[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

磁気ナノ粒子でガン細胞を選別する

[スポンサーリンク]

最近、学内で聞いた講演がとても興味深かったので紹介します。

講演者は、トロント大学のShana O. Kelley教授で、DNAを鋳型としたナノマテリアルや、特定の細胞・生体分子を検知するバイオデバイスの研究を中心に活躍されています。MIT’s Technology Reviewのトップ100イノベーター (2004) にも選ばれている先生です。

 

Shana O. Kelley教授(写真はKelley研究室のページより。)

本記事で取り上げる論文はこちら。

“Tracking the dynamics of circulating tumour cell phenotypes using nanoparticle-mediated magnetic ranking”

Poudineh, M.; Aldridge, P. M.; Ahmed, S.; Green, B. J.; Kermanshah, L.; Nguyen, V.; Tu, C.; Mohamadi, R. M.; Nam, R. K.; Hansen, A.; Sridhar, S. S.; Finelli, A.; Fleshner, N. E.; Joshua, A. M.; Sargent, E. H.; Kelley, S. O.

Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 274.

1. 研究背景

図1. 血中循環腫瘍細胞(CTC)

CTC(血中循環腫瘍細胞、circulating tumor cellという言葉をご存知でしょうか?

これは、ガン化した組織から遊離して、血液の中を循環しているガン細胞のことです。[1, 2]

ガン細胞は、組織から離れ血管内に入ると、ほとんどが自己免疫系によって攻撃され、死滅してしまうのですが、ごく少数が生き残り、ppb(10億分の1)の濃度で血中を循環します。このCTCは、ガンの転移にも関わると考えられており、CTC上に発現しているバイオマーカーや、遺伝子変異などの研究が盛んに進められています。

しかしながら、CTCは血液10 mL中に数個~数十個ほどしか存在しないため、他の血中細胞が多数含まれる血液サンプルからCTCを選択的に取り出すことはとても困難です。バイオの分野では、蛍光標識を利用して細胞を選別するFACS (fluorescence activated cell sorting) という手法がよく用いられますが、血中のCTCを選別できるほどの感度や分解能はありません。

2. 磁性ナノ粒子による細胞の捕捉

そこで、Kelly教授らのグループは磁性ナノ粒子を用いてCTCを選別する手法(MagRC, magnetic ranking cytometry)を開発しました。

図2. 磁性による細胞選別デバイス

用いられた手法は以下の通りです。

  1. 血液中のガン細胞を、抗体つき磁性ナノ粒子で標識する。
  2. マイクロ流体デバイス(図2)に血液サンプルを流す。
  3. 流路にあるX型の構造(黄)により、細胞が捕捉・選別される。

この手法の鍵となるのは、マイクロ流体デバイス内に作られた構造です。X型の構造(図2, 黄)の中心には、ニッケルでできたマイクロ磁石が配置されており、細胞上の磁性ナノ粒子と相互作用します。このマイクロ磁石の大きさを、流路の入り口から出口にかけて大きくしていくことで、細胞と流路の相互作用をコントロールすることができます。

図3. 細胞を選別するマイクロ流体デバイス内の構造

細胞表面に標識した磁性ナノ粒子量が多い場合、Niマイクロ磁石と細胞の相互作用が強くなるため、図3 (i)のように細胞の捕捉領域が大きくなります。逆に、細胞上の磁性ナノ粒子量が少ない場合、図3 (ii) のように細胞の捕捉領域が小さくなります。この原理によって、磁性粒子積載量の異なる細胞を、マイクロ流体デバイス上で分離することが可能になります。

磁性ナノ粒子の積載量は、細胞上に発現しているバイオマーカーの量に比例するので、細胞表面の特性の違いによって細胞を選別できるようになります。

3. 上皮細胞接着因子(EpCAM)の発現量によるガン細胞の選別

Kelleyらは、まずこのシステムを用いて、異なるガン細胞を選別できるかどうか実験を行いました。ターゲットとしたのは、MCF-7、SKBR3、PC-3、MDA-MB-231という4種類のガン細胞です。これらの細胞での発現量がよく調べられている、上皮細胞接着因子(EpCAM)をマーカーとして選別を行いました(図4)。

図4. EpCAM発現量の違いによるガン細胞の選別。Insetはフローサイトメトリーによる選別のデータを示す(論文より)

それぞれの細胞をMagRCに流すと、4種のガン細胞が、デバイス中の異なるゾーンに分布しました。MCF-7は、流路の入り口に近い側(=Zone numberが小さく、Ni磁石が小さい側)で捕捉されることから、EpCAMの発現量が大きいことが示唆されます。一方で、PC-3やMDA-MB-231は、流路の出口に近い側で捕捉されることから、EpCAM発現量が小さいことが示唆されます。実際、フローサイトメトリーによりこれら4種の細胞を選別すると、EpCAMの発現量はMagRCの結果と一貫していることが分かります(図4、inset)。特に注目すべきなのは、フローサイトメトリーと比べると、MagRCではかなり高い分解能が得られていることです。

4. 血液サンプルにおけるガン細胞の捕捉

上記では、単一の細胞のみを含むサンプルで実験を行っていますが、実用化においては赤血球や白血球などが混じった血液サンプルにてガン細胞を分離することが必要です。そこで、Kelleyらは、ヒト全血を用いて、EpCAMを標的分子とした細胞選別を行いました。

図5. PBS(上)または全血(下)中のガン細胞の分離。左はMagRC、右はフローサイトメトリーによる(論文より)

図5は、全血(またはPBS)1 mLに対し102または104個のガン細胞を混ぜ、MagRCとフローサイトメトリーで細胞分離を行った際のプロファイルを表しています。フローサイトメトリーを用いた場合では、PBSサンプルにおいても、ガン細胞数が少ない場合(102個、右上の図のinset)にはシグナルが得られていません。全血中においても、バックグラウンドシグナルのみが得られ、ガン細胞が検知できていません(図5、右下)。

一方で、MagRCを用いた場合では、1 mL中に102個しか含まれないガン細胞をうまく分離できています。図5の左側上下のグラフから分かるように、PBS中・全血中いずれにおいても細胞が検出されており、これらの細胞がガン細胞以外の血中細胞でないことが確認されています。

5. ガン患者の血液分析

さらにKelleyらは、MagRCを用いてガン患者の血液サンプルの分析も行いました。転移性去勢抵抗性前立腺ガン(mCRPC)と、限局性前立腺ガン(localized prostate cancer)の患者からそれぞれ血液サンプルを採取し、ガンの悪性度を示すグリーソンスコア(P1-P14)ごとにプロファイルを描きました(図6)。

図6.ガンの種類によるCTCプロファイルの比較(論文より)。Prostate Cancer(右)において、GleasonスコアはP1-3: 6、P4-9: 7、P10-14: 8-9である。

左右の図を比較して分かるように、mCRPC患者(左)ではEpCAM発現量がどの患者でも低いのに対し、限局性前立腺の患者(右)では、患者ごとに違いが見られ、Gleasonスコアが大きくなるにつれCTCのEpCAM発現量が減っています。これは、転移性のガンになると、細胞が上皮の性質を失って間葉へと転換する(EMT)際に、EpCAMの発現量が減るという考えに一致しています。[3, 4]

6. おわりに

今回取り上げた磁気ナノ粒子による細胞選別法MagRCでは、血液中にごく微量にしか含まれないガン細胞を表面特性によって分離し、取り出すことができます。この手法は、EpCAMに限らず多様なマーカー分子にも応用でき、今後のガン転移の研究に大きく貢献することが期待されます。

参考文献

  1. Plaks, V.; Koopman, C. D.; Werb, Z. Science2013, 341, 1186. DOI: 10.1126/science.1235226
  2. Alix-Panabières, C.; Pantel, K. Nat. Rev. Cancer 2014, 14, 623. DOI:10.1038/nrc3820
  3. Santisteban, M. et al. Cancer Res. 2009, 69, 2887.
DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-08-3343
  4. Yu, M. et alScience 2013, 339, 580. DOI: 10.1126/science.1228522

関連書籍

関連リンク

  1. CTC (Wikipedia, 英語)
  2. フローサイトメトリー(Wikipedia)
  3. グリーソンスコア
kanako

kanako

投稿者の記事一覧

大学院生。化学科、ケミカルバイオロジー専攻。趣味はスポーツで、アルティメットフリスビーにはまり中。

関連記事

  1. 新たなクリックケミストリーを拓く”SuFEx反応&#…
  2. 温和な室温条件で高反応性活性種・オルトキノジメタンを生成
  3. 【環境・化学分野/ウェビナー】マイクロ波による次世代製造 (プラ…
  4. とあるカレイラの天然物〜Pallambins〜
  5. 「遷移金属を用いてタンパク質を選択的に修飾する」ライス大学・Ba…
  6. 抗薬物中毒活性を有するイボガイン類の生合成
  7. 人工DNAから医薬をつくる!
  8. 「えれめんトランプ2.0」が発売された

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 有機反応を俯瞰する ーヘテロ環合成: C—C 結合で切る
  2. 一人二役のフタルイミドが位置までも制御する
  3. 量子力学が予言した化学反応理論を実験で証明する
  4. アメリカで医者にかかる
  5. 第12回 DNAから人工ナノ構造体を作るーNed Seeman教授
  6. HOW TO 分子シミュレーション―分子動力学法、モンテカルロ法、ブラウン動力学法、散逸粒子動力学法
  7. サラダ油はなぜ燃えにくい? -引火点と発火点-
  8. 楊井 伸浩 Nobuhiro Yanai
  9. 第52回―「多孔性液体と固体の化学」Stuart James教授
  10. ウルツ反応 Wurtz Reaction

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2017年11月
« 10月   12月 »
 12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
27282930  

注目情報

注目情報

最新記事

MEDCHEM NEWSと提携しました

「くすり」に関係する研究者や技術者が約1万7専任が所属する日本薬学会。そ…

抗体を液滴に濃縮し細胞内へ高速輸送:液-液相分離を活用した抗体の新規細胞内輸送法の開発

第341回のスポットライトリサーチは、京都大学 薬学研究科(二木研究室)博士後期課程1年の岩田恭宗さ…

革新的なオンライン会場!「第53回若手ペプチド夏の勉強会」参加体験記

夏休みも去って新学期も始まり、研究者としては科研費申請に忙しい時期ですね。学会シーズン到来の足音も聞…

実験手袋をいろいろ試してみたーつかいすてから高級手袋までー

前回は番外編でしたが、試してみたシリーズ本編に戻ります。引き続き実験関係の消耗品…

第164回―「光・熱エネルギーを変換するスマート材料の開発」Panče Naumov教授

第164回の海外化学者インタビューは、パンチェ・ナウモフ教授です。大阪大学大学院工学研究科 生命先端…

SNS予想で盛り上がれ!2021年ノーベル化学賞は誰の手に?

今年もノーベル賞シーズンの到来です!化学賞は日本時間 10月6日(水) 18時45分に発表です。昨年…

カーボンナノチューブ薄膜のSEM画像を生成し、物性を予測するAIが開発される

先端素材高速開発技術研究組合(ADMAT)、日本ゼオンは産業技術総合研究所(AIST)と共同で、NE…

ケムステ版・ノーベル化学賞候補者リスト【2021年版】

各媒体からかき集めた情報を元に、「未来にノーベル化学賞の受賞確率がある、存命化学者」をリストアップし…

ライトケミカル工業2023卒採用情報

当社の技術グループは、20代~30代の若手社員が重要な主要案件を担当しています。広範囲で高レベルな化…

アブラナ科植物の自家不和合性をタンパク質複合体の観点から解明:天然でも希少なSP11タンパク質の立体構造予測を踏まえて

第340回のスポットライトリサーチは、東京大学 大学院農学生命科学研究科の森脇 由隆…

Chem-Station Twitter

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP