員されます。^{[ 53 ]} NF-κBの活性化が遅いため、癌に見られるくすぶり続ける炎症が可能になります。^{[ 54 ]}通常のマクロファージとは異なり、腫瘍関連マクロファージは細胞傷害活性がありません。^{[ 55 ]}単球由来マクロファージは、炎症性M1分極マクロファージと抗炎症性M2分極マクロファージに分けられます。M1分極マクロファージは腫瘍細胞を貪食し、腫瘍拮抗的であると考えられています。^{[ 16 ]}一方、M2分極マクロファージは、免疫監視を抑制することによって腫瘍の進行を促進し、^{[ 50 ]}血管内皮増殖因子（VEGF）を分泌することによって血管新生を促進し、 ^{[ 5 ]}細胞外マトリックスをリモデリングすることによって腫瘍促進的です。^{[ 50 ]}腫瘍微小環境はM2極性マクロファージを促進し、腫瘍関連マクロファージの増加は予後不良と関連している。^{[ 16 ] [ 56 ] [ 57 ]}

腫瘍関連マクロファージは、エクソソームを使用して浸潤促進マイクロRNAを癌細胞、特に乳癌細胞に送り込むことに関連している。^{[ 52 ] [ 58 ]}

好中球は多形核免疫細胞であり、自然免疫系の重要な構成要素です。好中球は腫瘍や肺腺癌などの一部の癌に蓄積することがあります。腫瘍部位での好中球の多さは、疾患の予後悪化と関連しています。^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]}固形腫瘍患者の中には、血液中の好中球数（および骨髄系細胞前駆細胞）が増加する場合があります。^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}

マウスを用いた実験では、主に腫瘍関連好中球が腫瘍促進機能を示すことが示されているが、^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]}少数の研究では、好中球が腫瘍の増殖を抑制することもできることが示されている。^{[ 69 ] [ 70 ]}腫瘍関連好中球は、N1 極性好中球と N2 極性好中球に分けられる。^{[ 50 ]} N1 極性好中球は腫瘍の初期段階で蓄積し、腫瘍細胞死をサポートする。後期段階では、N2 極性好中球は血管内皮増殖因子 (VEGF) を分泌して血管新生を促進する。^{[ 16 ]}

腫瘍浸潤リンパ球は、T細胞、B細胞、ナチュラルキラー細胞など、腫瘍に浸潤し、がん細胞を認識して殺傷する能力を持つリンパ球です。^{[ 71 ]}高濃度は一般的に良好な予後と正の相関関係があります（802）。^{[ 72 ]}この種の免疫細胞は転移を阻止することもできます。ナチュラルキラー細胞は、腫瘍微小環境の外でがん細胞を殺すのに最も効率的だからです。^{[ 16 ]}腫瘍浸潤リンパ球は治療に使用されており、実験室で増殖させた免疫細胞をがん患者に移植して、患者の免疫系ががんと戦うのを助けます。^{[ 72 ]}この治療法は、メラノーマなどの固形腫瘍で成功を収めています。^{[ 73 ]}

腫瘍浸潤リンパ球は、腫瘍微小環境の免疫抑制機構により腫瘍促進性になることがある。^{[ 72 ]}がん細胞は、FasLやTRAILなどの死のリガンドを含むエクソソームを分泌することにより活性化T細胞のアポトーシスを誘導し、同じ方法でナチュラルキラー細胞の正常な細胞傷害性反応を停止させる。^{[ 74 ] [ 75 ]}

腫瘍形成に重要なT細胞には、細胞傷害性T細胞（CD8+）、Tヘルパー1（Th-1）細胞、制御性T細胞（Treg）など、いくつかの種類があります。^{[ 16 ]} CD8+細胞は、腫瘍抗原を認識し、癌細胞を破壊する標的とする腫瘍拮抗細胞です。さらに、CD8+細胞はインターフェロンγ（IFN-γ）を放出することで、腫瘍の進行を遅らせ、血管新生を抑制します。^{[ 16 ]} Th-1細胞は、IFN-γとインターロイキン2（IL-2）を分泌し、腫瘍抗原をクロスプレゼンテーションすることで、CD8+細胞の活性化と増殖をサポートします。 ^{[ 50 ]} Tregは、CD8+とは対照的に、腫瘍促進性です。腫瘍増殖因子を分泌し、内皮細胞や癌関連線維芽細胞と相互作用することで、間接的に癌の生存をサポートします。^{[ 16 ]} Tregには、CD8+細胞の効果を低下させる免疫抑制メカニズムもあります。^{[ 50 ]}

T細胞は血管系を介して腫瘍部位に到達し、腫瘍微小環境はT細胞よりも他の免疫細胞を優先的に動員するようです。そのような識別メカニズムの1つは、細胞型特異的なケモカインの放出です。もう1つは、卵巣、結腸、前立腺、乳房、膀胱、腎臓の腫瘍の血管におけるアポトーシス誘導因子Fasリガンド（FasL）の発現です。FasLの発現が高い腫瘍にはTreg細胞が豊富に含まれ、CD8+細胞は少ないことが示されています。^{[ 3 ]}

T細胞は、腫瘍部位に到達した後、がん細胞を効果的に殺傷し、敵対的な要素を生き延び、間質を通ってがん細胞に移動するために複製する必要があります。これは腫瘍の微小環境によって影響を受けます。リンパ節はがん特異的T細胞の複製が行われる可能性が高い場所ですが、腫瘍内でも複製が起こります。^{[ 3 ]}

制御された環境でTMEを再現しようとするin vitroおよびin vivoモデルがいくつか開発されている。腫瘍不死化細胞株と初代細胞培養は、さまざまな腫瘍を研究するために長年使用されてきた。これらはセットアップが迅速で安価だが、単純で遺伝的ドリフトを起こしやすい。^{[ 76 ]} 3D腫瘍モデルは、TMEのより空間的に代表的なモデルとして開発されている。スフェロイド培養、足場、オルガノイドは一般的に幹細胞またはex vivoから得られ、2D細胞培養よりも腫瘍構造を再現するのに優れている。^{[ 77 ]}さらに、オルガンオンチップ技術は、制御されたマイクロ流体システムで重要な構造的および物理化学的特徴を再現することにより、腫瘍微小環境をより正確に再現するために開発されている。これらのプラットフォームは、組織構造、流体の流れ、酸素、栄養素、シグナル伝達分子の勾配などの側面を模倣することができ、腫瘍と間質の相互作用および癌の進行のより生理学的に関連のある研究を可能にする。^{[ 78 ]}

近年の研究により、ヒト生殖細胞系列遺伝子変異が腫瘍微小環境の構成に大きな影響を与えることが明らかになっている。これらの生殖細胞系列変異は、腫瘍内の浸潤性CD8 T細胞および制御性T細胞の数に影響を与え、それによって免疫回避や免疫療法への反応に影響を与える。特に、Journal of Clinical Investigation ^{[ 79 ]}およびNature Communications ^{[ 80 ]}に掲載された研究では、STAT3を増強する生殖細胞系列変異やその他の一般的な遺伝子変異が、腫瘍免疫環境の調節や治療効果の向上に果たす役割が強調されている。

ナノ治療薬の改良の進歩により、癌転移の抑制と癌発生の可能性の低減が進展した。戦略には、低酸素、血管新生、癌関連線維芽細胞（CAF）、細胞外マトリックス（ECM）、および腫瘍関連マクロファージの制御が含まれる。これらのアプローチは、抗腫瘍効果を改善し、他の治療法に対する感受性を高めることを目的としている。^{[ 81 ]}研究者らは、フェルモキシトールの使用により、マクロファージを炎症誘発型に移行させることで腫瘍の増殖が抑制されることを発見した。^{[ 82 ]}ナノキャリアビークル（ 直径約20～200 nm）は、薬剤やその他の治療分子を輸送することができる。これらの治療法は、腫瘍血管系を介して選択的に血管外に漏出するように標的化することができる。^{[ 22 ] [ 83 ]}これらの取り組みには、タンパク質カプシド^{[ 84 ]}およびリポソームが含まれる。^{[ 85 ]}しかし、肝臓や腎臓などの重要な正常組織にも有窓内皮があるため、ナノキャリアのサイズ（10～100  nm、より大きなナノキャリアを使用すると腫瘍への保持率が高くなる）と電荷（陰イオンまたは中性）を考慮する必要があります。^{[ 22 ]}リンパ管は通常、腫瘍とともに発達しないため、間質液圧が上昇し、腫瘍へのアクセスが阻害される可能性があります。^{[ 22 ] [ 86 ]}