がん遺伝子治療の様子をMRIで画像化する新技術を開発
－遺伝子治療の効果判定に大きな一歩－
概要
独立行政法人放射線医学総合研究所(理事長：米倉義晴以下、放医研)分子イメージング研究センター*1の長谷川純崇研究員らの研究チームは、ヒトがん細胞移植モデルマウスを用いて、治療遺伝子が、がん細胞に取り込まれて機能している様子をMRI*2で画像化することに初めて成功しました。
多くの種類のがんに対して遺伝子治療*3の研究や臨床試験が進められています。遺伝子治療においては、治療遺伝子が対象とする細胞に導入され、正しく機能しているかどうかを確認することが重要です。しかし、これまでは非侵襲的に確認する方法は無く、腫瘍の縮小といった治療結果を手がかりに推定していました。
この研究チームは、ヒトがん細胞移植モデルマウスのがん細胞に、仮想治療遺伝子と共にフェリチン遺伝子*4を導入しました。仮想治療遺伝子が、がん細胞に導入され発現する（がん細胞に対して機能する）とフェリチン遺伝子も同様に発現します。仮想治療遺伝子の発現とフェリチン遺伝子の発現に相関関係があることを確認し、がん細胞に導入した遺伝子の活性化の状況を画像化することに成功しました。
この方法により、治療遺伝子の生体内での様子を安全かつリアルタイムにモニターすることが可能になりました。今後、人間への応用が可能になれば、治療遺伝子や導入方法の選択など、より効果的ながんの遺伝子治療法が可能になると期待できます。
本研究成果は、英国の遺伝子治療学専門誌『Gene Therapy』の5月21日付けオンライン版に掲載されました。
1.背景
がんの治療法として、外科的手術を活用した外科治療、抗がん剤などを活用する化学治療、重粒子線をはじめとする放射線治療などが活躍していますが、副作用の少ない有望な治療方法として新たに登場してきた遺伝子治療に大きな期待が寄せられています。すでに世界中で、900例を超えるがんの遺伝子治療の臨床治験が進んでいます。遺伝子の異常などが原因で発症するがんの効果的な治療方法の1つに、その原因遺伝子を正常化する遺伝子や治療効果が明らかな遺伝子をがん細胞に導入する方法があります。このためには、治療に用いる遺伝子が、がん細胞内に効率よく導入され機能することが不可欠です。しかし、遺伝子が導入されて機能する様子を患者さんに苦痛を与えることなく、安全、かつ正確に調べることは非常に難しいため、患者さん1人1人の病状に合わせて治療計画を立案し、治療できるようにすることが遺伝子治療を実施する上で大きな課題となっていました。
放医研分子イメージング研究センターの長谷川、アウン(Aung)研究員らは、がん細胞への遺伝子導入や導入された遺伝子の機能発現をMRIで観察できる、患者に優しい分子イメージング手法の開発を目指してきました。
2.研究手法と成果
研究チームは、まず、仮想治療遺伝子として赤色蛍光遺伝子をヌードマウスの皮膚に移植したヒトがん細胞に導入しました。導入方法は、ウイルスを使用しない、安全で簡便な導入法としてがんの遺伝子治療での応用が期待されている電気穿孔法*5を用いました。この仮想治療遺伝子は、蛍光タンパク質を発現するため、その発現量を体外から画像化することができます。次に、仮想治療遺伝子（赤色蛍光遺伝子）とフェリチン（H鎖）遺伝子（レポーター遺伝子*6の１種）を繋げ、上記と同様の方法でがん細胞に導入しました。
遺伝子の導入部位を蛍光イメージングで確認した後(図1)、放医研で独自開発した７テスラ高磁場MRI装置で診断を行いました。遺伝子が導入された部位はMRI信号に大きな変化が見られる（MRI画像の一つであるT2強調画像*7で黒くなる）ことが確認できました(図2)。これらは、遺伝子の導入部位と機能発現(活性化)部位がそれぞれ画像化されたことを示しています。フェリチン(H鎖)遺伝子が生成するタンパク質が細胞内の鉄と結合し、その結果、生体内に元々存在する鉄が細胞内に取り込まれたことで、MRI装置で画像化できたと考えられます。つまり、細胞内の鉄の濃度変化が周辺の水素から放出されるMRI信号に変化をもたらし、その変化がMRI画像上で大きなコントラストを作りだすことで、フェリチンと同一のベクター*8上に存在する仮想治療遺伝子の存在箇所を画像として顕在化させたのです。フェリチン(H鎖)遺伝子を導入した細胞は、鉄の取り込みが増加するという事実は別途確認しています(図3)。
図1 ヌードマウスに移植したヒトがん組織に赤色蛍光遺伝子を電気穿孔法により導入しました。6日後に撮影し写真で赤くなっている部分が、蛍光が観察されている場所(遺伝子導入部位)を示しています。
図2 (左図)がん組織のMRIT2強調画像。(右図)がん組織断面の蛍光写真。遺伝子が導入された部位(右図の赤色蛍光が認められる部位)のT2強調画像では、信号が低下し画像上黒くなっており、機能が発現(活性化)したことを示しています。
図3 フェリチン(H鎖)遺伝子を導入した細胞(pFHC-RFP)と導入していない細胞(pX-RFP)の鉄の取り込みの様子。フェリチン(H鎖)遺伝子を導入した細胞は、鉄の取り込みが増加していることがわかる。
3.今後の展開
この成果は、フェリチン遺伝子を発現させることにより、生体内のがん細胞に外から導入した遺伝子の活性化を、MRIで画像化できることを明らかにした世界で初めての成果です。また、体外から薬を投与することなく画像化できるので、患者さんに優しい画像診断法と言えます。この研究では、仮想的な治療遺伝子を用いましたが、この方法とがんの治療遺伝子と組み合わせることで、治療遺伝子ががん組織のどの場所でどのように働いているかを調べることができるようになります。将来的には、効果的ながんの遺伝子治療法確立につながる成果です。すでにMRI装置は多くの臨床現場で使われていますので、臨床応用に頻繁に活用されることが期待できます。
この研究は、長谷川研究員のほか、分子イメージング研究センター(菅野巖センター長)分子病態イメージング研究グループ(佐賀恒夫グループリーダー)のウィン・アウン(Winn Aung)研究員、および計測システム開発チームの青木伊知男チームリーダーらによる研究チームの成果です。
用語解説
*1 分子イメージング研究
体内で起こるさまざまな生命現象を外部から分子レベルで捉えて画像化する研究のこと。生命の統合的理解を深める新しいライフサイエンス研究分野。本成果に使用したMRI(磁気共鳴画像)装置によるがん治療に関する遺伝子機能発現解析研究もその一分野として行っている。放医研では、PET(陽電子断層撮像法)およびMRI(磁気共鳴撮像法)装置を用いて腫瘍イメージングや精神・神経疾患など4つの分野について研究を行っている。
*2 MRI(磁気共鳴画像法)
強い磁場に置かれた原子核が固有の周波数の電磁波と相互作用する現象を利用して、生体内の内部の情報を画像化する方法である。病気の診断のため臨床で広く使われている。
*3 がんの遺伝子治療
がんは遺伝子の病気とされており、実際、がんの発生や進行には、遺伝子に異常が起こっていることが分かっている。がんの遺伝子治療は、異常になった遺伝子を正常に戻すため、もしくは、その機能を補充するために、体外から正常な遺伝子をがん細胞に投与することにより治療するがん治療法のひとつ。
*4 フェリチン遺伝子
鉄は細胞や生体にとって必須の栄養素であるが、一定量を越えると、毒性を示す場合がある。フェリチン遺伝子から作られるフェリチンタンパク質は鉄と結合し貯蔵するとともに、その毒性を無毒化する分子であり、生体にとって重要な役割をしている遺伝子である。
*5 電気穿孔法(でんきせんこうほう)
エレクトロポレーション(electroporation)とも呼ばれ、電気の刺激を利用して細胞内部に遺伝子(DNA)を導入し、元の細胞の形質を転換する方法。
*6 レポーター遺伝子
ある遺伝子が発現しているかどうかを容易に判別するために、その遺伝子に組換える別の遺伝子のこと。緑色蛍光タンパク質(GFP)もレポーター遺伝子の1つである。レポーター遺伝子に要求される条件として、活性の測定が容易である、細胞毒性がない等がある。本研究では、通常とは異なる水素原子のMRI信号を放出させて治療遺伝子の存在箇所を示すために、同時に導入する遺伝子のフェリチンがレポーター遺伝子として機能する。フェリチンは鉄含有タンパク質であり、ナノ磁石として、周辺磁場を変える効果がある。
*7 T2強調画像
磁気共鳴イメージング(MRI)に用いられる画像処理方法の1つで、水分を含む箇所を白く強調して映し出すイメージング。
*8 ベクター
治療遺伝子等を体外から体内へ導入する際に使われる運搬体の総称。
問い合わせ先
国立研究開発法人 放射線医学総合研究所 企画部 広報課
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