腫瘍の異質性

腫瘍の異質性とは、異なる腫瘍細胞が、細胞形態、遺伝子発現、代謝、運動性、増殖、転移能など、異なる形態学的および表現型プロファイルを示す可能性があることを言います。 ^{[1]この現象は、腫瘍間（腫瘍間異質性）と腫瘍内（腫瘍内異質性）の両方で発生します。腫瘍内異質性の最小限のレベルは、} DNA複製の不完全さの単純な結果です。細胞（正常または癌）が分裂するたびに、いくつかの突然変異が獲得されます^[2] — 癌細胞の多様な集団につながります。^[3]癌細胞の異質性は、効果的な治療戦略の設計に大きな課題をもたらします。しかし、異質性の理解と特徴付けに関する研究により、病気の原因と進行をよりよく理解できるようになります。次に、これは、異質性の知識を組み込んでより高い効果をもたらす、より洗練された治療戦略の作成につながる可能性があります。^[4]

腫瘍の異質性は白血病、^[5] 乳がん、^[6] 前立腺がん、^{[7] [8] [9]} 結腸がん、^{[10] [11] [12]} 脳腫瘍、^[13] 食道がん、^[14] 頭頸部がん、^[15] 膀胱がん、^[16]婦人科がん、^[17] 脂肪肉腫、^[18]多発性骨髄腫で観察されています。^[19]

腫瘍細胞の異質性を説明するために用いられるモデルは2つある。それは、がん幹細胞モデルとクローン進化モデルである。これらのモデルは相互に排他的ではなく、腫瘍の種類によってそれぞれ異なる程度に異質性に寄与していると考えられている。^[20]

がん幹細胞モデルは、腫瘍細胞の集団の中には、腫瘍形成能を持つ（腫瘍を形成できる）細胞の小さなサブセットしかないと主張している。これらの細胞はがん幹細胞（CSC）と呼ばれ、自己複製能と非腫瘍形成性の子孫への分化能の両方を備えている。CSCモデルは、腫瘍細胞間で観察される異質性は、それらの起源となった幹細胞の違いの結果であると仮定している。幹細胞の多様性は、多くの場合、エピジェネティックな変化によって引き起こされるが、CSC集団のクローン進化によっても生じる可能性があり、その場合、CSCとその子孫に有利な遺伝子変異が蓄積する可能性がある（以下を参照）。^[20]

がん幹細胞モデルの証拠は、白血病^{[21]、[22]、} 神経膠芽腫^[23] 、乳がん[ ^24]、前立腺がん^[25]など、複数の腫瘍型で実証されています。

しかし、CSCの存在は依然として議論の的となっている。その理由の1つは、CSCのマーカーを複数の腫瘍で再現することが困難であったことである。さらに、腫瘍形成能を決定する方法は異種移植モデルを利用する。これらの方法には、移植動物の免疫応答を制御する必要性や、原発腫瘍部位と異種移植部位の環境条件の大きな違い（必要な外因性分子や補因子の欠如など）などの固有の制限がある。 ^[26]これにより、CSCの結果の正確性や、どの細胞が腫瘍形成能を持っているかという結論に疑問が生じている。^[要出典]

クローン進化モデルは、1976年にピーター・ノーウェルによって初めて提唱されました。^[27]このモデルでは、腫瘍は単一の変異細胞から発生し、進行するにつれて追加の変異を蓄積します。これらの変化により追加の亜集団が生じ、これらの亜集団のそれぞれはさらに分裂して変異する能力を持ちます。この異質性により、腫瘍環境内で他のクローンよりも進化上の利点を持つサブクローンが生じる可能性があり、これらのサブクローンが時間の経過とともに腫瘍内で優勢になる可能性があります。^{[28] [29]}このモデルが提唱されたとき、腫瘍形成の自然な過程で発生する腫瘍の増殖、治療の失敗、および腫瘍の攻撃性を理解することができました。^[28]

最初の腫瘍細胞の進化は、次の 2 つの方法で起こる可能性があります。

ドライバー遺伝子、腫瘍抑制遺伝子、DNA修復酵素に順番に変異が蓄積し、腫瘍細胞のクローン増殖が起こる。異質腫瘍では変異の蓄積が確率的であるため、 線形増殖が悪性腫瘍の終点を反映する可能性は低い^{[30] 。}

複数のサブクローン集団への拡大は、分裂機構を通じて起こる。^[28]この方法は、線形拡大よりも腫瘍の異質性と関連している。突然変異の獲得は、世代が進むにつれてゲノム不安定性が増すためランダムである。長期にわたる突然変異の蓄積は、腫瘍の進行の特定の段階で選択的優位性をもたらす可能性がある。腫瘍微小環境も、腫瘍細胞がさらされる選択圧を変えることができるため、腫瘍の拡大に寄与する可能性がある。^[30]

腫瘍細胞間では、遺伝的変異と非遺伝的変異の両方に起因する複数のタイプの異質性が観察されている。^[31]

遺伝的異質性は腫瘍ゲノムの一般的な特徴であり、複数の原因から発生する可能性があります。一部の癌は、紫外線（皮膚癌）やタバコ（肺癌）などの外因性因子が突然変異を引き起こすことで発生します。より一般的な原因はゲノム不安定性であり、これは細胞内の主要な制御経路が破壊されたときに発生することがよくあります。いくつかの例としては、複製エラーの増加につながる可能性のあるDNA修復機構の障害や、染色体全体の大規模な増加または減少を可能にする有糸分裂機構の欠陥などがあります。^{[32]さらに、一部の癌治療（}テモゾロミドやその他の化学療法薬による治療など）によって遺伝的変異性がさらに増加する可能性があります。^{[33] [34]}

変異腫瘍異質性は、異なる遺伝子やサンプルにおける変異頻度の変動を指し、MutSig Archived 2017-10-03 at the Wayback Machineで調査できます。変異プロセスの病因は、同じ癌種または異なる癌種の腫瘍サンプル間で大幅に異なる可能性があり、異なるコンテキスト依存の変異プロファイルで現れることがあります。これは、COSMIC 変異シグネチャまたは MutaGene で調査できます。

腫瘍細胞は、その発現プロファイルに不均一性を示すこともあります。これは、多くの場合、根底にあるエピジェネティックな変化によって引き起こされます。^[31] 発現シグネチャの変動は、個人の腫瘍サンプルのさまざまな領域で検出されています。研究者は、H3K36 メチルトランスフェラーゼ SETD2とヒストンH3K4デメチラーゼ KDM5Cに影響を与える収束変異が、空間的に離れた腫瘍セクションで発生したことを示しました。同様に、細胞調節キナーゼをコードする遺伝子であるMTORは、恒常的に活性化され、それによってS6リン酸化を増加させることが示されています。この活性リン酸化は、明細胞癌のバイオマーカーとして機能する可能性があります。 ^[30]

機械化学的不均一性は、生きた真核細胞の特徴である。これは、エピジェネティックな 遺伝子調節に影響を与える。不均一な動的機械化学プロセスは、接着を介して細胞表面のグループ内の相互関係を制御する。^[35]腫瘍の発生と拡散は、腫瘍内の細胞を含むグループ細胞内の機械化学的相互作用プロセスの不均一なカオス的ダイナミクスの変化を伴い、癌患者の宿主に対して階層的である。^[36]機械化学的不均一性の生物学的現象は、胃粘膜の炎症を患う患者に対する差別的胃癌診断に使用できる可能性があり^{[37] 、機械的に不均一化された腫瘍細胞の}微粒子をその充填に使用する場合、ワクチンに基づく樹状細胞の抗転移活性を高めるためにも使用できる。 ^[38]腫瘍内の薬物とナノバブルの凝集体に対する機械化学的効果に関して、同時超音波画像診断技術と治療に基づく方法論的アプローチも可能である。^[要出典]

腫瘍細胞間の不均一性は、腫瘍微小環境の不均一性によりさらに高まる可能性がある。腫瘍の地域差（酸素の利用可能性など）により、腫瘍細胞に異なる選択圧がかかり、腫瘍の異なる空間領域でより広範囲の優勢なサブクローンが生じる。微小環境がクローン優勢性に及ぼす影響は、多くの患者に見られる原発性腫瘍と転移性腫瘍の不均一性、および同じ腫瘍タイプの患者間で観察される腫瘍間不均一性の原因である可能性もある。^[39]

異質腫瘍は、異なるクローン集団間で細胞毒性薬に対する感受性が異なる可能性があります。これは、治療効果を阻害または変更する可能性のあるクローン相互作用に起因し、異質腫瘍（およびその異質転移）に対する治療の成功を困難にしています。^[1]

異質腫瘍への薬剤投与では、すべての腫瘍細胞が死滅することはめったにありません。初期の異質腫瘍集団がボトルネックとなり、薬剤耐性細胞はほとんど（あったとしても）生き残れない可能性があります。これにより、耐性腫瘍集団は、分岐進化メカニズム（上記参照）を通じて複製し、新しい腫瘍を増殖させることができます。その結果、再増殖した腫瘍は異質であり、最初に使用した薬物療法に耐性があります。再増殖した腫瘍は、より攻撃的な方法で再発する可能性もあります。^[要出典]

細胞毒性薬の投与は、多くの場合、初期の腫瘍の縮小をもたらします。これは、異質腫瘍内の初期の非耐性サブクローン集団の破壊を表し、耐性クローンのみが残ります。これらの耐性クローンは選択的優位性を持ち、複製して腫瘍を再増殖することができます。複製は分岐進化を通じて発生する可能性があり、腫瘍の異質性に寄与します。再増殖した腫瘍は、より攻撃的になる場合があります。これは、腫瘍細胞の薬剤耐性選択的優位性によるものです。^{[引用が必要]}

多発性骨髄腫では、腫瘍の遺伝子解析を使用して、特定の変異、欠失、挿入などのリスクマーカーを検出します。患者の予後を評価するのに役立ちます。しかし、患者間で食い違いがあり、良好なリスクに関連付けられた一部の患者は予想よりも早く再発します。さらに、一部の患者では、リスク異常は再発時にのみ観察されます。2023年の単一細胞を使用した研究^[40]では、リスクマーカーを持つサブクローンが診断から一部の患者に存在するが、頻度が非常に低いため、標準的な遺伝子ルーチン評価では検出できないことが示されました。さらに、この研究では、再発時にのみ検出可能なリスクマーカーを持つ患者は、確かに予後が悪いことが示されました。一部のリスク異常では、診断から検出された異常を持つ患者と再発時にのみ検出された異常を持つ患者の平均余命（全生存率）に違いはありません。治療がクローン選択に及ぼす影響については未解決の問題が残っています。この結果の治療的意味合いは、論文で詳細に説明されている。「したがって、診断時にこれらのサブクローンを検出する感度の高い検出アプローチと、低頻度で高リスクのサブクローンを根絶し、それらが優勢になるのを防ぐ革新的な治療戦略が必要である。[...] 最後に、説明された現象は、多発性骨髄腫に限定される可能性は非常に低い」^[41]（多発性骨髄腫）。

腫瘍内および腫瘍間の遺伝的差異のため、治療反応や予後を予測するバイオマーカーは、広く適用できない可能性があります。しかし、腫瘍の異質性が高いほど治療抵抗性のサブクローンが含まれる可能性が高くなるため、異質性のレベル自体をバイオマーカーとして使用できることが示唆されています。^[31]異質性を考慮したバイオマーカーの開発に向けたさらなる研究が現在も進行中です。

現在のモデルシステムには、通常、ヒトの癌に見られる異質性が欠けています。^[42]腫瘍の異質性を正確に研究するためには、より正確な前臨床モデルを開発する必要があります。そのようなモデルの1つである患者由来腫瘍異種移植は、腫瘍の異質性を維持しながら、クローン適応度の要因を詳細に研究できるという優れた有用性を示しています。^[43]しかし、このモデルでさえ、癌の複雑さを完全に捉えることはできません。

腫瘍の不均一性を特定し、特徴づけ、治療するという問題は現在も活発に研究されていますが、実験的および計算的解決策の両方を含むいくつかの効果的な戦略が提案されています。^[要出典]

• 集中的アプローチ：特定の遺伝子座または遺伝子座群を分析する。これは、対立遺伝子不均衡の検出（腫瘍DNAを生殖細胞DNAと比較）、染色体領域の増幅（FISH）、および/または特定の遺伝子の配列決定を通じて行われる。この方法は、特定の関心のある変異の進化を追跡したり、研究者が腫瘍で疑う可能性のある変異を確認したりするために使用される。^[1]
  • 利点: 特定の遺伝子 (ドライバー遺伝子、腫瘍抑制遺伝子など)の分析が可能。プロセスはシンプルで、結果の解釈も簡単です。FISHと免疫蛍光法では、腫瘍細胞のサブタイプに焦点を当てることができます。^[1]
  • 欠点: 限定的な分析では、追加の重要な変異やクローン拡大のパターンを見逃す可能性があります。対立遺伝子の不均衡はマイクロサテライトマーカーを使用して検証することが困難な場合があり、そのため独立した技術 ( FISHなど) による検証が必要になります。FISHには多数の細胞が必要であり、労働集約的です。^[1]
• ゲノムワイドアプローチ：腫瘍サンプルの全ゲノムを解析する。これは染色体異常を検出するために核型分析や 比較ゲノムハイブリダイゼーション（CGH）を通じて行われる。腫瘍生検の配列決定はより一般的になりつつある。^[1]
  • 利点: 変異体を特定するために事前の知識に依存しません。核型分析は大きな染色体異常の領域を特定します。CGHは偏りのないカバレッジを提供し、小規模な対立遺伝子不均衡の検出を可能にします（SNPアレイ）。シーケンシングは腫瘍の異質性に寄与する変異体を特定します。^[1]
  • 欠点: 変異の機能的影響を判断するのが難しい (つまり、中立か病原性か)。解像度が限られ ている。培養細胞の核型分析は、特定の腫瘍細胞サブポピュレーションの優先的な増殖に偏る可能性がある。どちらの方法も解像度が限られている。^[1]全ゲノムアプローチでは大量のデータが生成され、解釈が困難になる可能性がある。
• 多領域サンプリング戦略:一般的には、顕微解剖された腫瘍の別々の領域から複数の術後腫瘍サンプルが必要です。腫瘍細胞内でのみ見られる遺伝子発現と遺伝子構成の正確な表現を確実にするために、非悪性細胞の混入を避けることが重要です。空間的に分離された領域内の腫瘍DNAの分析により、腫瘍の異質性の3次元進化モデルを構築できます。^[1]多領域サンプリングは、この3D異質性拡大モデルを確立するために、ゲノムワイドアプローチと組み合わせて使用​​されることがよくあります。
• 縦断的サンプリング：腫瘍の進行または治療の進行を通じて、複数の時点で腫瘍サンプルを採取することがいくつかのケースで利用されてきた。これは、クローン進化を追跡するための信頼性の高い方法として示唆されている。^{[34] [44] [45]}しかし、この技術は定期的な侵襲的な生検を必要とするため、実際には困難であることが判明している。血液中の循環細胞遊離腫瘍DNAを利用する新しい研究は、治療全体を通してバイオマーカーを識別するための非侵襲的な方法を提供する可能性がある。^[46]ゲノムワイドアプローチと組み合わせて使用​​される縦断的サンプリングは、時間の経過とともに蓄積された腫瘍細胞の変異を特定することができる。これにより、（初期の腫瘍サンプルで見られる）主要なドライバー変異が特定される可能性がある。
• 適応療法は、腫瘍の反応に基づいて薬剤の投与量と投与時期を調整することで、腫瘍のさらなる増殖を防ぐために使用される可能性がある。この戦略は、耐性変異体が腫瘍を支配するのを防ぐと考えられている。しかし、その適用性についてはさらなる研究が必要である。^[47]

• 腫瘍細胞の混合物から DNA を抽出し、一度にすべてを分析する バルク腫瘍シーケンシングを利用できます。異質な腫瘍集団 (サブクローン) が存在すると、次のような追加の課題が生じます。
  • 稀なサブクローンの変異を検出できない。これらの変異はプールされたサンプルでは低頻度で発生するため、バックグラウンドノイズと区別がつかない場合があります。しかし、がんデータ用に特別に設計され、より小さなサブクローン集団に存在する稀な変異を特定することを目的とした変異呼び出しツールが数多く開発されています。^{[48] [49] [50] [51]これらは通常、真の}体細胞変異を生殖細胞変異やバックグラウンドの配列エラーと区別する手段として、一致した正常DNAを利用します。
  • どのサブクローンにどの突然変異が含まれているかを特定できない。データはプールされているため、どの突然変異が同時に発生し、どの集団に由来するかは不明です。観察された突然変異の対立遺伝子頻度を使用してクローン構造を解明しようとする新しいツールが開発されています。^[52]
• 単一細胞シークエンシングは、腫瘍内腫瘍異質性を評価するのに有用な新しい技術であり、個々の腫瘍細胞を特徴付けることができるため、効果的な個別化癌治療の開発に不可欠であると考えられています。これは、複数の異なる細胞の全体的な変異プロファイルを曖昧さなく決定できることを意味します。腫瘍内異質性をよりよく理解することで、治療後の再発をよりよく防ぐことができます。現在の癌治療は主に優勢なサブクローンを標的とし、治療後に二次サブクローンが拡大する可能性があるためです。 ^[53] 現在の技術では、統計的検出力を得るために十分な数の単一細胞を評価することは困難ですが、単一細胞腫瘍データには次のような複数の利点があります。
  • 腫瘍集団の進化を示す系統樹を構築する能力。個々の細胞の全ゲノム配列またはSNPベースの疑似配列を使用して、サブクローンの進化を推定することができます。これにより、時間の経過とともに存続している集団を特定し、特定のサブクローンに対して成長の利点または治療抵抗性をもたらす可能性のある突然変異のリストを絞り込むことができます。^[54]単一細胞DNA配列データから腫瘍の系統樹を推測するアルゴリズムには、SCITE、^[55] OncoNEM、^[56] SiFit、^[57] SiCloneFit、^[58] PhISCS、^[59]およびPhISCS-BnBがあります。^[60]現在の方法論は、大規模なデータセットの分析に課題を抱えています。組み合わせ最適化ベースのアプローチでは、細胞数（m）と突然変異数（n）が増加すると、実行時間が指数関数的に増加します。^[61]腫瘍進行ツリー再構築問題を解くことはNP困難であり、^[62]多項式時間で解を見つけることは不可能であることを示しています。標準的な完全系統樹再構築アプローチは、単一細胞実験でのエラー率が高いため適用できませんでした。^[63]確率的アプローチは、矛盾したデータに対処するための代替方法であることがわかりました。これらのベイズ的アプローチは、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングヒューリスティックスを利用します。これは、多項式時間で動作し、可能性のある腫瘍進行履歴の広大な検索空間を探索します。データに含まれるすべての情報を活用することにより、これらのアプローチは矛盾したデータの問題に対する有望な解決策を提供します。^{[64]突然変異ツリーMCMC法の有効性と必要な実行時間を理解するには、MCMCの経験的分布が}事後分布に収束する速度を理解することが重要です。事後探索の定量化は、この領域で積極的に調査されています。最近、連続空間で確立された収束診断を、樹木の類似性を介して樹木の離散空間に新しく適用することで、有望な結果が得られました^[ 65] 。特に突然変異樹については有望な結果が得られました^{[66] 。}

• セクション シーケンシングは、単一の固形腫瘍の複数の部分に対して実行でき、セクション間の変異頻度の変動を分析してクローン構造を推測できます。このアプローチが単一のシーケンシングよりも優れている点として、統計的検出力が高く、サンプルの空間的配置に関するより正確な情報を利用できることが挙げられます。後者は、セクション内のクローンの頻度を推測し、腫瘍が空間内でどのように進化するかについての洞察を提供するために使用できます。腫瘍の経時的進化をモデル化するクローンの遺伝子型と系統樹を推定するために、^Clomial、^[70] cloneHD、^[71] PhyloWGS、^[72] PyClone、^[73] Cloe、^[74] phyC、^[75] Canopy、^[76] TargetClone、ddClone、^[77] PASTRI、 [ ^{78] GLClone}、^{[ 79]} TRaIT、^[80] WSCUnmix、^[81] B-SCITE、^[82] ThetA、^[83] SIFA、^[84] Sclust、^[85] SeqClone、^[86] CALDER、^[87] BAMSE、^[88] Meltos、^[89] SubMARine、^[90] RNDCLONE、^[91] Coniferなど、いくつかの計算方法が開発されました。 ^[92] DEVOLUTION、^[93] RDAClone。^[94]

• 乳がん転移のマウスモデル